地铁供电估算

机电工程

地铁供电估算

黄德胜

(北京城建设计研究总院北京100037)

摘要提出评价地铁供电系统除了从安全性、可靠性、经济性评价之外,还应当有具体的量化指标:主变电所单位安装容量、牵引变电所平均间距、牵引变电所单位安装容量、降压变电所单位安装容量,并提出一些具体的量化数值。阐述国家标准对地铁供电一级负荷电源要求的确切含义、主变电所故障后供电分区的重新调度划分,提出地铁供电系统应急电源应包括的负荷种类及对供电系统容量估算的方法。

关键词通用设计条件车流密度列车编组单位安装容量单位安装指标应急电源

1地铁供电系统概述

目前国内已有多个城市修建地铁,除少数地铁供电系统采用分散式供电外,大多采用集中式供电,修建地铁专用主变电所。在建设之前,就要对地铁的用电规模有个规划,如修建主变电所的数量、每座主变电所的供电范围、主变电所的容量、资源共享的容量,牵引变电所的数量、容量,降压变电所的数量、容量及年用电量等。

地铁供电估算包括3部分:牵引用电、动力照明用电、主变电所用电(前两项的综合),这三种用电都有各自的计算方法,这里不作介绍。本文主要是根据经验介绍对于一条线路供电系统用电的估算方法,用以衡量、判别供电系统计算容量的大小,供非专业人士、评估专家参考。

容量估算单位对地铁而言,以每公里为估算单位比较合适。因为修建地铁是解决交通问题,并以线路长度为标志,而供电系统就是沿着地铁线路长度分布的,就像供电局以每平方公里为单位估算地区的用电容量、地面建筑以每平方米为估算单位一样。

目前,国内地铁供电系统的变压器安装容量大、负

收稿日期:2007-05-22修回日期:2007-09-04

作者简介:黄德胜,男,高级工程师,1965年至今一直从事地铁供电设计与研究,hua ng d s@b ue d r.i com 载率低已是不争的事实,从节约能源的角度,选择合适的变压器,不仅能降低一次性投资,还会降低运营费用,这对地铁降低能源消耗是非常有利的。

评价一个供电系统,除了从安全性、可靠性、经济性评价之外,还应当有具体的量化指标,如主变电所单位安装容量、牵引变电所平均间距、牵引变电所单位安装容量、降压变电所单位安装容量。

2地铁供电容量估算的前提

估算地铁用电,就以目前城市轨道交通的通用设计条件为准。国内各个城市的轨道交通有地面线路、高架线路和地下线路,电压制式有直流1500V、直流750V,接触网形式有架空接触网(柔性或刚性)和接触轨形式(低碳钢轨或钢铝复合轨),采用车辆有A型车或B型车。

2.1通用设计条件

1)采用集中式供电,建有地铁专用的主变电所;

2)地下线路,车站设空调,车流密度为30对/h;

3)B型车,车辆编组为6节,车内设空调。

对于牵引负荷而言,在上述各种条件中,对容量估算有影响的因素只有2个:一是车型(A型、B型),二是车流密度,与线路的类型(地下、地面)、牵引网形式(架空网、接触轨)、材质及电压制(直流1500V、750V)均无关;对于动力照明负荷而言,只与线路(地下线、地面线)和车站建筑规模有关。而主变电所容量估算直接与牵引负荷、动力照明负荷有关。

2.2变压器负载率

1)牵引变压器

¹正常工况下,两套整流机组并列运行同时供电,负载率G U95%。

º一套机组故障解列,在牵引负荷小于单台机组的150%I

n

的工况下,可以继续运行。

»系统中任何一座牵引变电所故障解列时,实行大双边供电,相邻牵引变电所的过负荷小于两台机组都市快轨交通#第20卷第6期2007年12月

的150%I

n

。

¼/系统中任何一座牵引变电所故障解列0的确切含义为:/当系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时,靠其相邻牵引变电所的过负荷能力,应仍能保证列车的正常运行,不影响运送旅客的能力。0即在牵引供电系统中,可以允许几座牵引变电所退出运行而不影响最大客流的运输能力,它们的条件是/故障或退出运行的变电所必须是相隔两座牵引变电所0。

