文章通過分析现有负荷计算方法在地铁工程中存在的问题，结合地铁车站的运行模式，探讨符合地铁车站特性的负荷统计思路和方法。
关键词：地铁车站；负荷；负载率；模式
中图分类号：U231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0077-02
B1 现行的负荷计算方法
计算负荷也称最大负荷，是一个假想的持续负荷，其热效应与同一时段内变动负荷所产生的最大热效应相等。需要系数法源于对负荷曲线的分析，是一种经验法，尤其适用于配变电所以及长期平稳运行的负载。需要系数法因简便、权威，在工民建设计中被广泛使用，是低压配电设计主流的负荷计算方法。因而在地铁车站的配电设计中，也被广泛采用。
需要系数法的计算过程为：用电设备功率乘上需要系数得出设备组的计算功率（需要功率），然后多个设备组的计算功率加和再乘上同时系数。即：
需要系数法的准确性源于对大量的工民建设备负荷的统计和分析，各设备的需要系数的确定与其运行特点密切相关。而地铁车站与一般工民建不同，其自有一套独特的运行模式，如果直接套用需要系数法，计算结果与实际运行将会有很大差别。表1为国内某线地铁车站动力照明系统设计时所选用的需要系数。
根据以上系数计算，一般地下两层标准站的计算有功功率多在1600kW以上，考虑到规范要求长期工作负载率不宜大于85%，故变压器容量多选2×1000kVA或2×1250kVA。
2 地铁车站设备的运行模式
地铁车站内主要的设备类别有：通风空调设备、给排水设备、站台门、电扶梯、照明、以及通信、信号以及综合监控等弱电系统设备。要准确计算出车站的计算负荷，就需要掌握各类负荷的运行模式，不能对负荷进行简单的加和再乘系数。图1为广州某站各系统夏季实际能耗与提资额定功率的比例。
由图1可知各系统设备的实际运行负荷远低于向动照（低压配电）专业提资的容量需求。造成以上原因有二，一是考虑裕量备用，二是对于系统内及系统间的配合及模式不了解。
2.1 通风空调及给排水设备
通风空调设备负荷占到车站总负荷的一半以上；其一般分隧道通风系统（隧道风机、轨排风机）、大系统（公共区空调与风机）、小系统（设备区空调与风机）、水系统（为空调设备提供冷源）以及备用系统（设备区重要房间的备用空调）。隧道风机理论上只在车站运营时段外早晚开启各半个小时，或在站台以及区间火灾时才会开启。轨排风机一般为列车进站时开启，离站后关闭。大系统的空调与风机一般采用变频调控，在夏季早晚高峰时间才会全功率运行，其他时段运行功率约在额定功率的0.3～0.6之间。水系统设备与大系统类似，只是平峰时期还要为小系统提供冷源，所以负载持续率略高约在0.5～0.8之间。小系统设备在运营时段一般设计全功率运行，但需注意的是备用系统与小系统某些设备在功能上重合，两者不同时运行，在计算时不可叠加。按此计算，一般地下两层标准站夏季最高通风空调负荷约为450kW。
给排水设备主要有消防泵、主废水泵、出入口集水泵、敞口风亭雨水泵、污水泵等。消防泵为消防专用设备。排水排污泵属于短时工作制负荷，多采用液位控制，启泵后半个小时内一般即可将坑内水抽排到停泵水位以下。
2.2 站台门及电扶梯设备
站台门属于周期工作制负荷，只在开启和关闭的过程才会有电能消耗，此开、关过程耗时一般不超过10s，按照远期行车密度（多为全程+区间）30对/小时计算，负载持续率约在18%。
电扶梯的功率与提升高度有关，满载额定功率按每节梯阶站两人计算；现多采用变频控制，在无人时以低速运行，理论能耗为额定功率的1/8左右。一般地下站，从站台到站厅以及出入口通道到地面皆设有电扶梯，当人员从站厅扶梯上踏步出闸走到出入口扶梯下踏步的时间，站台人员基本可以全部从站台上到站厅；即可以认为站内扶梯与出入口扶梯错峰运行。
2.3 照明及通号等弱电系统
车站照明分公共区和设备区照明，（一般地下车站）公共区照明不设就地控制，在早晚高峰时全部打开，平峰时间通过节电措施，关闭或者降功率运行；设备区照明一般设就地面板开关，除车控室等有人值守房间，其余房间灯具一般处于关闭状态。
通信、信号、综合监控、自动售检票等系统专业设备因此往往自成系统，低压配电专业对其内部各小系统及模块负荷分配情况难以掌握。但是按照以上弱电系统提资及实际功耗对比，可知其所提的用电容量需求往往为各子系统及模块额定功率总的和值。
3 地铁车站的负荷计算
负荷计算的目的是求得最接近实际的同时运行的最大负荷。与工民建设计不同，地铁车站各系统的运行模式是确定、往复的。下面就消防与非消防时各自最大模式进行探讨。
3.1 消防模式
根据《地铁设计规范》，一条地铁线一时间段内仅考虑一处火灾，并规定的车站消防疏散时间为6分钟。当火灾发生在车站时，所有非消防二三级负荷会被切除，与消防以及行车安全等无关的一级负荷也会被切除（视设备情况立即或延时切除），并由FAS系统及BAS系统联动相关消防设备。
