地鐵車(chē)站跟隨變電所設(shè)置方案探討

1、地鐵車(chē)站跟隨變電所設(shè)置方案探討杜東平【摘要】文章介紹地鐵車(chē)站常用的3種低壓配電主接線方案和原理，從設(shè)計(jì)施 工、工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比。提出需根據(jù)負(fù)荷容量 和供電距離，經(jīng)綜合分析后合理化設(shè)置跟隨式變電所?！酒诳Q(chēng)】現(xiàn)代城市軌道交通【年（卷），期】2017（000）001【關(guān)鍵詞】地鐵；跟隨變電所；設(shè)置方案0引言地鐵用電類(lèi)型主要分兩類(lèi)：一類(lèi)是地鐵機(jī)車(chē)牽引用電，通過(guò)牽引供電計(jì)算一般2 3個(gè)站設(shè)置1個(gè)牽引變電所；一類(lèi)是車(chē)站及區(qū)間動(dòng)照設(shè)備用電，即每個(gè)車(chē)站 至少設(shè)1個(gè)降壓變電所，降壓為220/380V后為車(chē)站及相鄰區(qū)間的所有用電設(shè) 備供電。根據(jù)GB50157-2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中

2、15.2.11條車(chē)站降壓變電所應(yīng)設(shè)在 重負(fù)荷端，可分層布置；當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)可設(shè)置跟隨式變電所”。標(biāo)準(zhǔn)站（車(chē)站主體長(zhǎng)度200m左右）一般只在設(shè)備負(fù)荷大端設(shè)1個(gè)變電所，但超過(guò) 200m的非標(biāo)準(zhǔn)站是否需要增設(shè)跟隨所（跟隨變電所簡(jiǎn)稱(chēng)），部分低壓配電設(shè)計(jì) 在配合建筑布置時(shí)對(duì)變電所設(shè)置未經(jīng)過(guò)深入比較研究。有的僅依據(jù)車(chē)站長(zhǎng)度偏 長(zhǎng)就增設(shè)，有的在初設(shè)階段因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)不愿意增設(shè)就未設(shè)，等到施工圖階段 問(wèn)題逐漸暴露時(shí)才進(jìn)行對(duì)比，但此時(shí)方案已經(jīng)定型，再增設(shè)1個(gè)跟隨所相當(dāng)困 難，且造價(jià)會(huì)超過(guò)初步設(shè)計(jì)概算。 截止目前發(fā)改委已批復(fù)42個(gè)城市的軌道交通規(guī)劃，隨著地鐵建設(shè)的加快，合 理的設(shè)計(jì)工期逐漸被壓縮，因此低壓配電設(shè)計(jì)

3、人員對(duì)變電所設(shè)置合理與否的判 斷，將直接影響后期低壓配電方案的可靠性、工程投資、施工難度、運(yùn)營(yíng)維護(hù) 費(fèi)用。1車(chē)站配電方案設(shè)計(jì)地鐵車(chē)站一般中部為公共區(qū)，兩端為設(shè)備區(qū)，主要用電設(shè)備均集中于兩端的設(shè) 備房區(qū)域。因用電設(shè)備多，小容量負(fù)荷位置分散。為減少供電距離，降低線路 損耗及電纜投資，變電所應(yīng)設(shè)置于車(chē)站負(fù)荷中心。根據(jù)負(fù)荷分布特點(diǎn)，低壓配 電一般有3種主接線方案。為便于后文表述，以車(chē)站有效站臺(tái)中心線為界，定 義設(shè)備負(fù)荷容量較大的一端為A端，設(shè)備負(fù)荷容量相對(duì)較小的另一端為B端。（下述3個(gè)方案的接線圖重點(diǎn)表達(dá)B端，A端僅示意。）（1）方案1，降壓變電所直接配電。一般在設(shè)備負(fù)荷大端（A端）設(shè)置。車(chē)站 及相鄰

