郭翔宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

?

基于節(jié)能視域的地鐵低壓配電探討

郭翔宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要從節(jié)能設計的基礎原則出發(fā)，分別從電房的合理配置、變壓器容量的合理選擇、線路上能量損耗減少的方法、系統(tǒng)的功率因數(shù)的提升、照明節(jié)能及變頻起動節(jié)能等內(nèi)容著手，探討地鐵低壓配電節(jié)能設計的具體措施。

關(guān)鍵詞節(jié)能地鐵低壓配電電氣設計

地鐵是城市電網(wǎng)當中重要的耗能單元。就整個地鐵運營成本來講，地鐵電能方面的損耗在其中占有相當高的比例。因此，如何對其采用合理、有效的節(jié)能措施，最大限度地降低地鐵負荷用電量，成為當前電氣設計師所要迫切解決的難題。以地鐵各個用電設備的用電特性、損耗情況及運行工況等為出發(fā)點，對節(jié)能視域下地鐵車站的低壓配電進行深入分析，并就合理、科學的節(jié)能措施予以探尋。

1節(jié)能設計的基礎原則分析

首先應滿足地鐵的基本功能。滿足地鐵整個通風系統(tǒng)當中相應新風量及舒適性的溫度，即提供舒適衛(wèi)生的地鐵環(huán)境；就地鐵日常運營當中有關(guān)照明框架下的顯色指數(shù)、色溫及照度等予以滿足。其次，考慮實際經(jīng)濟效益，必須對實際經(jīng)濟效益進行深入的綜合考慮，其實質(zhì)應對所增加部分的相應投資，在將來開展節(jié)能的時間框架內(nèi)，減少當前運營成本，并且在未來節(jié)能的時間內(nèi)將所投資回收，最終保證地鐵建設既滿足當下節(jié)能的具體要求，還能達到經(jīng)濟省錢的目的。最后，對無謂消耗的能源進行節(jié)省。基于節(jié)省的出發(fā)點及立腳點來講，應將那些本不應該消耗的能源進行節(jié)省。首先需要將與地鐵功能無關(guān)的一些能源消耗全部找出，然后針對這些無謂能源消耗的實際狀況，采取相對應且高效、合理的節(jié)能措施。通常情況下，采用當今先進的技術(shù)手段對能源消耗予以降低最為適宜。所以，針對地鐵節(jié)能設計來講，應始終堅持并貫徹技術(shù)先進、經(jīng)濟合理及實用的基礎原則。

2地鐵低壓配電節(jié)能設計的具體措施

2.1合理設置電房

通常情況下，一個地鐵車站往往設置有對應的一座變電所，并且在弱電設備集中端設置地鐵降壓變電所，諸如信號電源室、通訊室及車控室等，以此實現(xiàn)供電距離減少的目的。針對那些負荷及規(guī)模較大的地鐵車站來講，應在另一端位置上根據(jù)實際需要設置一個跟隨變電所，以實現(xiàn)干線電纜長度減少的目的。對于環(huán)控電控室的設置位置，通常在冷水機房或者環(huán)控機房附近位置上更為合適。此外，依據(jù)距離車站的遠近狀況，區(qū)間風機房應合理設置降壓變電所或低壓配電室。

2.2合理選擇變壓器容量

許多地鐵往往存在變壓器容量過大的狀況，一些地鐵車站在相應運營低峰期時期，其變壓器負荷率竟然小于10%。在運營高峰期，許多地鐵車站的負荷率均低于50%，此狀況不僅增加項目投資，還浪費了大量的電能，最終導致運營成本的增加。變壓器有功功率損耗可用如下公式予以表示

式中：ΔP表示為變壓器相應有功功率方面的損耗情況/kW；P0表示為變壓器在空載狀況下的實際損耗/kW；Pk表示為變壓器在短路狀況下的實際損耗/kW；β則表示為變壓器相應負載率/%。

P0稱之為鐵損也被稱作空載損耗，其所造成的損耗主要是基于漏磁損耗，以及在具體的鐵芯渦流方面所造成的損耗。如損耗方面予以不變，隨著相應矽鋼片的具體性能，以及在鐵芯方面所存在的實際制造工藝情況，伴隨其相應大小而予以決定。至此，在對變壓器進行選擇時，應盡可能選擇那些節(jié)能型。