车站参与消防的主要有隧道风机、轨排风机、大小系统排烟风机、补风风机、消防泵、气灭装置等等。由于仅考虑一处火灾，着火点位置不同，联动的设备也不同（主要为通风空调设备不同）。根据通风空调的运行模式表，其系统最大设备功率发生在站台层公共区火灾时。此时要启动的设备一般有隧道风机、轨排风机、大系统排烟风机、疏散楼梯及车控室补风加压风机，此类设备总功率约在350kW。
消防泵及消火栓在火灾初期时为站内人员自救用，按照规范仅考虑2处消火栓同时使用，当消火栓喷出来的水流到主废水泵房，并达到启泵水位时，站台门已经开启到位，站台乘客也基本疏散到站厅或地面；即废水泵与站内电扶梯可按非同时使用负荷考虑。
即火灾初期：P总=P弱电（除AFC、PIS）+P通风排烟+P照明+P站内扶梯+P消防泵。
6分钟后人员疏散完毕，站内扶梯可以停运，此时公共区照明以及民用通信等亦可以被切除（以保障消防人員进场后不会因喷水而加大触电风险），此时有：
P总=P弱电（除AFC、PIS、民用通信等）+P通风排烟+P应急照明+P废水泵+P消防泵。
3.2 非消防模式
非消防模式，即平时正常运行情况。据第2节的运行模式分析，车站用电设备最大运行负荷应该为夏季的早晚高峰，此时通风空调设备功率最大。此时有：
P总=P弱电+P通风空调+P照明+P扶梯+P水泵+P站台门+P水泵+P检修及生活用电。与消防模式相比非消防模式最大负荷明显大于消防模式。
3.3 基于地铁运行模式的需要系数法
经前文的阐述和比较，可以得出车站负荷计算主要考虑非消防时夏季早晚高峰运行的负荷。在知晓了各系统设备的运行状况后，可以结合需要系数法对各类设备进行分组负荷计算。
3.3.1 弱电系统
由图1可知弱电系统负荷的“水分”还比较多，可以通过需要系数及同时系数进行约束，可令P弱电=K∑p×∑（Kd×Pr），式中K∑p及Kd可分别取0.6。
3.3.2 车站照明
车站公共区照明负荷应据实统计，并以规范的推荐功率密度值进行复核。设备区照明设备应考虑同时系数，因为大部分设备房平时并不需要照明，仅在房间内需要巡视、检修时候才打开，即：P照明=P公共区+K∑p×P设备区。
3.3.3通风空调
如前文所述，通风空调系统负荷在高峰时间由各个满功率运行的设备相加而得，此时不需要乘需要系数。
3.3.4 站台门和扶梯
如前文所述，站台门和电扶梯都属于周期工作制，故在计算时，需将功率转换成连续工作制下的功率：Pe=Pr×■。站台门持续负载率取0.18；一般车站出入口扶梯总数量比站内多，即满载运行时间较站内扶梯短，故站内扶梯ε值可取0.5；站外扶梯ε值可取0.25。由于站内外扶梯错峰运行，故计算扶梯设备组时需要乘上同时系数：Pc=K∑p×∑（Pe内+Pe外）；同时系数K∑p可取0.4～0.5。
3.3.5 水泵
车站水泵为短时工作制，启泵后一般在半个小时内可以将水排至停泵水位以下，故将设备功率转换成连续工作制时，根据配电手册，ε值可取0.15，即Pe=Pr≈0.39Pr。此外由于风亭、出入口的排水泵直接降水排往市政管网，不汇集到站内主废水泵，故各个水泵间还需乘同时系数。
3.3.6 检修电源及插座等
车站机房及区间都设有检修电源箱，而区间检修电源箱一般在晚上使用，可忽略。车站机房检修电源箱只考虑一处使用，且多是在设备故障停运后才会使用，故此亦可以忽略。至于插座，公共区插座一般为自动售货或自助查询用，设备功率较小。设备区插座亦多为运营人员充电或者其他零散小负荷用，小动力箱计算时需要系数取0.2基本可以包住。
3.3.7 最大运行负荷
上述系统、设备在夏季高峰时期可能同时运行，将各设备组及其他零散负荷（乘需要系数后）的计算功率直接相加，即可得车站用电设备的最大运行负荷，即计算负荷。但需注意的是，车站用电高峰持续的时间每天约4小时。如果以此值作为全天稳定的计算负荷，按80%负载率选取变压器，则在平峰时间，变压器负载率又会有所降低。
4 结束语
地铁车站配电变压器负载率低下，一直为大家所诟病。追本溯源，还是各专业所提用电需求裕量太大，且没有很贴合地铁工程的负荷计算方法，缺乏统一标准。从地铁运营模式出发，通过对运营线路各专业设备用电量实测值的分析，修整需要系数的取值，是为行之有效的方法。
参考文献：
[1]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册（4版）[M].北京：中国电力出版社，2016.
[2]GB50157-2013.地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]JGJ16-2008.民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[4]游泽银，苏忠.地铁动力照明系统负荷对运营成本的影响[J].都市快轨交通，2006，19（1）：52-53.
[5]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[J].变压器，2010，47（8）：24-27.