4、區(qū)間的所有用電設(shè)備均從變電所低壓柜放射式、樹(shù)干式饋出，穿越整個(gè) 公共區(qū)后到達(dá)B端各設(shè)備配電箱。主接線見(jiàn)圖1。（2）方案2,跟隨變電所配電。一般在A端設(shè)置降壓變電所，在B端設(shè)置1 個(gè)跟隨式變電所。跟隨所35kV中壓進(jìn)線引自A端變電所35kV開(kāi)關(guān)柜饋線。A端用電設(shè)備從A端變電所低壓柜配電，B端用電設(shè)備從B端跟隨所低壓柜配 電，沒(méi)有大截面電纜穿越公共區(qū)。主接線見(jiàn)圖2。（3）方案3,低壓配電室配電。這種為介于方案1和方案2中間的折中處理方 式。即在B端設(shè)置1個(gè)低壓配電室，一般與環(huán)控電控室合建。B端低壓配電室 進(jìn)線從A端低壓柜饋出，B端用電設(shè)備從B端低壓柜配電，從A端至B端會(huì) 有母線槽或大電纜穿越公共區(qū)

5、。主接線見(jiàn)圖3。2方案對(duì)比分析2.1方案分析方案1通過(guò)變電所低壓0.4kV配電至B端全部用電設(shè)備，0.4kV供電在負(fù)荷容 量及供電距離較小時(shí)方案簡(jiǎn)單，線路損耗及電壓損失可控。因低壓電纜饋出較 多，至B端環(huán)控電控室的電纜或母線槽截面較大，部分走道施工時(shí)布置綜合管 線會(huì)比較困難。方案2通過(guò)變電所35kV高壓饋電至B端跟隨所變壓器，35kV供電在負(fù)荷容 量及供電距離較大時(shí)供電可靠性好、線路損耗及電壓損失小，對(duì)于負(fù)荷容量 500kW，供電距離1 km內(nèi)其電壓損失僅為0.5% ；另外后期設(shè)備擴(kuò)展方便。方案2需要在B端布置1個(gè)跟隨所，面積一般都在100m2以上。受地下及地 面土建條件限制，有時(shí)只能放在站廳

6、或設(shè)備層，正常情況下變壓器等大型設(shè)備 通過(guò)軌道側(cè)的吊裝孔從站臺(tái)層吊裝至站廳層，但在工期緊，軌道運(yùn)輸無(wú)法滿(mǎn)足 工期要求時(shí)，還必須考慮設(shè)備通過(guò)風(fēng)亭、軌排井、盾構(gòu)井等孔洞從地面吊裝運(yùn) 輸至設(shè)備房。所以設(shè)計(jì)前期必須密切配合土建考慮好設(shè)備運(yùn)輸通道、預(yù)留孔及 電纜敷設(shè)路徑。方案1和方案2均符合設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，方案均可滿(mǎn)足車(chē)站各類(lèi) 負(fù)荷的用電需求，設(shè)備均有成熟技術(shù)產(chǎn)品易采購(gòu)。區(qū)別在于方案2對(duì)土建影響 較大，對(duì)應(yīng)的施工難度相對(duì)較大，特別是需要地面運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。方案3與方案1相比，供電可靠性較差。主要有以下3個(gè)方面原因。(1)配電級(jí)數(shù)增加。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50157-2013)15.5.2條，配電變壓器二次側(cè)

7、至用電設(shè)備之間的低壓配電級(jí)數(shù)不宜超過(guò)三級(jí)?！狈桨? 配電級(jí)數(shù)將增加一級(jí)，部分用電設(shè)備的配電級(jí)數(shù)將超過(guò)三級(jí)。因配電系統(tǒng)需要 整體上下級(jí)配合實(shí)現(xiàn)選擇性動(dòng)作，兩重單母線分段增加主開(kāi)關(guān)選擇性動(dòng)作整定 的級(jí)數(shù)，同時(shí)加大系統(tǒng)整體保護(hù)參數(shù)設(shè)置的復(fù)雜程度，增加運(yùn)營(yíng)調(diào)試難度，使 整個(gè)低壓配電方案的可靠性降低。例如筆者所參與的成都某環(huán)線建設(shè)過(guò)程中， 全線環(huán)控消防負(fù)荷統(tǒng)一要求采用單母線分段配電，如出現(xiàn)車(chē)站在B端再增加低 壓配電室的情況，三重單母線分段的配電系統(tǒng)會(huì)顯得異常復(fù)雜且不合理。（2）投資增加。與方案1比，至少需要增加2面進(jìn)線柜+1面母聯(lián)柜及相應(yīng)的 土建面積、變電所至低壓配電室的干線電纜等，投資會(huì)增加約56萬(wàn)。