Pk主要指在實施傳輸方面功率的具體損耗，也稱為線損，其在一定程度上，決定了流過繞組電流的大小。此外，變壓器繞組電阻的大小同樣具有決定作用，并且還與負載率β的平方呈現(xiàn)出正比關(guān)系。所以，在電阻的選擇上，應選擇具有更小繞組的電阻。在變壓器的采用上可選擇銅芯。如果空載損耗與負載損耗相等，變壓器在能耗方面也就最小。基于此行業(yè)相關(guān)運營實際經(jīng)驗，控制地鐵用變壓器日常運營負荷率區(qū)間為55%～65%，可保證其運行水平為最佳。所以，在對變壓器進行選擇時，首要考量因素就是通過合理計算負荷，對變壓器類別及容量進行合理選擇，最終實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

2.3采取對應措施實現(xiàn)線路上能量損耗的減少

線路上存在一定的電阻狀況，當電流通過線路進行流動時，其過程就會出現(xiàn)有功功率損耗狀況，用公式可表示為

ΔP=3I2R×10-3

ΔP表示為線路上所存在的電能損耗/kW；I表示為線電流/A；R表示為線路電阻/Ω。通過公式可知，地鐵在相應有功損耗方面，往往和R之間呈現(xiàn)正比關(guān)系。通過深入分析可知，其和電纜的長度之間往往呈現(xiàn)出正比關(guān)系，和電纜具體的橫截面積之間則呈現(xiàn)反比關(guān)系。基于上述分析可知，在對電纜進行選擇的過程中，應盡可能選擇那些較粗的，盡管較粗電纜在短時間內(nèi)可能會對經(jīng)濟投入有所增加，然而粗電纜在具體的壽命方面，要明顯長于細電纜。所以，基于長遠角度來考慮，選擇粗的電纜更為適宜。對于電房的設計來講，電纜的長度越短，其在有功損耗方面則會相應越小。因此，在電房的位置選擇上，應盡可能選擇那些處于照明動力負荷的中心位置上。而對于環(huán)控電控室的選擇來講，應將其設置在距離冷水機房和環(huán)控機房之間最近處。而就地鐵變電室的設計及選擇而言，則需要將其設置在弱電壓區(qū)，并依據(jù)實際情況，對區(qū)間的風機房予以選擇，使其能夠和低壓配電室相匹配。

一個地鐵車站電纜長度超過萬米較為多見。因此，在電纜線路上存在的總有功損耗也非常龐大。在具體設計過程中，必須采取有效措施，最大限度地降低線路上的能耗。電纜上的電流是不能改變的，如果想要將電纜損耗減少，最為可行的方法就是將電阻減小。線路電阻往往和線路長度之間呈現(xiàn)出顯著的正比關(guān)系，和電纜截面之間則呈反比。因此，減少線路損耗，應采取以下措施：①對于地鐵用電纜來講，其在材質(zhì)選用上應均選為銅芯電纜，以此實現(xiàn)電纜電阻率減小的效果。②在布置線路時，應盡量采取直線設置，盡可能減少彎路布置，實現(xiàn)減少導線長度的目的。③對于低壓配電室位置選擇來講，應布置在電纜井附近更為合適，在布置電纜井位置及低壓配電室時，均采取線路向前送的方式，盡可能減少回頭輸送電能的支線。④在對電纜截面積進行選擇的過程中，對導線截面積根據(jù)實際需要進行增大，盡管增加了電纜購置的相應成本，但是相比于電纜壽命期內(nèi)節(jié)省能耗方面的費用，往往是十分經(jīng)濟的。

