城市轨道交通地下车站动力变压器容量的选择探讨罗利平

城市轨道交通地下车站动力变压器容量的选择探讨罗利平1.正确选择变压器容量的必要性在地铁整个供电系统中，配电变压器所占比重最大，改进其性能，降低损耗指标，合理选择容量对系统节能，提高系统可靠性具有重要的意义。根据城市轨道交通的运营计划，城市轨道交通用变压器的日负荷特性可以明显地分为两个阶段：高峰时段和低谷时段。根据2003年对广州地铁一号线动力变压器负荷率的统计（详见表1），可看出很多站动力变压器在正常情况下高峰时段的负荷率都较低，从前期的投资和后期的电费来说都造成了较大的损失。因此根据城市轨道交通用电负荷的特性和变化规律，以及动力变压器的运行方式，正确选择和配置变压器容量，合理调整负荷，实现变压器经济运行，是非常有必要的。表12003年8月1日各动力变压器负荷率统计表芳村A所芳村B所黄沙A所黄沙B所长寿路A所长寿路B所陈家祠A所陈家祠B所低谷时段7695751012负荷率%高峰时段5530152718242421西门口A所西门口B所公元前A所公元前B所农讲所A所农讲所B所东山口A所东山口B所低谷时段46653358负荷率%高峰时段5211373142301524杨箕A所杨箕B所体育西A所优育西B所体育中A所体育中B所广州东A所广州东B所低谷时段88594568负荷率%高峰时段1148303939214529各变电所平均值低谷时段6负荷率%高峰时段302.变压器容量选择城市轨道交通地下车站动力变压器的台数和容量根据运行方式、负荷性质、供电条件和用电容量等条件综合考虑确定。2.1城市轨道交通动力变运行方式城市轨道交通地下车站在每个降压变电所设置两台动力变压器，分别接在两段35kV(或10kV)单母线上，两段单线采用断路器分段形式。正常时，两台变压器分列运行，各自承担分区内的供电负荷。当一路进线电源检修（或故障）时，切除该路电源，合上母联开关，由另一路电源带全部负荷，两台变压器并列运行；当一台变压器检修（或故障）时，切除该变压器，并切除三级负荷，由另一台动力变压器向所内全部一、二级负荷供电。因此根据城市轨道交通的动力变压器运行方式，在满足国标《35～110kV变电所设计规范》(GB50059－92)3.1.3条规定，“装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷”的前提下，选择车站变压器容量时，应满足当断开一台动力变压器时，另一台动力变压器在不过载的条件下能够承担该降压变电所供电范围内的所有一、二级负荷要求。2.2城市轨道交通常规负荷性质城市轨道交通地下车站动力照明负荷主要由通信、信号、通风与空调、照明、给排水、扶梯等系统负荷和照明负荷构成，负荷的大小与车站的型式、规模以及机电系统的运营模式相关，负荷等级分类详见表2。表2地铁机电设备负荷分类与分级负荷分级负荷类型一级负荷通信系统设备、信号系统设备、综合监控系统设备、电力监控系统设备、机电设备监控系统设备、自动售检票系统设备、门禁系统设备、兼作疏散用的自动扶梯、火灾报警系统、消防系统设备、消防电梯、地下站厅/站台照明、地下区间照明、应急照明、变电所操作电源、事故风机及其电动阀门、排烟风机及其电动阀门、屏蔽门/防护门、防淹门、排雨泵、车站排水泵等。二级负荷地上站厅/站台照明、附属房间照明、出入口通道照明、普通风机及其电动阀门、废水泵、污水泵、自动扶梯、电梯、维修电源等三级负荷空调制冷及水系统设备、锅炉设备、广告照明、电开水器、清扫电源等。根据广州、上海和武汉轨道交通的初步统计，各车站用电负荷以一、二级负荷为主，平均约占全部负荷的70%，因此各车站动力变压器容量的选择应不小于全部负荷的70%。2.3变压器的效率最佳负载率变压器的综合功率损耗是指变压器的有功功率损耗、折算成有功损耗的无功功率损耗之和即：ΔPZ=式(3－3)⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛+++Q2QKQ2KoKoPPββ式中，ΔPZ——变压器综合功率损耗，kW；KQ——无功经济当量，对于城轨交通110～35kV变压器，当负载最大时取0.1，当负载最小时取0.06。