地铁车站动力照明负荷计算的优化分析

鲍 寅 龙

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司, 贵州 贵阳 550002)

0 引 言

地铁用电负荷主要是由地铁车辆及其相关的辅助设施所包含的总牵引动力负荷和地铁车站内低压动力和照明设备负荷构成的。其中,牵引动力系统的运行状态比较固定(主要与行车用电需求、客流量、运行状态等因素有关),因此牵引负荷的计算相对准确,贴近现实用电需求。但是车站内部的照明插座,通风系统的风机,给排水的水泵、电梯、扶梯、屏蔽门以及弱电系统的UPS等各种用电设备配电方式多样,且一条地铁线路上每个车站相关的用电系统配置也不尽相同,因此地铁车站的整体动力照明负荷设计会比较复杂。

本文探讨了车站动力照明负荷计算中存在的问题及优化方式。通过对贵阳市地铁线路上某些车站用电负荷情况的调查,发现车站的变压器平均负荷率普遍不到25%。查阅资料了解到像广州、武汉等一线城市地铁变压器负荷率也普遍不高,不到30%。可见现有地铁车站的负荷计算方式得出的计算结果远远大于车站实际动力照明的负荷用电量。再结合目前地铁动力照明设计人员在进行负荷计算时大多偏保守,且一般会留有一定富裕量,计算方式不够灵活,所以整体的计算负荷会大于实际负荷,造成变压器负荷率低、电缆截面选用过大、整体投资较高等问题。

1 车站动力照明现有负荷计算方式

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版的定义,计算负荷是一种人为假定的理想的持续性负荷,它在一定的时间间隔中产生的热效应与变动的实际负荷相等。也就意味着计算负荷本身就是现实中实际负荷的一种近似模拟方式,为的是更方便进行定义和计算。

现在民用建筑中最常用的负荷计算方式是需要系数法,简言之就是根据建筑性质及类别的不同通过大量的调研得出相关的需要系数,然后将设备功率乘以相应的需要系数来得到对应的计算负荷,这些计算负荷再通过同时系数的校正相加得到总的计算负荷。这种方式广泛运用于民用建筑的负荷计算中,优点是计算简便,结果可靠。地铁动力照明基本也是以需要系数法来进行计算的,以下是简单的计算公式[1]:

Pc=KΣP∑(KdPe)

(1)

式中:Pc——计算有功功率;

KΣP——有功功率同时系数;

Kd——需要系数;

Pe——用电设备组的设备功率。

贵阳某地铁车站需要系数计算示例如表1所示。

表1 贵阳某地铁车站需要系数计算示例

2 车站动力照明用电负荷的基本组成

车站动力照明负荷按照负荷类型大致可以分为3类。

(1) 第一类属于长期持续性负荷。长期持续性负荷能在规定环境温度下连续稳定地运行。地铁上常见的照明、小动力设备等都属于这种负荷。其中照明按区域划分为站厅及站台公共区照明、出入口通道照明、设备及管理区照明、站台板下及电缆夹层照明、户外照明、消防应急照明等。小动力设备包括设备及管理用房插座、公共区清扫插座、电热水器、车站维修电源箱以及分体空调等。这些设备一旦启动运行时间较长,温度稳定。

(2) 第二类属于短时工作制负荷。短时运行工作制是指运行时间短而停歇时间长,设备在工作时间内的发热量不足以达到稳定温升,而在间歇时间内能够冷却到环境温度的工作制。消防泵、隧道风机、新风机、排烟风机、给排水泵、电扶梯、垂梯、屏蔽门、防淹门等都属于这一类。

(3) 第三类为弱电系统类负荷,包括通信信号、综合监控、AFC等系统专业。这些弱电系统设备负荷是由弱电专业按照其各个模块(主要是UPS)的额定功率之和相加后得到的。

3 车站现有负荷计算方式存在的问题

3.1 长期持续性设备的负荷计算

地铁车站中照明、小动力设备等设备与常规民用建筑的供配电方式差别不大,并且这些负荷在开启后基本会运行较长时间,采用需要系数法进行计算是合理的,但是地铁车站中需要系数的取值大多偏保守。

地铁车站的公共区照明以及应急照明灯具在工况情况下几乎是全开启的,现在常见的需要系数取值中对于公共区照明负荷基本都是按照需要系数1来取值,取值是合理的。而设备区照明包括站长室、公安值班室、0.4 kV开关柜室、环控电控室、民用通信设备室等大多数时候并非全部开启,灯具往往在工作时间或者设备检修时间内才开启,但以往的设计中设备区配电箱仍然按照需要系数1来取值,计算方式就显然不合理了。