2.4對系統(tǒng)的功率因數(shù)進行提升

功率因數(shù)在整個供用電系統(tǒng)當中是一項十分重要的技術(shù)經(jīng)濟指標，當用電設備對有功功率進行消耗的情況下，還需要許多無功功率從電源箱負荷進行輸送。功率因數(shù)實質(zhì)就是對用電設備在對一定有功功率予以消耗的情況下，其在無功功率方面需求的反映。通過對系統(tǒng)功率因數(shù)的提升，實現(xiàn)無功電能在線路上傳輸?shù)靡詼p少的目的，節(jié)約電能，還可達到損耗降低的目的，這也是節(jié)能設計的最終宗旨。

將線路損耗公式展開，可得到如下公式

ΔP=3I2R×10-3=(RP2/UL+RQ2/UL)×10-3

式中，UL表示為線電壓/V；P表示為有功功率/kW；Q表示為無功功率/V·A。

在整個電氣系統(tǒng)當中所運用的用電設備，諸如氣體放電燈整流器、變壓器、電動機及線路等均具有相應電感，這些設備在運行當中還會產(chǎn)生滯后的無功，需于系統(tǒng)當中引入具有超前的無功，實現(xiàn)與上述無功之間相互抵消的作用。至此，這些無功功率通過高壓及低壓相應線路時，便能夠運用用電設備實施相應傳輸操作。在線路當中，同樣存在有有功損耗狀況，此種損耗可采取一些辦法進行有效改變，可提高設備的自然功率因數(shù)，實現(xiàn)超前無功需求減少。此外，在同步電動機的選擇上，可選擇那些功率因數(shù)較高的設備；對于熒光燈的選擇，可運用低于15%高次諧波系數(shù)的電子鎮(zhèn)流器；而在選擇氣體放電燈時，可選用內(nèi)置有電感鎮(zhèn)流器的放電燈，且于單燈中安裝電容器。這些方法的運用，可提高自然功率因數(shù)(0.83～0.92)，此種方法可減少整個系統(tǒng)高、低壓線路在輸電過程中所產(chǎn)生的超前無功功率。感抗所產(chǎn)生的無功是滯后的，可選用電容器對其進行補償，二者之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互抵消，實現(xiàn)無功需求量減少的目的[7]。在國內(nèi)具體的地鐵設計當中，絕大多數(shù)均運用變壓器低壓側(cè)集中無功補償。

2.5照明節(jié)能

對于照明節(jié)能來講，往往將“以人為本”作為其指導思想，注重健康且舒適的環(huán)境。地鐵照明往往具有用電面廣且大的特點。所以，對照明進行節(jié)能具有很好的應用潛力，可從以下內(nèi)容進行綜合權(quán)衡。

(1)利用高效光源

地鐵車站所采用的照明光源絕大多數(shù)均采用三基色細管徑直管熒光燈(T8或T5)，考慮局部美觀及相應裝修效果，可采用筒燈以及一些其他形式的光源。此種管徑相比于傳統(tǒng)的粗管徑T12，在光效上從原來的72 lm/W提升至93 lm/W，基于照度相同的狀況下，可實現(xiàn)光源能耗的降低(見表1)。當前市場上的LED燈具相比于常規(guī)的熒光燈，具有壽命長、維護成本低及發(fā)熱量小等優(yōu)點，并且伴隨先進技術(shù)水平的不斷提升，該燈具在節(jié)能效果上將更為突出。

(2)控制方式的靈活采用

公共區(qū)照明主要內(nèi)容為廣告照明、應急照明、正常照明及導向照明等。此外，正常照明又可劃分為兩種，即工作照明及節(jié)電照明，通過將接觸器設置在照明回路當中，再將觸點信號向環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)予以上傳并控制，且可采用表2中相應模式進行控制，智能化控制照明具有顯著的節(jié)能效果。

表1　兩種燈各項效果比較

表2　地鐵車站照明模式控制

注：(1)在正常運營時節(jié)假日及客流高峰期用正常模式。(2)正常運營時處于非客流高峰期采用節(jié)電模式。(3)停止運營時期采用停運模式。

設備房內(nèi)部所設置的應急照明，可從傳統(tǒng)的長明燈工作方式改變?yōu)樵O翹板開關(guān)控制，當發(fā)生火災時，可通過FAS/BAS進行強制開啟。通常情況下，設備房應急照明在配置上應為正常照明的10%，在火災狀況下才實施強啟操作。由于火災具有較低的發(fā)生率，可將照明功率功耗設置為10%。