8、因此干 線電流一般都超出常規(guī)電纜載流量范圍，只能采用密集母線連接。由于密集母 線屬于插接式安裝，受安裝工藝影響大，施工安裝費(fèi)用也有可能增加。在設(shè)備 區(qū)走道等管線密集區(qū)域排布比較困難且不能隨意轉(zhuǎn)彎。另外因?yàn)槭莿傂圆牧希?抗振動(dòng)能力差，存在較大安全隱患。（3）雖然A端變電所低壓柜饋線能減少約40%，解決部分走道區(qū)域綜合管線 布置困難的問(wèn)題，但其總饋線回路并沒(méi)減少，只是轉(zhuǎn)移到B端低壓配電室饋出。 因B端低壓配電室兼環(huán)控電控室一般位于站廳層環(huán)控機(jī)房附近，站臺(tái)層設(shè)備 （特別如公共區(qū)扶梯）電纜迂回長(zhǎng)度增加帶來(lái)的線路損耗及電壓損失加大，有 時(shí)不得不加大電纜截面。綜上一般情況下不建議采用方案3。下面主要對(duì)方案

9、1和方案2進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比，分析非標(biāo)準(zhǔn)站在哪些條件下需要設(shè) 置跟隨變電所。為了對(duì)比方便，確定一些基本原則及前提條件。（1）因地鐵車(chē)站B端設(shè)備負(fù)荷容量一般均大于250kVA，供電距離均超過(guò) 150m，故本次對(duì)比以此為依據(jù)，負(fù)荷容量按變壓器常用規(guī)格遞增，供電距離 按一定間距選取8個(gè)典型值。（2）兩路35kV電源同時(shí)負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷，負(fù)載率為65%左右；火災(zāi)模式或故 障情況下，單臺(tái)變壓器負(fù)擔(dān)一二級(jí)負(fù)荷。負(fù)載率為105%以下。電纜及變壓器 容量按單電源供電考慮，損耗電費(fèi)按雙電源供電時(shí)考慮。（3）A端變電所及B端跟隨所低壓側(cè)功率因數(shù)cos中均補(bǔ)償至0.92。（4）對(duì)于相同容量的車(chē)站負(fù)荷，均認(rèn)為方案1和方案2變壓

10、器的空載損耗和 負(fù)載損耗相當(dāng)。（5）設(shè)備價(jià)格參照2016年的設(shè)備招標(biāo)價(jià)；電價(jià)按工業(yè)電價(jià)0.72元/度，運(yùn)營(yíng) 20年計(jì)算。（6）為相對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，暫不考慮資金的時(shí)間價(jià)值。（7）對(duì)2個(gè)方案相同或相近的項(xiàng)目不作比較，僅對(duì)差異項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比。2.2工程投資對(duì)比投資對(duì)比的差異項(xiàng)目主要為土建費(fèi)用、配電變壓器、35kV開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān) 柜、高低壓電纜。電壓損失按5%控制。采用工程量清單計(jì)價(jià)模式，列出方 案1和方案2的設(shè)備材料表及綜合單價(jià)。根據(jù)式（1）（3）中，E投資為工程投資，萬(wàn)元；（公式中，下標(biāo)2為方案2相 關(guān)數(shù)據(jù)，下標(biāo)1為方案1相關(guān)數(shù)據(jù)，后文同理）En為分項(xiàng)設(shè)備材料工程費(fèi)，元; N為分項(xiàng)設(shè)備材料工程量，

