高勛

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在交通運(yùn)輸行業(yè)中，地鐵是十分重要的交通工具。多數(shù)城市的地鐵能夠滿足人們?nèi)粘３鲂械男枨螅糠殖鞘械牡罔F運(yùn)行時(shí)間高達(dá)18 個(gè)小時(shí)。在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的背景之下，地鐵系統(tǒng)往往需要耗費(fèi)較多的電力資源。然而，電力對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是非常重要且寶貴的資源，各個(gè)企業(yè)都必須切實(shí)推進(jìn)節(jié)能減排的任務(wù)。現(xiàn)在大多數(shù)地鐵采取低壓配電系統(tǒng)，并在配電系統(tǒng)中采取了多項(xiàng)節(jié)能措施，全面提升了地鐵工程的節(jié)能減排效果。

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)

1.1 地鐵低壓配電系統(tǒng)概述

地鐵低壓配電系統(tǒng)由低壓配電柜、低壓電纜輸電線路和配電箱組成[1]。低壓配電柜負(fù)責(zé)分配整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的線路，并調(diào)配相應(yīng)的電力到特定的區(qū)域。低壓電纜輸電線路負(fù)責(zé)傳輸電力，連接各個(gè)設(shè)備，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果按照功能可分為動(dòng)力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)為各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備提供電力支撐，照明系統(tǒng)負(fù)責(zé)地鐵內(nèi)部的照明設(shè)施。照明系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于地鐵的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，各司其職，使地鐵低壓配電系統(tǒng)可以良好運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

1.2 地鐵低壓配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

首先，地鐵低壓配電系統(tǒng)具備分布廣泛的特點(diǎn)?，F(xiàn)在的地鐵線路已經(jīng)覆蓋了城市內(nèi)部各個(gè)地方，因此整個(gè)配電系統(tǒng)的線路將延伸到各個(gè)區(qū)域，使低壓配電系統(tǒng)的分布范圍逐漸擴(kuò)大。其次，地鐵低壓配電系統(tǒng)具備設(shè)備類型多樣化、多元化的特點(diǎn)。很多先進(jìn)的設(shè)備都是為了實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)轉(zhuǎn)而專門用于協(xié)調(diào)地鐵低壓配電系統(tǒng)的，各項(xiàng)設(shè)備都在不斷地更新?lián)Q代。最后，低壓配電系統(tǒng)的整體用電負(fù)荷量比較大，所消耗的電力資源也比較多。如果沒有采取正確的低壓配電應(yīng)用方式，很可能出現(xiàn)資源浪費(fèi)、運(yùn)行效率降低等問題。地鐵低壓配電系統(tǒng)正朝著人性化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展。在設(shè)置運(yùn)行方案時(shí)，要綜合考慮節(jié)能的效果，盡可能提升地鐵系統(tǒng)的使用舒適度，減少不必要的能源消耗的同時(shí)，為用戶提供良好的體驗(yàn)[3]。

1.3 地鐵低壓配電系統(tǒng)的運(yùn)行模式

地鐵的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)分為動(dòng)力配電設(shè)備部分和照明配電設(shè)備部分。低壓配電系統(tǒng)的整體運(yùn)行模式與其承受的負(fù)載定級(jí)密切相關(guān)，可以根據(jù)管理區(qū)域的承載負(fù)荷量對(duì)其重要特性進(jìn)行分析與歸納。地鐵低壓配電系統(tǒng)用電負(fù)荷可分為三級(jí)：一級(jí)負(fù)荷設(shè)備包括應(yīng)急照明系統(tǒng)、消防水泵等消防滅火設(shè)備、參與消防疏散的自動(dòng)扶梯重要信號(hào)通信系統(tǒng)設(shè)備、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備公共區(qū)照明等；二級(jí)負(fù)荷設(shè)備包括乘客信息系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)設(shè)備、不參與消防疏散的自動(dòng)扶梯設(shè)備等；三級(jí)負(fù)荷設(shè)備包括檢修設(shè)備、廣告照明設(shè)備、清潔設(shè)備等。未來低壓配電系統(tǒng)將朝著小型化、多功能化的方向繼續(xù)發(fā)展，在其運(yùn)行的過程中，要確保母線和電源分線分離。不同的電源和線路需要各自承擔(dān)其所承受的電源和電壓負(fù)載，確保其處于安全的模式。

