浅析地铁主变电所理论计算容量与实际测量值的差异

张喜海

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

0 引言

近年来我国城市轨道交通发展迅速，国内众多城市已有开通线路。经过一段时间的运营，一些城市地铁运营部门反映供电设备选型与系统实际运行负载存在一定出入，其主要体现在主变压器容量的负荷率低，即理论计算后的安装容量与实际运行表测数据存在较大差异，导致主变电所的空载损耗和电费增加，无形中增加了地铁公司的运营成本。研究理论计算结果和供电系统实际运行数据间的联系和规律，对调整计算策略，优化供电系统设计具有重大意义。

1 深圳市轨道交通主变压器现状负荷率

负荷率是校验变压器容量的重要数据，计算方式为：负荷率 = 实际负荷 / 变压器安装容量×100%，其中实际负荷为电表实际测量的用电负荷。目前，深圳市轨道交通路网已经运行的线路为 1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、7 号、9 号、11 号线，共建设了 12 座 110 kV/35 kV主变电所。其中深圳市轨道交通 1 号线一期工程为深圳市早期开通线路，设置城市广场、文化中心 2 座主变电所，列车采用 6 辆编组 A 型车，高峰小时发车对数已达到 30 对。图 1 为深圳市轨道交通 1 号线一期工程城市广场及文化中心 2 座主变电所安装的 4 台变压器 2016 年每月负荷率。图 2 为深圳市轨道交通运营线路既有主变电所负荷率，其中 1#、2#代表变压器编号。

图1 深圳市轨道交通 1 号线一期工程 2016 年变压器每月负荷率

由图 1 可以看出，深圳市轨道交通 1 号线在近期发车对数已达到远期高峰小时运能时，变压器负荷率仅在 9 月份接近60%，其他大部分月份负荷率均低于 50%。由图 2 可以看出，目前深圳市轨道交通运营的各线主变电所的负荷率均相对较低，其中绝大部分主变电所负荷率不超过50%，基本维持在 40% 左右。经调研，除北京、上海、广州、深圳等高密度发车的城市，其他城市的负荷率均普遍偏低，东北部分城市负荷率甚至不足 20%，主变电所容量造成极大的浪费。

2 主变电所容量构成及主变压器容量选择原则

2.1 主变电所容量构成

主变电所容量主要由牵引负荷计算容量和低压负荷计算容量构成，其中牵引负荷通过牵引供电模拟计算得出，牵引供电计算受运营组织、线路条件、列车运行方式、列车牵引和制动曲线等影响[1]。低压负荷主要分为照明负荷和动力负荷，两类用电负荷按其用电的具体位置又可分为车站和区间 2 个部分。其中车站照明分为车站公共区和附属用房两部分，地下区间照明分正常照明、应急照明及区间疏散照明，地上区间只设正常照明，不设应急照明。车站的动力负荷主要有通信、信号、自动售检票、风机、水泵、电扶梯、空调、维修电源等，区间的动力负荷主要有区间消防设备、区间检修设备以及区间通风设备[2]。

2.2 主变电所主变压器容量选择原则

（1）主变压器容量应满足正常运行方式下高峰小时牵引负荷和全部动力照明负荷的需求。

（2）主变压器容量应满足 1 台主变压器解列、由另 1 台主变压器承担本所供电范围内高峰小时牵引负荷和动力照明 1 级、2 级负荷需求。

（3）主变压器容量应满足相邻主变电所解列、由本所支援供电承担本所及支援供电区域供电范围内高峰小时牵引负荷和动力照明 1 级、2 级负荷需求。

（4）主变压器容量除考虑本工程负荷外，还应结合共享线路建设年限及负荷需求考虑。

（5）主变压器容量宜近远期分期实施。

3 构成主变电所容量差异分析

3.1 牵引负荷差异性

3.1.1 牵引供电计算影响因素

在牵引负荷计算时，车辆的资料与实际车辆的参数肯定会存在一定的差异。目前牵引供电计算一般采用“运行图法”和“平均运量法”，2 种算法均与实际运行情况存在误差。平均运量法是以大量相容事件的统计和概率论为基础的计算方法，由于受满载率、行车组织等影响，其计算结果和实际运行情况之间往往存在较大的误差，有时可达 20%～30%[3]。运行图法是依据某个时间线路上正在运行的所有列车的工况（受流、惰行或停站）建立相应的数学模型，然后再对数学模型进行求解，从而计算出各种系统电气参数。受电气模型搭建的影响，虽然模拟实际运营时发车对数，但仍与实际运行情况存在偏差。

3.1.2 整流机组容量选取

牵引供电计算完成后，根据计算结果选取容量，需考虑 1 套机组解列和高峰小时大双边故障时所需容量，因此，在考虑过负荷倍数的情况下，选择较大的容量[4]。当个别车站计算容量位于两相邻设备标准容量等级临界值时，考虑容量增加对设备投资增加影响不大，会选择较高 1 档；另外，为便于运营统一容量规格或考虑远期线路延伸时，容量选取会较计算出的容量有1 级或 2 级的上浮。如车辆段、停车场及首末端牵引变压器的容量计算结果较正线少1档，则一般选取与正线一致。

3.2 动力照明负荷差异性

动力照明负荷理论计算的前提是底层设备专业提供详尽的车站负荷资料，包括回路数量、用电负荷、功率因数、需要系数等。地铁存在不同的运行工况，比如高峰时段工况、夜间停运工况等，相应的机电系统设备在不同的运行工况下用电量是不同的。在计算时，往往对设备实际运行工况考虑不足，盲目放大余量，使得理论计算与实际差异较大。