11、臺(tái)/面/m ; P為分項(xiàng)設(shè)備材料綜合單價(jià)，元；E安裝 為分項(xiàng)設(shè)備材料安裝費(fèi)，元。其中安裝費(fèi)E安裝包含措施費(fèi)、其他項(xiàng)目費(fèi)、規(guī)費(fèi)、稅金等，措施費(fèi)參照工程 費(fèi)公式計(jì)算，其他項(xiàng)目費(fèi)含暫列金額、暫估計(jì)、計(jì)日工、總承包費(fèi)等。通過(guò)上 述公式先分別匯總方案1和方案2的分項(xiàng)設(shè)備材料工程費(fèi)得到總投資，再計(jì)算 其差值。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中數(shù)值為正表示方案1經(jīng)濟(jì)效益較好，數(shù)值為負(fù) 表示方案2經(jīng)濟(jì)效益較好。2.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用對(duì)比地鐵運(yùn)營(yíng)成本的三大部分包括電費(fèi)、設(shè)備運(yùn)維、工資，其中電費(fèi)又占日常運(yùn)營(yíng) 維護(hù)費(fèi)用的一半。本次對(duì)比的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用指損耗電費(fèi)，按20年估算。方案1電 費(fèi)主要為低壓電纜線路及變壓器損耗，方案2主要為高壓電纜

12、線路及變壓器損 耗。維護(hù)費(fèi)用主要包括備品備件、設(shè)備檢修及更換費(fèi)用，方案1為低壓開(kāi)關(guān)及 電纜等，方案2為35kV開(kāi)關(guān)及電纜等。式(4)(6 )中，E運(yùn)維為運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，萬(wàn)元；Y電價(jià)按工業(yè)電價(jià)0.72元 /度，運(yùn)營(yíng)20年計(jì)，元；AWL為供電線路的年有功電能損耗，kWh;A PL為 三相線路中有功功率損耗，kW;TL為最大負(fù)荷時(shí)的年損耗小時(shí)數(shù)，可按最大 負(fù)荷的年利用小時(shí)數(shù)Tmax及cos中從相關(guān)手冊(cè)上查詢(xún)；AWT為變壓器年有功 電能損耗，kWh ; P0為變壓器空載有功功率損耗，k W;APk為變壓器滿(mǎn) 載有功功率損耗，k W;Sc為變壓器計(jì)算負(fù)荷；Sr為變壓器額定容量，kVA ;TT為變壓器全年投

13、入運(yùn)行小時(shí)數(shù)，當(dāng)變壓器全年不間斷運(yùn)行時(shí)取 24x365=8760ho根據(jù)上述公式將方案1和方案2進(jìn)行計(jì)算后對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中數(shù)值為正表 示方案1經(jīng)濟(jì)效益較好，數(shù)值為負(fù)表示方案2經(jīng)濟(jì)效益較好。2.4綜合經(jīng)濟(jì)對(duì)比綜合考慮工程初投資及運(yùn)營(yíng)損耗費(fèi)用后，根據(jù)E綜合=E投資+E運(yùn)維，計(jì)算對(duì) 比結(jié)果見(jiàn)圖6。圖中數(shù)值為正表示方案1經(jīng)濟(jì)效益較好，數(shù)值為負(fù)表示方案2 經(jīng)濟(jì)效益較好。對(duì)比圖4和圖5,可知工程投資在綜合費(fèi)用中占比是最大的，運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用占 比較?。粏螐膱D5運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用來(lái)看，負(fù)荷容量、供電距離最小值時(shí)，高壓供 電比低壓配電節(jié)約費(fèi)用，隨著負(fù)荷容量、供電距離逐漸增加到最大值，節(jié)約費(fèi) 用最大也不到10萬(wàn)。說(shuō)明

