地鐵車站跟隨變電所設置方案探討

1、地鐵車站跟隨變電所設置方案探討杜東平【摘要】文章介紹地鐵車站常用的3種低壓配電主接線方案和原理，從設計施 工、工程投資、運營維護費用等方面進行技術經濟對比。提出需根據負荷容量 和供電距離，經綜合分析后合理化設置跟隨式變電所?！酒诳Q】現代城市軌道交通【年（卷），期】2017（000）001【關鍵詞】地鐵；跟隨變電所；設置方案0引言地鐵用電類型主要分兩類：一類是地鐵機車牽引用電，通過牽引供電計算一般2 3個站設置1個牽引變電所；一類是車站及區(qū)間動照設備用電，即每個車站 至少設1個降壓變電所，降壓為220/380V后為車站及相鄰區(qū)間的所有用電設 備供電。根據GB50157-2013地鐵設計規(guī)范中

2、15.2.11條車站降壓變電所應設在 重負荷端，可分層布置；當技術經濟合理時可設置跟隨式變電所”。標準站（車站主體長度200m左右）一般只在設備負荷大端設1個變電所，但超過 200m的非標準站是否需要增設跟隨所（跟隨變電所簡稱），部分低壓配電設計 在配合建筑布置時對變電所設置未經過深入比較研究。有的僅依據車站長度偏 長就增設，有的在初設階段因為供電系統(tǒng)不愿意增設就未設，等到施工圖階段 問題逐漸暴露時才進行對比，但此時方案已經定型，再增設1個跟隨所相當困 難，且造價會超過初步設計概算。 截止目前發(fā)改委已批復42個城市的軌道交通規(guī)劃，隨著地鐵建設的加快，合 理的設計工期逐漸被壓縮，因此低壓配電設計

3、人員對變電所設置合理與否的判 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、運營維護 費用。1車站配電方案設計地鐵車站一般中部為公共區(qū)，兩端為設備區(qū)，主要用電設備均集中于兩端的設 備房區(qū)域。因用電設備多，小容量負荷位置分散。為減少供電距離，降低線路 損耗及電纜投資，變電所應設置于車站負荷中心。根據負荷分布特點，低壓配 電一般有3種主接線方案。為便于后文表述，以車站有效站臺中心線為界，定 義設備負荷容量較大的一端為A端，設備負荷容量相對較小的另一端為B端。（下述3個方案的接線圖重點表達B端，A端僅示意。）（1）方案1，降壓變電所直接配電。一般在設備負荷大端（A端）設置。車站 及相鄰

4、區(qū)間的所有用電設備均從變電所低壓柜放射式、樹干式饋出，穿越整個 公共區(qū)后到達B端各設備配電箱。主接線見圖1。（2）方案2,跟隨變電所配電。一般在A端設置降壓變電所，在B端設置1 個跟隨式變電所。跟隨所35kV中壓進線引自A端變電所35kV開關柜饋線。A端用電設備從A端變電所低壓柜配電，B端用電設備從B端跟隨所低壓柜配 電，沒有大截面電纜穿越公共區(qū)。主接線見圖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端設置1個低壓配電室，一般與環(huán)控電控室合建。B端低壓配電室 進線從A端低壓柜饋出，B端用電設備從B端低壓柜配電，從A端至B端會 有母線槽或大電纜穿越公共區(qū)

5、。主接線見圖3。2方案對比分析2.1方案分析方案1通過變電所低壓0.4kV配電至B端全部用電設備，0.4kV供電在負荷容 量及供電距離較小時方案簡單，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，部分走道施工時布置綜合管 線會比較困難。方案2通過變電所35kV高壓饋電至B端跟隨所變壓器，35kV供電在負荷容 量及供電距離較大時供電可靠性好、線路損耗及電壓損失小，對于負荷容量 500kW，供電距離1 km內其電壓損失僅為0.5% ；另外后期設備擴展方便。方案2需要在B端布置1個跟隨所，面積一般都在100m2以上。受地下及地 面土建條件限制，有時只能放在站廳