牵引变压器负载率G=95%,是因为在设计牵引变电所容量时,都以高峰小时为设计依据(如以30对/h 为设计依据),这就决定了牵引变电所在高峰小时以外的时间必定为轻载。因此,在按高峰小时选择牵引变压器的容量时,其负载率一定不能太低,应在90%~ 100%,这样既节省了运营成本,又满足了高峰小时的要求。

2)配电变压器

¹在正常工况下,两台变压器分列运行同时供电,负载率G U70%;

º一台变压器故障解列时,另一台变压器应能承担变电所的全部一、二级负荷,负载率G[100%;

»两台变压器故障解列时,利用蓄电池作为应急电源。

3)主变压器

¹在正常工况下,两台变压器分列运行同时供电,负载率G U70%;

º一台变压器故障解列时,另一台变压器应能承担重新调度划分的供电区内的一、二级负荷,负载率

G[100%I

n

;

»两台变压器解列时,由另一座主变电所引入应急电源,并应能保证地铁继续运行的一定的运输能力和必需的动力照明负荷。

3主变电所容量估算

3.1主变电所的电源等级

地铁主变电所属一级负荷,双路110k V高压电源供电,应按照国家标准对一级负荷的要求进行建设。

国标GB50052)95[1]中一级负荷的供电电源应符合规定:¹一级负荷应由两个电源供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏;º一级负荷中特别重要的负荷,除由两个电源供电外,尚应增设应急电源,并严禁将其他负荷接入应急系统。

国标GB50157)2003[2]中规定:/一级负荷应由双电源双回线路供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷除由双电源供电外,尚应增设应急电源。0

3.2正确理解和适用国标对电源的要求

GB50052)95与GB50157)2003两个国标中都规定一级负荷/当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏0和/增设应急电源0。同时GB 50052)95还规定/严禁将其他负荷接入应急系统。0对于国标中对电源的要求,应考虑以下两个因素:¹全线设2座以上主变电所时,地铁有4路以上供电电源;º一台变压器或一座主变电所解列时,其供电区是可以重新调度和划分的。

根据国家标准对一级负荷的规定,地铁主变电所的容量设计时,应符合两个条件:¹当一台主变压器故障时,另一台主变压器/应承担调整后供电范围内全部牵引负荷和动力照明一、二级负荷0;º当主变电所解列时,应从相邻主变电所引入应急电源。

3.3主变电所的供电范围

地铁供电系统主变电所(110kV/35kV)的供电半径一般在10k m左右,主变压器负载率约为70%,但应满足一台主变压器故障时,另一台主变压器应承担重新调度划分供电区内全部牵引负荷和动力照明一、二级负荷的要求;而当一座主变电所故障解列时,从相邻主变电所引入应急电源。

关于地铁哪些负荷属于应急系统的供电范围,国标中没有明确规定,但把主变电所的供电范围(容量)笼统界定为:/当一座主变电所故障解列时,另一座主变电所承担故障变电所承担的全部牵引负荷和动力照明一、二级负荷。0很显然,这个要求太高了,也不符合国家标准的规定。在地铁供电系统中,三级负荷只是车站的空调机组,在地铁全部负荷中约占10%,而且只是在夏季才出现。按照上述要求,无异于一条地铁线路设2座主变电所,当一座主变电所故障解列时,另一座主变电所承担全部负荷,地铁照样可以正常运行。要达到这一要求,没有别的办法,只有增加主变电所的数量、增大主变压器的容量、增大中压电缆的截面。这样做的直接后果是变压器长期低效率运行,负载率太低,小于30%,不仅一次投资增加,而且使运营单位增加运营成本,不符合国家关于建设节能型城市的要求。