小动力设备主要包括各种房间插座以及清扫插座等,在之前的设计中也是“一刀切”,按照需要系数1进行取值,造成计算结果远大于实际负荷。

通过查表可知[2]:面积3 000～15 000 m2的照明、插座,其需要系数取0.7～0.4。

除了公共区照明外,其他区域照明可以取0.7的需要系数上限进行计算,插座等小动力设备可以按照折中0.5需要系数进行取值,其最终计算结果更为接近实际负荷。

3.2 短时工作制设备的负荷计算

3.2.1 风机水泵类用电负荷

地铁车站的风机水泵以各种异步电动机为主,用电状态比较复杂,其用电负荷又是整个地铁车站用电负荷的大头,这一计算结果直接影响到计算负荷总量的准确性以及变压器的规格选型。资料显示,很多城市地铁车站风机水泵实际用电功率均远低于理论计算值,这是造成变压器选型过大、负载率较低的主要原因。

以贵阳地铁为例,车站两端一般有隧道风机,功率接近100 kW以上。在正常工况下,隧道风机每次运行半小时,只在早上开始阶段和晚上运营结束阶段开启新风,除此之外的时间为停止状态。发生火灾时的工况类似排烟风机,满载功率不断电运行,但这种情况发生概率极小。一般设计人员对隧道风机按照长期持续性负荷进行计算,需要系数取1,因为取值太大,并不符合正常工作用电情况。地铁隧道风机的需要系数会受到多种因素的影响,例如地铁线路的长度、车站的数量、客流量、气象条件等,因此,需要系数的参考值会因情况而异。在正常情况下,地铁隧道风机的运行系数应该在0.3～0.5。如果需要系数过低,会导致车站和隧道内空气质量下降,影响乘客的舒适度和健康状况;如果需要系数过高,会浪费能源、加速设备的磨损和老化等。因此,合理控制地铁隧道风机的需要系数是非常重要的。

类似的情况冷水机组功率也在130 kW以上,一般都设置两台,两台同时运行情况几乎可以忽略不计,但是大多数时候设计都是按照需要系数1(也即两台同时运行考虑)来取值的。

由此可见,地铁车站的风机水泵基本通过采用需要系数法来计算,且系数取值较大,计算结果明显偏大。再结合《工业与民用供配电设计手册》[1]第四版,在用电设备基本都为5台及以下情况下,不宜采用需要系数法,而推荐用利用系数法进行计算。

所以采用利用系数法来对风机水泵负荷进行计算。

以贵阳某地铁车站出入口风亭水泵的计算为例,共5台水泵,设备功率为4台每台6 kW,1台5 kW。按照式(1)的需要系数法计算,可得风亭水泵的计算负荷为29 kW,以下是详细计算过程。

水泵的总的设备功率:

∑Pe=29 kW

水泵的总的计算负荷:

∑Pc=∑Pe×Kd=29 kW

需要系数Kd取1。

采用利用系数法进行负荷计算,首先计算有功平均功率:

∑Pav=Ku×∑Pe

(2)

式中: ∑Pav——各用电设备组的有功平均功率之和;

∑Pe——用电设备组的设备功率之和;

Ku——最大负荷班的用电设备组利用系数,查表可知水泵的Ku值为0.55。

则

∑Pav=Ku×∑Pe=15.95 kW

其次计算全计算范围的总利用系数:

(3)

式中:Kut——总利用系数。

则

计算用电设备有效台数neq:

(4)

式中:neq——用电设备的有效台数;