2 地鐵低壓配電中的節(jié)能措施應(yīng)用

2.1 照明系統(tǒng)節(jié)能

在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，照明系統(tǒng)是消耗電能較多的部分。地鐵車站多為地下建筑，除了個(gè)別的出口處可以接收并使用到外界的光線外，大多數(shù)的地鐵車站都是屬于地下工程，是封閉的，是無自然光源能夠利用的。地鐵工程中的整體照明系統(tǒng)比較龐大，根據(jù)現(xiàn)有市場(chǎng)上常見的燈具類型，地鐵車站的大部分照明設(shè)備采用LED 燈。采取這種光源設(shè)備的主要原因是：LED 燈無鋼絲、無玻璃燈泡，所以耐用性更高，不易損壞，壽命更長(zhǎng)；其適配性較強(qiáng)，適合多種場(chǎng)合；相對(duì)于傳統(tǒng)的粗管徑光管而言，LED 燈工作電壓低，功耗較低，所以具備較好的節(jié)能效果，在達(dá)到相同的照明水平的情況下，其所消耗的電能更少，降低了能耗的同時(shí)，也增加了光源的輸出效率，進(jìn)而延長(zhǎng)了整個(gè)電源設(shè)備的使用壽命。由此，短期來看可以節(jié)約電能，長(zhǎng)期以后可以減少燈具的更換頻率。除了正常工作照明以外，照明系統(tǒng)還包括廣告照明、導(dǎo)向照明等。另外，公共區(qū)節(jié)電照明系統(tǒng)結(jié)合傳感技術(shù)，使整體的光照系統(tǒng)更加的人性化、科學(xué)化[4]。

地鐵車站類型有三類，分別為一類車站，客流較少；二類車站，總體客流中等，呈現(xiàn)明顯的峰谷分布；三類車站，總客流較多，各時(shí)段客流均勻。例如，南京地鐵3 號(hào)線采用智能調(diào)光系統(tǒng)，在客流較少和客流呈現(xiàn)明顯峰谷分布的車站安裝人體感應(yīng)控制類型的智能照明。在高峰時(shí)段，燈具全部點(diǎn)亮。在運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備時(shí)段采用降低亮度點(diǎn)亮車站公共區(qū)，在非高峰時(shí)段，智能調(diào)光系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)乘客所在位置，并預(yù)判其將前往的區(qū)域，僅將該區(qū)域的燈具點(diǎn)亮，其余部位保持不高于高峰時(shí)段75%的照度，在乘客離開后，延時(shí)調(diào)低亮度，由此來達(dá)到節(jié)能的作用。

具體車站分類和不同時(shí)間段的照明能耗占比[5]見表1。

表1 不同類型車站在不同時(shí)段的照明能耗占比

2.2 設(shè)置變頻節(jié)能模式

變頻技術(shù)是許多行業(yè)都會(huì)采用的一項(xiàng)節(jié)能措施。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中合理地使用變頻節(jié)能技術(shù)，能夠更有效地提升節(jié)能的效率。變頻技術(shù)可以控制電機(jī)的執(zhí)行速度，有效避免電能損耗過多。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，對(duì)組合式空調(diào)器等大型非消防用電設(shè)備設(shè)置變頻節(jié)能模式，采取更加柔性的啟動(dòng)與關(guān)閉控制方式，減少電機(jī)在開關(guān)過程中的瞬時(shí)能耗。在地鐵項(xiàng)目中，應(yīng)用電動(dòng)機(jī)的設(shè)施非常多，除了地鐵車輛外，地鐵站經(jīng)常會(huì)設(shè)置自動(dòng)扶梯為人們提供更加便利的出行服務(wù)。自動(dòng)扶梯的能源消耗非常大，如果長(zhǎng)時(shí)間保持自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，則導(dǎo)致電能被浪費(fèi)，沒有發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。地鐵站處于出行低峰期時(shí)，很少需要使用自動(dòng)扶梯。所以為了有效提升電能的使用效率，可以為自動(dòng)扶梯等自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)備配備變頻調(diào)速系統(tǒng)以及相應(yīng)的感應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到需要消耗電能的需求時(shí)，再執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。變頻啟動(dòng)技術(shù)能夠在很大程度上降低能源損耗，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，至少可以降低20%以上的損耗[6]。