6、或設備層，正常情況下變壓器等大型設備 通過軌道側的吊裝孔從站臺層吊裝至站廳層，但在工期緊，軌道運輸無法滿足 工期要求時，還必須考慮設備通過風亭、軌排井、盾構井等孔洞從地面吊裝運 輸至設備房。所以設計前期必須密切配合土建考慮好設備運輸通道、預留孔及 電纜敷設路徑。方案1和方案2均符合設計規(guī)范標準，方案均可滿足車站各類 負荷的用電需求，設備均有成熟技術產品易采購。區(qū)別在于方案2對土建影響 較大，對應的施工難度相對較大，特別是需要地面運輸的設備。方案3與方案1相比，供電可靠性較差。主要有以下3個方面原因。(1)配電級數增加。根據地鐵設計規(guī)范(GB50157-2013)15.5.2條，配電變壓器二次側

7、至用電設備之間的低壓配電級數不宜超過三級?！狈桨? 配電級數將增加一級，部分用電設備的配電級數將超過三級。因配電系統(tǒng)需要 整體上下級配合實現選擇性動作，兩重單母線分段增加主開關選擇性動作整定 的級數，同時加大系統(tǒng)整體保護參數設置的復雜程度，增加運營調試難度，使 整個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)線建設過程中， 全線環(huán)控消防負荷統(tǒng)一要求采用單母線分段配電，如出現車站在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)會顯得異常復雜且不合理。（2）投資增加。與方案1比，至少需要增加2面進線柜+1面母聯柜及相應的 土建面積、變電所至低壓配電室的干線電纜等，投資會增加約56萬。

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，施工安裝費用也有可能增加。在設備 區(qū)走道等管線密集區(qū)域排布比較困難且不能隨意轉彎。另外因為是剛性材料， 抗振動能力差，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 布置困難的問題，但其總饋線回路并沒減少，只是轉移到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)控機房附近，站臺層設備 （特別如公共區(qū)扶梯）電纜迂回長度增加帶來的線路損耗及電壓損失加大，有 時不得不加大電纜截面。綜上一般情況下不建議采用方案3。下面主要對方案

9、1和方案2進行經濟對比，分析非標準站在哪些條件下需要設 置跟隨變電所。為了對比方便，確定一些基本原則及前提條件。（1）因地鐵車站B端設備負荷容量一般均大于250kVA，供電距離均超過 150m，故本次對比以此為依據，負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個典型值。（2）兩路35kV電源同時負擔全部負荷，負載率為65%左右；火災模式或故 障情況下，單臺變壓器負擔一二級負荷。負載率為105%以下。電纜及變壓器 容量按單電源供電考慮，損耗電費按雙電源供電時考慮。（3）A端變電所及B端跟隨所低壓側功率因數cos中均補償至0.92。（4）對于相同容量的車站負荷，均認為方案1和方案2變壓

10、器的空載損耗和 負載損耗相當。（5）設備價格參照2016年的設備招標價；電價按工業(yè)電價0.72元/度，運營 20年計算。（6）為相對簡化計算過程，暫不考慮資金的時間價值。（7）對2個方案相同或相近的項目不作比較，僅對差異項目進行對比。2.2工程投資對比投資對比的差異項目主要為土建費用、配電變壓器、35kV開關柜、低壓開關 柜、高低壓電纜。電壓損失按5%控制。采用工程量清單計價模式，列出方 案1和方案2的設備材料表及綜合單價。根據式（1）（3）中，E投資為工程投資，萬元；（公式中，下標2為方案2相 關數據，下標1為方案1相關數據，后文同理）En為分項設備材料工程費，元; N為分項設備材料工程量，

11、臺/面/m ; P為分項設備材料綜合單價，元；E安裝 為分項設備材料安裝費，元。其中安裝費E安裝包含措施費、其他項目費、規(guī)費、稅金等，措施費參照工程 費公式計算，其他項目費含暫列金額、暫估計、計日工、總承包費等。通過上 述公式先分別匯總方案1和方案2的分項設備材料工程費得到總投資，再計算 其差值。對比結果見圖4。圖中數值為正表示方案1經濟效益較好，數值為負 表示方案2經濟效益較好。2.3運營維護費用對比地鐵運營成本的三大部分包括電費、設備運維、工資，其中電費又占日常運營 維護費用的一半。本次對比的運營費用指損耗電費，按20年估算。方案1電 費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。維護費用主要包括備品備件、設備檢修及更換費用，方案1為低壓開關及 電纜等，方案2為35kV開關及電纜等。式(4)(6 )中，E運維為運營維護費用，萬元；Y電價按工業(yè)電價0.72元 /度，運營20年計，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為最大負荷時的年損耗小時數，可按最大 負荷的年利用小時數Tmax及cos中從相關手冊上查詢；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 載有功功率損耗，k W;Sc為變壓器計算負荷；Sr為變壓器額定容量，kVA ;TT為變壓器全年投