2.6變頻起動節(jié)能

(1)采用變頻控制

在整個機電系統(tǒng)當中，地鐵車站電扶梯系統(tǒng)及通風空調(diào)系統(tǒng)在具體的用電量上可超過70%；并且上述系統(tǒng)絕大多數(shù)為電動機負荷?？蛇\用變頻調(diào)速器，當其出現(xiàn)負荷下降狀況時，能夠?qū)D(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，以此適應負荷所出現(xiàn)的變化。通過運用此種方式，可提升電機在輕載狀況下的效率，達到節(jié)能的效果。將變頻器設置在回排風機及組合式空調(diào)柜當中，通過相關(guān)計算可知，其在電能節(jié)約方面能夠達到驚人的30%。如果將變頻技術(shù)應用在電扶梯上，并且采取自動變速及分時管理措施，均可達到節(jié)約電能的目的。

(2)電動機采用軟啟動

可依據(jù)起動時間對可控硅的導通角進行逐步調(diào)節(jié)，以此對電壓的變化進行控制。此外，由于電壓能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，具有起動平穩(wěn)的優(yōu)點，當完成啟動后，可在全壓狀況下運行。該設備可在需頻繁啟動或電動機容量大的設備上運用，可控制其電網(wǎng)電壓的波動。其調(diào)壓主要采用可控硅，由于正弦波未導通，此時一部分電能在可控硅上得到全部消耗，不存在再次反向電網(wǎng)的

可能。所以，其在通風及散熱等措施上要求較高，然而在價格上卻低于變頻器，被廣泛應用在通風空調(diào)系統(tǒng)中。

3結(jié)束語

節(jié)能降耗作為一項十分重要且龐大的系統(tǒng)工程，其重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵在于節(jié)能設計。在對地鐵車站電氣系統(tǒng)進行設計時，應建立和健全節(jié)能設計理念，根據(jù)地鐵車站實際狀況開展設計，最終實現(xiàn)運行的經(jīng)濟性。地鐵工程在節(jié)能方面具有非常大的潛力，應分別對其效果、性能及原理等方面進行分析，通過對技術(shù)設備的比較，選擇合理及高效的設備、材料和技術(shù)。

參考文獻

[1]蘇銘杰.關(guān)于地鐵低壓配電系統(tǒng)節(jié)能設計的探究[J].科技與企業(yè)，2014(5):109-109

[2]宋新啟.基于智能低壓配電系統(tǒng)的地鐵配電電能管理系統(tǒng)[J].城市軌道交通研究，2012，15(12):114-116

[3]劉啟，汪侃，陳輝.基于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)能管理方式探討[J].城市軌道交通研究，2014(6):90-93

[4]匡江紅，余斌.地鐵空調(diào)通風環(huán)境控制系統(tǒng)的節(jié)能探討[J].能源研究與信息，2003，19(4):218-222

[5]尚志宇.地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方法的控制研究[J].中國科技博覽，2013(5):295-295

[6]宋劍偉.地鐵用電設備節(jié)能措施探討[J].都市快軌交通，2006，19(2):76-80

[7]肖迎俊.地鐵站臺屏蔽門系統(tǒng)應用與節(jié)能的探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2015(19):83-83

[8]樂建迪.地鐵正線節(jié)能坡設計探討[J].鐵道標準設計，2008(8):17-19

[9]紀強.智能低壓配電系統(tǒng)在地鐵中的應用問題分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2015(12):283-283

[10]趙大偉，魏宏偉.地鐵供電系統(tǒng)脈波整流對系統(tǒng)諧波影響[J].鐵道勘察，2014(6):105-107

[11]吳樹強.組合式牽引變壓器和配電變壓器的探討[J].鐵道勘察，2012(5):82-83

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：郭翔宇(1984—)，男，2006年畢業(yè)于西南交通大學自動化專業(yè)，工學學士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0111-03

中圖分類號：U231+.8

文獻標識碼：B

Metro Low-Voltage Distribution Based on Energy Conservation and Horizon of the Discussion

GUO Xangyu