14、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用與供電距離關(guān)系不大，即從150m至 400m這個(gè)供電距離區(qū)間，電纜線路損耗及變壓器損耗費(fèi)用差異不明顯。從綜 合費(fèi)用圖6歸納得出：當(dāng)供電距離超過(guò)200m，負(fù)荷容量超過(guò)400kVA時(shí)，增 設(shè)跟隨所的方案2即可減少綜合費(fèi)用。且隨著負(fù)荷容量、供電距離逐漸增加， 綜合費(fèi)用曲線下降趨勢(shì)明顯，投資、運(yùn)維費(fèi)用能減少百萬(wàn)級(jí)，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明 顯。3配電方案選擇通過(guò)第2節(jié)的分析對(duì)比可知：方案3因存在增加配電級(jí)數(shù)，增加初投資、母線 槽施工困難等劣勢(shì)。供電可靠性不如另夕卜兩種方案，一般情況下不建議采用方 案3。標(biāo)準(zhǔn)地鐵車(chē)站（車(chē)站主體長(zhǎng)度約200m ）低壓配電方案可選擇方案1, 非標(biāo)準(zhǔn)站（200m以上）根據(jù)負(fù)

15、荷容量和供電距離確定選擇方案2。為了能快 速確定非標(biāo)準(zhǔn)站是否需設(shè)置跟隨變電所，可參考表1。先根據(jù)建筑布置及各專(zhuān) 業(yè)用電提資統(tǒng)計(jì)出B端負(fù)荷容量和供電距離，再對(duì)照表中數(shù)據(jù)，若負(fù)荷容量和 供電距離交點(diǎn)表格寸 時(shí)，則B端應(yīng)設(shè)置跟隨式變電所。另外有2種需設(shè)置跟隨式變電所的情況。（1）帶配線段大物業(yè)開(kāi)發(fā)的車(chē)站（21500m2），因?yàn)榇笪飿I(yè)一般未與車(chē)站同 期開(kāi)通，物業(yè)形態(tài)、負(fù)荷類(lèi)型均不穩(wěn)定，不確定因素多；且運(yùn)營(yíng)不一定是地鐵 公司管理，考慮計(jì)量、配電安全及運(yùn)營(yíng)管理等因素，為大物業(yè)單獨(dú)預(yù)留1個(gè)跟 隨式變電所。（2 ）同期建成的換乘站，車(chē)站規(guī)模大，負(fù)荷容量約為一般站的1.6倍，可考慮 在換乘線設(shè)置跟隨式變電所。分

16、線路設(shè)置房間、設(shè)備獨(dú)立，運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)簡(jiǎn)單， 但供電距離會(huì)偏長(zhǎng)、電壓損失大；在有共用房間、設(shè)備的情況下，可考慮根據(jù) 車(chē)站建筑布置、負(fù)荷分布情況在重負(fù)荷端區(qū)域設(shè)置跟隨所，區(qū)域供電雖然各線 路間配電回路相互交叉，運(yùn)營(yíng)管理較復(fù)雜，但供電距離依據(jù)就近配電原則，電 壓損失和線路損耗較小，投資和工期控制較好。具體根據(jù)實(shí)際情況分析設(shè)計(jì)。4結(jié)論通過(guò)圖6的對(duì)比可知，工程投資、運(yùn)維費(fèi)用跟負(fù)荷容量和供電距離這2個(gè)因素 正相關(guān)，隨著供電距離超過(guò)200m，負(fù)荷容量超過(guò)500kVA，設(shè)置跟隨所的方 案2能顯著減少投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。從項(xiàng)目全壽命周期來(lái)看，3種低壓配電設(shè)計(jì) 方案均可行，方案1最簡(jiǎn)單，0.4kV供電在負(fù)荷容量及供電距離較小時(shí)經(jīng)濟(jì)效 益好；方案2對(duì)土建影響稍大，35kV供電在負(fù)荷容量及供電距離較大時(shí)經(jīng)濟(jì) 效益優(yōu)；方案3的供電可靠性相對(duì)較差。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)變電所設(shè)置方案時(shí)可通過(guò)表1快速進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，再確定 一個(gè)安