地铁低压配电中的节能措施应用

高勋

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000）

在交通运输行业中，地铁是十分重要的交通工具。多数城市的地铁能够满足人们日常出行的需求，部分城市的地铁运行时间高达18 个小时。在长期运转的背景之下，地铁系统往往需要耗费较多的电力资源。然而，电力对于我国的经济社会发展是非常重要且宝贵的资源，各个企业都必须切实推进节能减排的任务。现在大多数地铁采取低压配电系统，并在配电系统中采取了多项节能措施，全面提升了地铁工程的节能减排效果。

1.1 地铁低压配电系统概述

地铁低压配电系统由低压配电柜、低压电缆输电线路和配电箱组成[1]。低压配电柜负责分配整个系统内部的线路，并调配相应的电力到特定的区域。低压电缆输电线路负责传输电力，连接各个设备，保证系统的正常运转。如果按照功能可分为动力系统和照明系统，动力系统为各个系统设备提供电力支撑，照明系统负责地铁内部的照明设施。照明系统和动力系统对于地铁的整个配电网络至关重要，各司其职，使地铁低压配电系统可以良好运转[2]。

1.2 地铁低压配电系统的特点

首先，地铁低压配电系统具备分布广泛的特点。现在的地铁线路已经覆盖了城市内部各个地方，因此整个配电系统的线路将延伸到各个区域，使低压配电系统的分布范围逐渐扩大。其次，地铁低压配电系统具备设备类型多样化、多元化的特点。很多先进的设备都是为了实现良好运转而专门用于协调地铁低压配电系统的，各项设备都在不断地更新换代。最后，低压配电系统的整体用电负荷量比较大，所消耗的电力资源也比较多。如果没有采取正确的低压配电应用方式，很可能出现资源浪费、运行效率降低等问题。地铁低压配电系统正朝着人性化、节能化、智能化的方向发展。在设置运行方案时，要综合考虑节能的效果，尽可能提升地铁系统的使用舒适度，减少不必要的能源消耗的同时，为用户提供良好的体验[3]。

1.3 地铁低压配电系统的运行模式

地铁的整个配电网络分为动力配电设备部分和照明配电设备部分。低压配电系统的整体运行模式与其承受的负载定级密切相关，可以根据管理区域的承载负荷量对其重要特性进行分析与归纳。地铁低压配电系统用电负荷可分为三级：一级负荷设备包括应急照明系统、消防水泵等消防灭火设备、参与消防疏散的自动扶梯重要信号通信系统设备、环境与设备监控系统设备公共区照明等；
二级负荷设备包括乘客信息系统、风机设备、不参与消防疏散的自动扶梯设备等；
三级负荷设备包括检修设备、广告照明设备、清洁设备等。未来低压配电系统将朝着小型化、多功能化的方向继续发展，在其运行的过程中，要确保母线和电源分线分离。不同的电源和线路需要各自承担其所承受的电源和电压负载，确保其处于安全的模式。

2.1 照明系统节能

在地铁低压配电系统中，照明系统是消耗电能较多的部分。地铁车站多为地下建筑，除了个别的出口处可以接收并使用到外界的光线外，大多数的地铁车站都是属于地下工程，是封闭的，是无自然光源能够利用的。地铁工程中的整体照明系统比较庞大，根据现有市场上常见的灯具类型，地铁车站的大部分照明设备采用LED 灯。采取这种光源设备的主要原因是：LED 灯无钢丝、无玻璃灯泡，所以耐用性更高，不易损坏，寿命更长；
其适配性较强，适合多种场合；
相对于传统的粗管径光管而言，LED 灯工作电压低，功耗较低，所以具备较好的节能效果，在达到相同的照明水平的情况下，其所消耗的电能更少，降低了能耗的同时，也增加了光源的输出效率，进而延长了整个电源设备的使用寿命。由此，短期来看可以节约电能，长期以后可以减少灯具的更换频率。除了正常工作照明以外，照明系统还包括广告照明、导向照明等。另外，公共区节电照明系统结合传感技术，使整体的光照系统更加的人性化、科学化[4]。