当负载侧的功率因数已补偿至0.9及以上时，取0.02～0.04；P0为变压器空载损耗，kW；Pk为变压器短路损耗，kW；Q0为励磁电流造成的损耗；Qk为无功漏磁损耗。输入功率P1应该为输出功率P2与综合损耗ΔPZ之和，即有P1=P2+PZ式(3－4)变压器的效率η是变压器二次侧输出功率P2与电源侧输入功率P1之比的百分数，一般定义为，oKeePPSSPP++==22212coscos%100*βθβθβη式(3－5)式中，=βejSS为负载率；2cosθ为二次侧功率因数；Se为变压器额定容量，kVA；Sj为变压器计算容量。从式(3－5)中可知变压器的效率不是常数，与变压器负荷和损耗有关，也与负荷功率因数有关。负载率为0.3～1时，变压器的效率均较高，负载率为0.5～0.6时效率最高。负载一定时，功率因数越高变压器效率亦越高。由于空载损耗不随负载电流变化，称为不变损耗；随负载率二次方变化，称可变损耗。若负载的功率因数保持不变，当不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率达到最大，即KP2βKoPP2β=式(3－7)则，变压器的最大效率发生在KoBPP=β式(3－8)Bβ称为变压器的效率最佳负载率，其与空载损耗和负载损耗的比例有关。表3-3以国标《干式电力变压器技术参数和要求(GB/T-10228-1997)》，分析了干式电力变压器的效率最佳负载率。根据目前国内干式电力变压的制造水平，干式电力变压器的效率最佳负载率一般在0.45～0.6之间，变压器的额定容量越大，变压器的效率最佳负载率越低。表3干式电力变压器的效率最佳负载率额定容量kVA31540050063080010001250160020002500空载损耗W1450170020002300270030003500400047005500负载损耗W4900630077509030107001230014900181002130025500最佳负载率0.5440.5190.5080．5050．5020．4940．4850．4700．4700．464可见合理地选择变压器的负载率也是变压器容量选择时需要重要考虑的一个因素，从而实现合理供电，节约能源，实现变压器的经济运行。有关电力工程设计的指导书就建议：“选择变压器的容量和台数时，应根据负荷的情况，综合考虑投资和年运行费用，对负荷进行合理分配，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效区内。当负荷率低于30%时，应予调整或更换。当负荷率超过80%并通过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器”。2.4容量选择设为变电站的计算负荷，jsPϕcos为补偿后低压母线的功率因数，λ为变电站一、二级负荷所占的比例，Se为单台变压器的额定容量，则单台变压器的额定容量和计算负荷之间应满足如下关系：ϕλcosjsePS×≥式(4－1)正常运行时，两台变压器分列运行，平均承担变电站的用电负荷，故车站变电站的平均负荷率β为，λϕβ212cos/≤=ejsSP式(4－2)依据已建成和正在设计线路的经验，地下车站降压变电所单台变压器的容量一般为630kVA～2000kVA，若按照一、二级负荷选择变压器的容量，还必需在满足供电系统可靠性的前提下，考虑变压器的初期投资成本，和在经济使用期内将要支付的电气损耗费用。3.结论用户应根据用电负荷的特性和变化规律，正确选择和配置变压器容量，通过运行方式的择优，合理调整负荷，实现变压器经济运行。根据变压器容量选择的基本原则，经过上述分析，结合城市轨道交通的设计经验，认为地下车站用动力变压器的容量宜按照负载率60％选择变压器的额定容量，同时依据各变电所的一、二级负荷进行校正。参考文献［1］谢毓城.电力变压器手册.北京：机械工业出版社.2003:第二节变压器的效率［2］胡景生.变压器经济运行.北京：中国电力出版社.1999:第一章变压器经济运行的基础理论和第四章变压器分列运行的经济运行方式第十五章变压器经济运行的动态计算及系统节电