Pei——第i台用电设备的设备功率。

则

所以有效台数为5台。

根据以上计算,得到Kut=0.55,neq=5,查表得最大系数Km=1.49。

最终计算负荷为

Pc=Km×∑Pav=1.49×15.95=23.8 kW

因此,用需要系数法计算出来的29 kW明显大于用利用系数法计算出来的23.8 kW,再结合水泵实际用电情况,能看到利用系数法的计算结果更为合理准确。

3.2.2 垂直电梯、扶梯、屏蔽门、防淹门等用电负荷

电扶梯的用电功率与地铁车站客流量以及上行下行的运行方式相关,且不同车站因为人流量不同扶梯运行时的实际功率也不一样。一般认为,下行扶梯的用电负荷要小于上行扶梯的用电负荷(上行需要抵抗乘客重力并输送乘客到电梯提升高度,相对耗电量更大)。垂直电梯主要是作为电扶梯的一种辅助,方便有特殊需求的乘客使用,是典型的短时工作制状态。设计人员一般会简单取需要系数1来直接进行计算,这样计算结果明显偏大。经调查,电扶梯和垂直电梯作为短时工作制设备一般按照0.5 h或者1 h考虑,额定负载持续率分别为εr=15%和εr=25%。正确做法应该在用系数法计算前将设备功率的额定负载持续率换算到εr=100%状态下。由于常规地铁车站站内出入口以及站台层与站厅层之间都设有两台电扶梯,两台扶梯同时运行还需考虑同时系数。不同电梯台数的同时系数如表2所示,本文取值0.85。

表2 不同电梯台数的同时系数

以贵阳某地铁车站出入口电扶梯铭牌功率为30 kW,0.5 h工作制,共2台电扶梯为例,计算结果如下。

将电扶梯的负载持续率εr=15%一律换算为负载持续率εr=100%状态[1],计算式如下:

Pc=23.24×0.85×1=19.75 kW

式中:Pr——电动机额定功率;

εr——电动机额定负载持续率。

由此可见,通过负载持续率换算过后的计算负荷值从60 kW修正为19.75 kW,更贴近电梯实际运行用电状态。

屏蔽门是在列车正常行驶时,列车在规定的时间范围内到站,屏蔽门系统在信号系统的指示下或者列车司机手动确认后操作控制门方便旅客有序下车。一般情况下,车站左、右线的车辆同步到站、离站情况概率极低。根据相关资料的研究结论,屏蔽门的额定负载持续率按照εr=18.75%取值[3]。

防淹门一般布置防止局部隧道区间进水漫延到其他隧道区间的门两端,属于防灾设备,正常情况下是不需要运行的,处于待机状态,可以等同于空载状态。屏蔽闸门的设计主要考虑维护和保养。额定负载持续率按照“较轻”运行状态考虑为εr=15%。屏蔽门和防淹门的计算方式类似电扶梯,此处不再赘述。

3.2.3 弱电系统类用电负荷

弱电系统类负荷最大的特点是系统中带有不间断电源(UPS)。UPS电源的输出功率选择方法:对电子计算机系统供电时,其额定输出功率应大于计算机各设备额定功率总和的1.2倍。弱电专业提资一般都是按照弱电设备UPS的额定容量提资一个总和。参考一些厂家的样本手册,UPS实际输出功率一般不大于额定容量的80%。设计人员往往直接把弱电专业提资的负荷拿来计算使用,例如弱电专业提资80 kVA的UPS容量,则计算负荷为

Pc=80×1=80 kW

显然,计算值是偏大的,不太合理。

应该将80 kVA的视在功率换算为有功功率,再进行相应计算,如下所示:

Pe=S×cosφ×λ=51.2

通过功率换算后,计算负荷由80 kW调整为51.2 kW,计算结果更趋于合理。

4 结 语

地铁车站作为城市重要公共项目,对供电安全可靠的要求比较高。在动力照明负荷计算中设计人员往往考虑比较保守,需要系数的取值也大多偏大,最终以少积多,使得总的计算负荷过大,变压器选型也就相应偏大。而根据实际调研的情况可知,变压器实际运行负载率大大低于设计理想值,末端计算负荷过大也造成了电缆截面增大,总的投资增加,造成不必要浪费。照明插座类持续性负荷在计算时根据不同区域、不同使用情况合理地选择需要系数。针对公共区等灯具长期使用的地方可以把需要系数取得大一些,对于设备区等偶尔开启的位置考虑0.5需要系数即可。对于短时工作制的各种通风空调、水泵等大容量设备,针对5台以下的情况,可以考虑采用利用系数法来代替需要系数法,计算更为准确。对于电梯、屏蔽门等设备,则需要把设备的额定功率转换为持续率为100%的额定持续负载率,然后再进行需要系数的计算。弱电类用电负荷则需要将弱电专业提资的视在功率转换为有功功率,再通过需要系数法得出计算负荷。本文的优化方法会一定程度地改善负荷计算的准确值,使其更加贴合实际用电负荷的功率,能更好地减少变压器容量和电缆截面,减少不必要的投资。