地铁车站类型有三类，分别为一类车站，客流较少；
二类车站，总体客流中等，呈现明显的峰谷分布；
三类车站，总客流较多，各时段客流均匀。例如，南京地铁3 号线采用智能调光系统，在客流较少和客流呈现明显峰谷分布的车站安装人体感应控制类型的智能照明。在高峰时段，灯具全部点亮。在运营准备时段采用降低亮度点亮车站公共区，在非高峰时段，智能调光系统会监测乘客所在位置，并预判其将前往的区域，仅将该区域的灯具点亮，其余部位保持不高于高峰时段75%的照度，在乘客离开后，延时调低亮度，由此来达到节能的作用。

具体车站分类和不同时间段的照明能耗占比[5]见表1。

表1 不同类型车站在不同时段的照明能耗占比

2.2 设置变频节能模式

变频技术是许多行业都会采用的一项节能措施。在地铁低压配电系统中合理地使用变频节能技术，能够更有效地提升节能的效率。变频技术可以控制电机的执行速度，有效避免电能损耗过多。在地铁低压配电系统中，对组合式空调器等大型非消防用电设备设置变频节能模式，采取更加柔性的启动与关闭控制方式，减少电机在开关过程中的瞬时能耗。在地铁项目中，应用电动机的设施非常多，除了地铁车辆外，地铁站经常会设置自动扶梯为人们提供更加便利的出行服务。自动扶梯的能源消耗非常大，如果长时间保持自动运转的模式，则导致电能被浪费，没有发挥其应有的价值。地铁站处于出行低峰期时，很少需要使用自动扶梯。所以为了有效提升电能的使用效率，可以为自动扶梯等自动运行的设备配备变频调速系统以及相应的感应系统。当检测到需要消耗电能的需求时，再执行相应的任务。变频启动技术能够在很大程度上降低能源损耗，根据数据统计，至少可以降低20%以上的损耗[6]。

2.3 优化配电方式

配电电缆也是有内阻的，电能在传输过程中，会在电缆电线上发热，从而损耗掉，为了减少这种传输过程中无谓的损耗，要采用有效措施：一是减少配电级数，优先保障配电系统的安全与可靠；
二是减少输电距离，将变电所布置在地铁配电负荷中心的位置，将照明配电间布置在对应站厅站台大小头端的配电负荷中心，将环控电控室布置在距离环控机房、活塞风道、新风道、排热风道较近的位置，这样能够有效缩短低压配电的供电半径，减少电缆的长度；
三是合理规划配电箱的位置，避免在位置上反向送电，例如先把电能送到车站的远端，再往近端配电的情况发生；
四是选择导电率较低的材料，例如铜芯电缆，电缆在敷设时，尽可能放直敷设，减少电缆在电缆桥架内转弯的数量。

2.4 设置有源滤波器

低压配电系统在整个运行过程中往往需要承担较大的电源电压负载，属于较为庞大的电力系统。从电力电波角度方向分析，电力系统在运行的过程当中通常会接收各种谐波，带来较大的危害，对整个电力系统的各项设施增加许多电荷负载量，损耗了过多能源，降低了整体系统运行的效率与性能，可能还会造成低压配电系统设备的浪费。许多线路也处于被动负载的过程中，造成了线路浪费。系统的谐波还会引起一些无功补偿和电流放大的问题，造成部分电容器出现电流过载或电压过载的现象，甚至导致直接损坏或无法正常使用。除此之外，电力系统产生的谐波也会造成涡流等不良效应，使电机、变压器等设备损耗过大，产生过多的热量，不仅浪费了更多的电能，也会加速设备的老化。设置有源滤波器可以解决这种问题，采取动态抑制谐波的方式，对频率与大小都变化的谐波进行无功补偿。尤其是在早晚高峰整体电力系统负荷较大的情况下，整个系统的参数变化较大，有源滤波器就可以有效调节各项数据，确保电波的稳定，有效地抑制谐波带来的各项危害。