2.3 優(yōu)化配電方式

配電電纜也是有內(nèi)阻的，電能在傳輸過程中，會(huì)在電纜電線上發(fā)熱，從而損耗掉，為了減少這種傳輸過程中無謂的損耗，要采用有效措施：一是減少配電級(jí)數(shù)，優(yōu)先保障配電系統(tǒng)的安全與可靠；二是減少輸電距離，將變電所布置在地鐵配電負(fù)荷中心的位置，將照明配電間布置在對(duì)應(yīng)站廳站臺(tái)大小頭端的配電負(fù)荷中心，將環(huán)控電控室布置在距離環(huán)控機(jī)房、活塞風(fēng)道、新風(fēng)道、排熱風(fēng)道較近的位置，這樣能夠有效縮短低壓配電的供電半徑，減少電纜的長(zhǎng)度；三是合理規(guī)劃配電箱的位置，避免在位置上反向送電，例如先把電能送到車站的遠(yuǎn)端，再往近端配電的情況發(fā)生；四是選擇導(dǎo)電率較低的材料，例如銅芯電纜，電纜在敷設(shè)時(shí)，盡可能放直敷設(shè)，減少電纜在電纜橋架內(nèi)轉(zhuǎn)彎的數(shù)量。

2.4 設(shè)置有源濾波器

低壓配電系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中往往需要承擔(dān)較大的電源電壓負(fù)載，屬于較為龐大的電力系統(tǒng)。從電力電波角度方向分析，電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過程當(dāng)中通常會(huì)接收各種諧波，帶來較大的危害，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)施增加許多電荷負(fù)載量，損耗了過多能源，降低了整體系統(tǒng)運(yùn)行的效率與性能，可能還會(huì)造成低壓配電系統(tǒng)設(shè)備的浪費(fèi)。許多線路也處于被動(dòng)負(fù)載的過程中，造成了線路浪費(fèi)。系統(tǒng)的諧波還會(huì)引起一些無功補(bǔ)償和電流放大的問題，造成部分電容器出現(xiàn)電流過載或電壓過載的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致直接損壞或無法正常使用。除此之外，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波也會(huì)造成渦流等不良效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器等設(shè)備損耗過大，產(chǎn)生過多的熱量，不僅浪費(fèi)了更多的電能，也會(huì)加速設(shè)備的老化。設(shè)置有源濾波器可以解決這種問題，采取動(dòng)態(tài)抑制諧波的方式，對(duì)頻率與大小都變化的諧波進(jìn)行無功補(bǔ)償。尤其是在早晚高峰整體電力系統(tǒng)負(fù)荷較大的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)變化較大，有源濾波器就可以有效調(diào)節(jié)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，確保電波的穩(wěn)定，有效地抑制諧波帶來的各項(xiàng)危害。

2.5 優(yōu)化地鐵空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是整個(gè)地鐵工程中使用電能較大的系統(tǒng)，通常來說，為了給用戶提供更好的出行體驗(yàn)，多數(shù)地鐵站在運(yùn)營(yíng)期間空調(diào)是全程啟動(dòng)的，而地鐵站站廳層面積約為2500m2，空調(diào)需要覆蓋的范圍也比較大，需要長(zhǎng)時(shí)間消耗大量的電能維持空調(diào)系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，所以優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)也是節(jié)能工作的一個(gè)重點(diǎn)部分。為了進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)，可以結(jié)合地鐵站所處區(qū)域的實(shí)際情況以及氣候溫度、季節(jié)，綜合制定空調(diào)開放措施。在氣溫適宜的地區(qū)，可適當(dāng)減少空調(diào)開放的頻率。而在南方地區(qū)夏季時(shí)，空氣中的溫度及濕度都比較高，一般采用冷水機(jī)組合制冷的方式為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)提供更加強(qiáng)勁的冷風(fēng)，充分利用每一度電，達(dá)到減少使用電能的目的。在一些整體氣溫偏低的地區(qū)，天氣涼爽的時(shí)候，盡可能減少使用空調(diào)，采取隧道通風(fēng)的方式來加速地鐵站內(nèi)部空氣交換，進(jìn)而達(dá)到保證地鐵內(nèi)部環(huán)境舒適的目的[7]。