3.2.1 各用电专业负荷资料不准确

城市轨道交通工程中用电专业较多，包括通风空调、给排水、通信、信号、自动售检票（AFC）系统等，多达十几个专业。这些专业进行设计时，往往以相应供货商提供的用电设备铭牌功率为参考，再留出一定比例向动力照明专业提出用电负荷。而设备铭牌功率表示的是该设备的产品设计负荷，该用电负荷本身包含了一定的余量。因此，在各专业向动力照明提出用电负荷资料的过程中，考虑了两重设计余量，这些余量是设计负荷与实际负荷出现差异的原因之一。

3.2.2 动力照明专业负荷计算过程导致出现部分设计余量

动力照明专业在进行负荷计算时，针对三相负荷和单相负荷有不同计算方法。对于三相负荷，可以直接进行负荷计算与统计[5]。对于单相负荷，例如照明、小功率水泵、风机等，则需要进行功率平衡与计算。当某处配电箱仅有 1 个单相负荷时，该配电箱按照 3 倍的单相负荷折算为三相负荷。由于大部分单相负荷运行时间很短，在计算过程中，会产生较大的负荷差异。

3.2.3 配电变压器负荷计算时产生的差异

配电变压器负荷计算时，关键在于同期系数的选取，该系数来源于实际运行经验。在城市轨道交通行业中，没有类似的参考经验值。因此，在进行配电变压器负荷计算时，可能出现同期系数偏高带来的负荷浪费。

3.3 主变电所引起的差异性分析

3.3.1 主变电所运行方式要求

地铁每条线路至少设置 2 座主变电所，互为热备用，以保证出现故障时（1 台主变压器解列或 1 座主变电所退出运行），系统仍能够稳定运行。主变压器容量除满足正常运行情况下的负荷需求，还需具备 1 台主变压器和相邻主变电所解列支援供电的能力。一般情况下主变压器容量中约 60% 为备用容量，约 40% 为正常实际容量或负荷率。

3.3.2 满足高峰小时运营

主变压器容量需保证各个运行工况下列车按照既定运行图运营，因此，主变压器容量按高峰小时最大负荷确定。而列车运行计划只有早晨和晚上出现高峰小时，其他大部分时段均处于相对较低运力情况，负荷率低于高峰小时负荷率。在动力照明负荷波动不大的情况下，以平峰 10 对/h 与高峰 24 对/h 对比为例，变压器负荷率前者约为后者的 41.6%。

3.3.3 共享线路负荷考虑

当主变电所为共享主变电所时，主变压器容量需同时满足共享线路高峰小时、解列运行方式总负荷（只考虑共享线路中1座主变电所解列情况）需要。当共享线路不同期运营时，总容量仅被运营线路负荷占用，负载率较线路全部投入成倍降低。如将正常负荷占主变电所容量比例计为 α、某时段负荷占高峰小时负荷比例计为 β、1 条线负荷占共享线路总负荷比例计为 γ 时，某时段主变压器负荷率为 α、β、γ 三者的乘积关系，以上 3 个因子均小于 1。由于设计时给出的负荷数据基本上是支撑容量选取的数据，即综合考虑了上述计算原则后的最大值，因此导致主变压器容量选取偏大。

3.3.4 容量选取需求

目前市场生产的变压器容量按照依次递增，容量越大，相邻等级容量差值越大。这种容量的不连续性也造成了理论计算与实际的差异，如计算容量为33 MVA，则容量可能选择为 40 MVA 档，即凭空产生了17.5% 的误差。

4 总结与建议

通过以上分析可以看出，虽然目前开通线路主变电所负荷率普遍偏低，但因考虑城市轨道交通线路运行的高可靠性和主变电所的资源共享及高峰小时用电需求，主变电所安装容量中有 40% 左右为备用容量是合理的。建议客观认识主变压器负荷率低的问题，在地铁线路设计时，充分利用油浸式电力变压器的过载能力，减小主变压器容量；稳定牵引供电计算和动力照明负荷等外界条件，合理选取牵引变压器及动力配电变压器容量。对于共享主变电所，应综合考虑主变压器维修周期、使用寿命。若共享线路建设时间间隔相差 5 年以内，主变压器安装容量可按 2 条线路近期需用容量安装；若超过5 年且低于 10 年，主变压器安装容量可按照 1 条线路运行至近期，共享线路运行至初期所需容量进行安装；若建设时间间隔超过 10 年，主变压器安装容量可仅按 1 条线路近期用电负荷选择，主变电所内预留土建安装条件即可。

[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，等. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 四川成都：西南交通大学出版社，2008.

[2]王绍勇. 地铁车站配电变压器经济容量选择[J]. 都市快轨交通，2009，22（1）：85-87，95.

[3]陈桁，胥伟. 城市轨道交通牵引供电计算负荷与实际负荷差异原因分析及应对措施[J]. 城市轨道交通研究，2015（5）：128-129，134.

[4]王彦利. 基于降低损耗和控制投资的变压器容量选择[J]. 铁路技术创新，2016（4）：24-26.

[5]赵亮，曹文，宋铁锁. 供配电负荷计算的探讨[J]. 电气技术，2014（4）：95-97，106.