3.4地铁应急电源系统的确定

这里只讨论设2座以上供电系统主变电所的应急电源系统。地铁的基本功能是安全快捷地运送旅客,在保证地铁这一基本功能的前提下,确定纳入应急电地铁供电估算

源系统的负荷。

1)保证一定运输能力的牵引负荷:这一负荷应是

高峰小时30对及以下的运运输能力。

2)保证地铁正常运行必需的动力照明负荷:通

信、信号、自动售检票机、屏蔽门、工作照明、变电所自

用电、自动扶梯。

3.5主变电所容量估算应考虑的因素

1)2台变压器运行,同时供电,在夏季高峰

小时的负载率为70%。

2)当1台或2台变压器故障退出运行时,供电分

区的重新调整和划分、负荷再分配。

当一条线路设2座主变电所时,当一台变压器退

出运行时(N-1),通过系统重新调整和负荷再分配,

使其他(3台)变压器的负载率不超过95%,完全可以

保证不影响正常高峰小时的运输能力。而当一座主变

电所退出运行时(N-2),从相邻主变电所引入应急电

源,以维持地铁继续运营。

当一条线路设3座主变电所时,当一座主变电所

故障退出运行时,通过系统重新调整和负荷再分配,

使其他(4台)变压器的负载率不超过100%,可以保证

全线在高峰小时的一、二级负荷供电。

4评价地铁供电系统的量化指标

4.1牵引变电所平均间距

它是衡量一条线路设置牵引变电所数量多少的一

个指标,无疑牵引变电所设置越多,平均间距就越小,

其建设成本和运营成本就越高,表达为

l n =

L

n-1

(1)

式中:l

n

)))牵引变电所平均间距,k m;

L)))正线线路总长度,k m;

n)))正线牵引变电所数量座。

显然,对于不同的电压制(直流1500V、750V)、牵引网不同的形式和材质(柔性接触网、刚性接触网;低碳钢接触轨、钢铝复合轨),牵引变电所的平均间距是不同的。在电压质量相同的情况下,计算结果应当是:采用刚性接触网比采用柔性接触网时牵引变电所的平均间距大,采用钢铝复合轨比采用低碳钢接触轨时牵引变电所的平均间距大,否则显示不出前者的优越性。那种认为牵引变电所平均间距小可降低牵引网能耗的观点是不可取的,因为对于建设成本来讲,毕竟是微乎其微,况且牵引变电所本身也有能量消耗。4.2牵引变压器单位安装容量

它表示正线每公里安装牵引变压器的容量可以用来衡量一条线路牵引变电所安装容量的大小,表达为

S

q

=

E S n

L

(2)

式中:S

q

)))正线每千米安装牵引变压器的容量,

k VA/k m;

E S n)))正线牵引变电所安装总容量,kVA;

L)))正线线路长度,k m。

显然,牵引变电所单位安装容量因采用车辆型式、列车编组不同而不同,A型车要比B型车的单位安装容量大。但是,从能量消耗的观点出发,单位安装指标是相同的。无论是采用运行图法还是采用平均运量法进行计算,所得结果相同。

所谓单位安装指标,是指1列车单位重量(1t)运行1k m线路的安装容量,即每吨公里的安装容量。从能量消耗的观点出发,这一指标和牵引网电压制(1500V、750V)没有关系,和牵引网形式(架空接触网、接触轨)及牵引网的材质没有关系,和列车重量也没有关系,这一指标应当是波动范围较小且较为稳定的一个数值,因为从能量守恒的观点看,运送每吨公里所消耗的能量是基本相同的,可表达为

S

d

=

E n

1

S

n

LT

=

S r

LT

(3)

式中:S

d

)))单位安装指标,kVA/tk m;

S E)))牵引变压器安装总容量,kVA;

T)))一列车(定员)的重量,t;

L)))正线线路长度,k m。

对于目前地铁通用设计条件,车内设空调,高峰小时车流密度为30对/h,牵引变电所单位安装指标为

S

d

=6.5~7kVA/tkm,牵引变电所单位安装容量为S

q =6.5~7(k VA/tk m)@286t U1850~2000(kVA/tkm),即当采用B型车、有空调、6节编组、30对/h,牵引变电

所时单位安装容量为S

q

=1850~2000k VA/km。

4.3降压变电所单位安装容量

S

p

=

E S pn

L

(4)