2.6 結(jié)合新興技術(shù)不斷改良配電系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都在采取各項(xiàng)新興技術(shù)來提升服務(wù)質(zhì)量。在地鐵工程建設(shè)的過程中，有效結(jié)合當(dāng)下的新興技術(shù)，不斷改良整個(gè)低壓配電系統(tǒng)。例如，采取相應(yīng)的智能化調(diào)配線路的設(shè)備減少外接線路的使用頻率，降低線路所消耗的電能；采取智能化風(fēng)機(jī)設(shè)備，安裝更加節(jié)能的通風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，為地鐵站內(nèi)部提供良好的通風(fēng)環(huán)境。很多地鐵工程項(xiàng)目采用了雙速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整風(fēng)機(jī)送風(fēng)的速度、壓力和流量，不僅可以實(shí)現(xiàn)地鐵站的正常通風(fēng)，還可以實(shí)現(xiàn)防排煙功能。在各項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用上不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步提升節(jié)能的效果，及時(shí)將廢舊的線路和設(shè)備替換成新型的節(jié)能設(shè)備，不斷改良整體配電系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。采用電阻、電抗更小，鐵損、銅損更小的新型電力設(shè)備提高整體電路的電能應(yīng)用效率。除此之外，還可以采用無功補(bǔ)償功能的裝置，提高就地?zé)o功功率補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，減少無功功率在輸電線路上的傳輸，從而降低低壓配電線路的損耗。

2.7 采用智能計(jì)量管理系統(tǒng)，加強(qiáng)管理

雖然很多地鐵項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)都在不斷優(yōu)化各個(gè)用電設(shè)備以及優(yōu)化用電方案，但是只能從降低用電功率和減少用電時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)方面來分析各個(gè)主要系統(tǒng)的具體用電量數(shù)據(jù)，不利于整體節(jié)能措施的推進(jìn)。因此，應(yīng)采取智能計(jì)量管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)地鐵車站內(nèi)部的各項(xiàng)配電設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析處理，并且精準(zhǔn)獲取其耗電的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在電量分析方面可以總結(jié)有功電量和無功電量，并且詳細(xì)分析設(shè)備功率，求出最大值、最小值和平均值。為各個(gè)耗電量較大的設(shè)備單獨(dú)設(shè)置多功能的儀表來計(jì)量其數(shù)據(jù)，并且將各項(xiàng)數(shù)據(jù)分類匯總到自動(dòng)化、智能化的分析系統(tǒng)中。通過系統(tǒng)的精準(zhǔn)測(cè)算算法檢測(cè)其用量的趨勢(shì)是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。工作人員要根據(jù)系統(tǒng)所反饋的結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整地鐵站節(jié)能減排的工作安排。采用智能計(jì)量管理系統(tǒng)之后，充分利用數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用在后續(xù)的管理工作中，督促地鐵車站的管理運(yùn)營(yíng)人員時(shí)刻以精準(zhǔn)數(shù)據(jù)為重要依據(jù)，采取各項(xiàng)管理措施。不僅要從宏觀的角度嚴(yán)格控制地鐵站的整體用電情況，也要具體細(xì)分到各個(gè)系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人，確保各項(xiàng)應(yīng)用落實(shí)節(jié)能減排的任務(wù)。建立良好的監(jiān)督復(fù)查機(jī)制以及節(jié)能獎(jiǎng)懲制度，有效提升工作人員落實(shí)節(jié)能減排措施的積極性。上級(jí)部門應(yīng)對(duì)各個(gè)區(qū)域的節(jié)能減排落實(shí)效果進(jìn)行考核，監(jiān)督電能的合理使用情況[8]。

3 結(jié)語

綜上所述，電力對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是非常重要且寶貴的資源，地鐵系統(tǒng)往往需要耗費(fèi)較多的電力資源，所以必須落實(shí)各項(xiàng)節(jié)能措施。照明系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于地鐵的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)其開展節(jié)能措施。應(yīng)用地鐵低壓配電中的節(jié)能措施，通過更加智能化的照明節(jié)能操控方式使整體的光照系統(tǒng)更加科學(xué)化、低耗化；合理使用變頻節(jié)能技術(shù)，有效提升節(jié)能的效率；設(shè)置有源濾波器有效抑制諧波帶來的各項(xiàng)危害；結(jié)合地鐵站的實(shí)際情況，綜合制定空調(diào)開放措施。結(jié)合新興技術(shù)不斷改良配電系統(tǒng)，采取電阻小、綜合性能強(qiáng)的新型設(shè)備——智能計(jì)量管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)地鐵車站內(nèi)部的各項(xiàng)配電設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析處理。