高铁客运站房供配电系统设计探讨

胡 峻, 刘 闵

(中信建筑设计研究总院有限公司,武汉 430014)

0 引言

近年来,随着我国高速铁路客运专网的规划与建设,沿线各级城市铁路客运枢纽的新建、改建数量不断快速增加。 根据国家发改委《铁路“十三五”发展规划》,将全面贯通“四纵四横”,推进“八纵八横”主通道建设,高铁站房的建设仍然方兴未艾。

1 高铁客运站房供配电系统特点分析

总体来说,高特客运站房属于人员高度密集的公共建筑,其站房形式多变,多具有高大空间、站房内机电系统工艺复杂、接口众多的特点。 图1 是某高铁客运专线的整体供电架构图,由图1 可以看出,高铁客运站房供配电系统作为整个铁路供电系统的一个组成部分,与铁路专用的电力系统相对独立,但又相互联系。

铁路客运站房的建筑规模按照高峰小时发送量人数分为特大型、大型、中型和小型站房,其供电可以引接自铁路专用电源,也可以引接自地方电源,现对其供电系统主要特征分析如下。

图1 某高铁客运专线的整体供电架构图

1.1 高铁站房的电压等级

高铁站房的供电电压等级可以是10kV、35kV或更高电压等级,与所在地的供电电源条件、当地允许的单路最大供电容量、站房的总装机容量等有关,表1 统计了国内几个特大型高铁客运站房的供电电压等级。

国内几个特大型站的供电电压等级 表1

通常来说,总供电容量20 000kVA 及以下宜采用10kV 供电,大于20 000kVA 可根据经济性比较,选择35kVA 及以上电压等级或采用多路10kV 电源供电。

1.2 铁站客运站房的负荷分级

铁路客运站房根据其规模,其主要负荷分级如表2 所示。

客运站房负荷等级 表2

由表2 可以看出,与铁路调度安全相关的通信、信号用电供电可靠性要求最高,这类负荷通常由铁路通信信号专用变电所供电,亦有部分中小型站根据供电条件直接引接自站房变电所;满足铁路运营业务需要的客运信息类用电及照明用电等级比调度安全相关的负荷低一个级别以上。

1.3 高铁客运站房的装机容量

高铁客运站房由于地域、站场规模和站房形态的不同,其装机容量指标差异很大,表3 列出了国内部分高铁客运站房装机容量的统计指标。

部分高铁客运站房装机容量及单位指标 表3

根据表3 中单位面积装机指标可以看出,除去指标偏离比较大的中小型站房,大型以上站房总面积装机指标多在70～130VA/m2,建筑面积装机指标多在150～260VA/m2,整体区间跨度比其他类的建筑都要大,造成负荷指标差异的主要原因有以下几点。

(1)站场规模及站房形态差异

高铁客运站房总面积还包括除站房计容面积以外的高架平台、站台雨棚、人行通道等,各站房的站场规模及形态差异较大,而这些不同的组成部分其用电指标差距也很大,导致了单位面积装机指标的差异较大。

(2)地域气候差异

地域气候差异导致空调采暖负荷差别较大,且一些地区具有市政冷热源条件,对用电负荷造成较大影响。

(3)商业占比差异

高铁站房内通常会配套建有商业设施,由于商业用电特别是餐饮类商业用电容量较大,故商业面积占比对站房总体单位面积装机容量影响较大。

2 高铁客运站房供配电系统方案比选

在高铁客运站房供配电系统前期方案设计中,应根据项目的具体情况,进行必要的技术方案比选,以确定更优方案,主要包括以下几个方面。

2.1 电源方案比选

电源方案首先取决于所在地的市政条件及单路电源允许的最大供电能力要求,以10kV 供电电压等级为例,如当地单路10kV 最大允许供电容量10 000kVA,在不同电源回路及运行方式下,系统的最大可供容量如表4 所示。 其典型接线形式如图2所示。

高铁客运站房电源数量及运行方式比选 表4

因此,结合站房项目的总用电负荷估算、当地允许的最大单路供电能力、系统的可靠性要求等,可以选取相对较为经济可靠的电源方案。

2.2 供配电系统架构比选

客运站房供配电系统的架构对于整个系统的可靠性、经济性影响较大,对于高压供电系统来说,其配电级数不宜超过二级,对于高铁客运站房建筑,常用的系统架构主要分为主分直配式和二级配电式,二种方案的比选如表5 所示。 二种供电系统架构的简要示意图如图3。

铁路客运站房供配电系统架构比选 表5

当站房规模相对不大时,宜优先采用主分直配式;站房规模较大,且有多业态管理需求时,可采用二级配电式,亦可根据实际需求采用主分直配和二级配电架构混合组网的方式。

2.3 变配电所设置方案比选

高铁客运站房变配电所的设置方案包括变电所的布局、变压器分组及台数的选择等,应结合客运车站的建筑形态、功能业态、负荷容量、建筑及管线敷设条件来综合确定,通常要注意以下要点。