13、入運行小時數，當變壓器全年不間斷運行時取 24x365=8760ho根據上述公式將方案1和方案2進行計算后對比結果見圖5。圖中數值為正表 示方案1經濟效益較好，數值為負表示方案2經濟效益較好。2.4綜合經濟對比綜合考慮工程初投資及運營損耗費用后，根據E綜合=E投資+E運維，計算對 比結果見圖6。圖中數值為正表示方案1經濟效益較好，數值為負表示方案2 經濟效益較好。對比圖4和圖5,可知工程投資在綜合費用中占比是最大的，運營維護費用占 比較??；單從圖5運營維護費用來看，負荷容量、供電距離最小值時，高壓供 電比低壓配電節(jié)約費用，隨著負荷容量、供電距離逐漸增加到最大值，節(jié)約費 用最大也不到10萬。說明

14、運營維護費用與供電距離關系不大，即從150m至 400m這個供電距離區(qū)間，電纜線路損耗及變壓器損耗費用差異不明顯。從綜 合費用圖6歸納得出：當供電距離超過200m，負荷容量超過400kVA時，增 設跟隨所的方案2即可減少綜合費用。且隨著負荷容量、供電距離逐漸增加， 綜合費用曲線下降趨勢明顯，投資、運維費用能減少百萬級，經濟效益相當明 顯。3配電方案選擇通過第2節(jié)的分析對比可知：方案3因存在增加配電級數，增加初投資、母線 槽施工困難等劣勢。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。標準地鐵車站（車站主體長度約200m ）低壓配電方案可選擇方案1, 非標準站（200m以上）根據負

15、荷容量和供電距離確定選擇方案2。為了能快 速確定非標準站是否需設置跟隨變電所，可參考表1。先根據建筑布置及各專 業(yè)用電提資統(tǒng)計出B端負荷容量和供電距離，再對照表中數據，若負荷容量和 供電距離交點表格寸 時，則B端應設置跟隨式變電所。另外有2種需設置跟隨式變電所的情況。（1）帶配線段大物業(yè)開發(fā)的車站（21500m2），因為大物業(yè)一般未與車站同 期開通，物業(yè)形態(tài)、負荷類型均不穩(wěn)定，不確定因素多；且運營不一定是地鐵 公司管理，考慮計量、配電安全及運營管理等因素，為大物業(yè)單獨預留1個跟 隨式變電所。（2 ）同期建成的換乘站，車站規(guī)模大，負荷容量約為一般站的1.6倍，可考慮 在換乘線設置跟隨式變電所。分

16、線路設置房間、設備獨立，運營管理相對簡單， 但供電距離會偏長、電壓損失大；在有共用房間、設備的情況下，可考慮根據 車站建筑布置、負荷分布情況在重負荷端區(qū)域設置跟隨所，區(qū)域供電雖然各線 路間配電回路相互交叉，運營管理較復雜，但供電距離依據就近配電原則，電 壓損失和線路損耗較小，投資和工期控制較好。具體根據實際情況分析設計。4結論通過圖6的對比可知，工程投資、運維費用跟負荷容量和供電距離這2個因素 正相關，隨著供電距離超過200m，負荷容量超過500kVA，設置跟隨所的方 案2能顯著減少投資、運營費用。從項目全壽命周期來看，3種低壓配電設計 方案均可行，方案1最簡單，0.4kV供電在負荷容量及供電距離較小時經濟效 益好；方案2對土建影響稍大，35kV供電在負荷容量及供電距離較大時經濟 效益優(yōu)；方案3的供電可靠性相對較差。設計人員在設計變電所設置方案時可通過表1快速進行技術經濟比較，再確定 一個安