式中:S

p

)))正线每千米安装配电变压器的容量,

k VA/k m;都市快轨交通#第20卷第6期2007年12月

E S p n)))正线降压变电所安装总容量,kVA;

L)))正线线路长度,km;

S

p

<2000k VA/k m。

各个城市地铁动力照明负荷的计算结果,差异较

大,可能是各设计单位所采用的同时系数和需要系数有较大的差异,致使有的地铁线路配电变压器选的容量过大,变压器负载率太低。牵引负荷的年用电量和动力照明负荷的年用电量基本相当,牵引变压器的容量是按早高峰小时负荷选择的,而配电变压器是按全天动力照明最大计算负荷选择的,所以后者的单位安装容量不应大于前者。

4.4主变电所单位安装容量

主变压器的单位安装容量主要取决于牵引负荷和动力照明负荷,当一座主变电所为多座牵引变电所和降压变电所供电时,牵引负荷同时系数为0.85,动力照明负荷同时系数为0.85~0.9,牵引负荷与动力照明负荷同时系数为0.8~0.85,则主变电所单位安装容量为

S

z

=(2000+2000)@0.7U3000kVA/km。

5年用电量估算

地铁用电负荷的特点是设备安装容量大、负载率低,最大负荷发生在早高峰小时,与城市其他用户的用电高峰不重叠,故而不会对城市电网造成大的冲击。一条线路每千米的年用电量按下式估算:

A=$AGMT(5)式中:$A)))列车年平均单位能耗,k W h/tk m;

G)))1列车总重,t;

M)))从始发站1d发车总数(往返),列;

T)))时间,年(1年=365d)。

采用B型车、6辆编组,有空调、高峰小时为30对/h,则每千米的年用电量,代入式(5),有$A= 0.06k Wh/tkm,列车年平均单位能耗;

G=285t,一列车定员总重;

M=486列,一天发车总数,则每千米年用电量为

A=0.06@285@486@365U300万k W h/k m,

如为A型车,则年用电量为

A=0.06@336@486@365U350万k W h/k m。

6结论

地铁供电系统容量,在通用设计条件下,当采用B型车、6节车编组时,可按下列单位安装容量进行估算:

1)主变电所(变压器)单位安装容量为3000kVA/km;

2)牵引变电所(变压器)单位单位安装容量1850~2000kVA/km;

3)降压变电所(变压器)单位单位安装容量<2000kVA/km;

4)年用电量为450万k Wh/k m;

5)若采用A型车,则上述数值增大15%~20%。

6)主变压器退出运行时,应充分考虑供电分区的重新调度和负荷再分配。

参考文献

[1]GB50052)95供配电系统设计规范[S].北京:中国计划

出版社,1995:3-4.

[2]GB50157)2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版

社,2003:99-100.

Power Suppl y Estim ati on for Sub w ay

Huang Desheng

(Beiji ng U r ba n Engineeri ng D esi gn and R esearc h I nst itute Co.,L td.,Beiji ng100037)

Abs tr ac:t The eval uati on of the po w er supp l y syste m of m etro sub w ay should,i n addition t o safet y,reliab ilit y and eco no m ic effici ency,i nclude quantitati ve ind ices such as un it i nstall ed capacity of m ai n substation,aver age i nter val bet w ee n r ectifier substations,un it installed ca pacit y of rect ifi er substati on,un it i nstalle d ca pacity of lighti ng a nd po w er substation as w ell as so m e detail ed quantitati ve i nd ices.The paper further defi nes t he exact specificatio ns for a Grade O A electric load of am etr o sub w ay po w er supp ly syste m and po w er supp ly re d istri buti on w hen the m ai n substatio n breaks do w n,consiste n t w ith the nati onal standar ds.It presents the types of e m er ge ncy po w er sources necessary f or the po w er supp l y syste m of m etr o subw ay a nd them ethod of estm i ati ng t he ca pacit y of po w er supply syste m.

Key w ords:conve n ti onal des i gn conditions;tr affi c density;trai n co m positi on;un it i nstalled capacit y;un it i nstall ed i nd i ces;

e m ergency po w er sources