(1)变电所的布局宜与车站建筑的形态相匹配,如大型或特大型车站站房多采用线侧平式与线正上式混合式,有的位于站场两端,有的呈规则的四边形形态,变电所的布置亦可相应按照该形态相对集中布置。

(2)站房成组的两台变压器,每台应能承担全部一、二级负荷,变压器长期工作负荷率宜为60%～75%。

(3)特大型、大型站房空调等季节性负荷、商业负荷宜单独设置变压器。

(4)北方站房应考虑屋面天沟融雪、管道电伴热、电热风幕机等用电负荷的影响,冬季负荷宜与夏季空调负荷共用变压器,以提高变压器的利用率,减少变压器的配置。

2.4 自备应急电源方案比选

根据JGJ 243-2011《交通建筑电气设计规范》,高铁客运站房内的各类负荷对应急电源的切换要求如表6 所示。

高铁站房应急电源的分级及切换时间要求 表6

对于应急电源选择要点:(1)特大型站房,应设置发电机,大型站房宜设置柴油发电机,发电机容量应保证一级负荷中特别重要负荷用电,宜保证一级负荷的用电;(2)客运信息机房设备、售检票设备、通信、信号用电设备应配置UPS 不间断电源供电,配合发电机组使用,以满足电源切换及持续供电时间要求;(3)车站公共区域属于一级负荷的一般照明,宜采用两路电源交叉供电方式,当设有柴油发电机时,其中一路宜引接自柴油发电机备用母线段。

3 高铁客运站房供配电系统节能设计

高铁客运站房是能耗大户,供配电系统节能是电气节能设计的核心,设计应从前期电气方案策划到施工图设计将供配电系统节能理念贯穿始终,重点关注以下几个方面。

3.1 合理配置装机容量

通过与同等规模客运站房数据对比合理选取计算参数,精确计算,使装机容量既满足车站的使用要求及发展需要,又避免盲目加大装机容量,增加不必要的一次投资及运行能耗。

3.2 优化供配电系统架构

高低压供电系统均应力求简单,减少配电级数及保护级数,既可以降低中间设备损耗,又可以带来系统可靠性的提升。

3.3 按经济性、电压损失、设备运输及维护等原则合理设置变配电所

根据铁路站房建筑形态及用电负荷分布,在合适位置设置变配电所,兼顾站房与站场用电负荷的供电半径要求,提高经济性,降低运行能耗。

3.4 电能质量的监测及治理

随着新型节能设备如LED 灯具、变频设备的推广及各类电源设备(UPS、充电桩设施)的增多,高铁站房内存谐波源逐年呈上升趋势,主要谐波源谐波含量如表7 所示。

高铁客运站房主要谐波源 表7

根据规范要求,大中型交通建筑电压谐波总畸变率不应大于5%,综合枢纽、特大型不宜大于3%,因此其供配电系统应设置较完善的电能质量监测及治理设施,主要技术措施:(1)客运站房LED 大屏、夜景照明、气体放电灯回路照明线路3 次谐波电流超过基波电流33%时,应按中性线电流选择电缆。 (2)站房非线性负载容量占比较大,应在变压器低压侧配电母线上集中装设有源滤波装置。 (3)信息设备显示屏一般分区域供电,宜考虑在其专用配电柜(箱)母线装设有源滤波装置。 (4)大型空调变频器宜考虑在谐波源处就地装设无源滤波装置。

3.5 高铁站房智能配电技术的应用及展望

高铁站房电力监控系统需要考虑预留与铁路调度SCADA 系统的接口,目前建成或在建的高铁客运站房供配电系统大多仍然以较传统的继电保护加电力仪表采集参数的电力监控系统为主,如图4 所示。

图4 高铁客运站房电力监控系统

近年来,智能配电技术的发展已经进入了快车道,其发展及应用趋势是智能配电一体化技术,高铁客运站房供配电系统亦应将智能配电技术的应用作为重点,通过强弱电一体化数据采集及分析技术,实现更可靠的保护及更精细化的节能控制,结合网络信息安全技术、智能平台管理技术等多种技术实现智慧级管理。

4 结束语

高铁客运站房供配电系统是整个电气系统的核心,应将供电安全、消防安全、经济节能作为设计目标及重点,通过同类项目调研及技术指标分析、方案比选,控制负荷指标及装机容量整体指标,确定电源数量、运行方式及应急电源方案,树立系统架构、稳定设备用房布局,同时将节能设计贯穿始终,才能实现供配电系统的更优方案,最大限度地实现其在解决用电安全、节能运行、管理维护方面的潜能。