2.5 优化地铁空调系统

空调系统是整个地铁工程中使用电能较大的系统，通常来说，为了给用户提供更好的出行体验，多数地铁站在运营期间空调是全程启动的，而地铁站站厅层面积约为2500m2，空调需要覆盖的范围也比较大，需要长时间消耗大量的电能维持空调系统的良好运转，所以优化空调系统也是节能工作的一个重点部分。为了进一步优化空调系统，可以结合地铁站所处区域的实际情况以及气候温度、季节，综合制定空调开放措施。在气温适宜的地区，可适当减少空调开放的频率。而在南方地区夏季时，空气中的温度及湿度都比较高，一般采用冷水机组合制冷的方式为整个空调系统提供更加强劲的冷风，充分利用每一度电，达到减少使用电能的目的。在一些整体气温偏低的地区，天气凉爽的时候，尽可能减少使用空调，采取隧道通风的方式来加速地铁站内部空气交换，进而达到保证地铁内部环境舒适的目的[7]。

2.6 结合新兴技术不断改良配电系统

随着科学技术的不断发展，各行各业都在采取各项新兴技术来提升服务质量。在地铁工程建设的过程中，有效结合当下的新兴技术，不断改良整个低压配电系统。例如，采取相应的智能化调配线路的设备减少外接线路的使用频率，降低线路所消耗的电能；
采取智能化风机设备，安装更加节能的通风风机系统，为地铁站内部提供良好的通风环境。很多地铁工程项目采用了双速风机系统，可以根据实际情况调整风机送风的速度、压力和流量，不仅可以实现地铁站的正常通风，还可以实现防排烟功能。在各项设备应用上不断创新，进一步提升节能的效果，及时将废旧的线路和设备替换成新型的节能设备，不断改良整体配电系统的运行环境。采用电阻、电抗更小，铁损、铜损更小的新型电力设备提高整体电路的电能应用效率。除此之外，还可以采用无功补偿功能的装置，提高就地无功功率补偿，提高功率因数，减少无功功率在输电线路上的传输，从而降低低压配电线路的损耗。

2.7 采用智能计量管理系统，加强管理

虽然很多地铁项目团队都在不断优化各个用电设备以及优化用电方案，但是只能从降低用电功率和减少用电时长两个方面来分析各个主要系统的具体用电量数据，不利于整体节能措施的推进。因此，应采取智能计量管理系统对整个地铁车站内部的各项配电设备进行详细的分析处理，并且精准获取其耗电的关键数据。在电量分析方面可以总结有功电量和无功电量，并且详细分析设备功率，求出最大值、最小值和平均值。为各个耗电量较大的设备单独设置多功能的仪表来计量其数据，并且将各项数据分类汇总到自动化、智能化的分析系统中。通过系统的精准测算算法检测其用量的趋势是否符合相应的标准。工作人员要根据系统所反馈的结果，进一步调整地铁站节能减排的工作安排。采用智能计量管理系统之后，充分利用数据，将其应用在后续的管理工作中，督促地铁车站的管理运营人员时刻以精准数据为重要依据，采取各项管理措施。不仅要从宏观的角度严格控制地铁站的整体用电情况，也要具体细分到各个系统的负责人，确保各项应用落实节能减排的任务。建立良好的监督复查机制以及节能奖惩制度，有效提升工作人员落实节能减排措施的积极性。上级部门应对各个区域的节能减排落实效果进行考核，监督电能的合理使用情况[8]。

综上所述，电力对于我国的经济社会发展是非常重要且宝贵的资源，地铁系统往往需要耗费较多的电力资源，所以必须落实各项节能措施。照明系统和动力系统对于地铁的整个配电网络至关重要，应当重点对其开展节能措施。应用地铁低压配电中的节能措施，通过更加智能化的照明节能操控方式使整体的光照系统更加科学化、低耗化；
合理使用变频节能技术，有效提升节能的效率；
设置有源滤波器有效抑制谐波带来的各项危害；
结合地铁站的实际情况，综合制定空调开放措施。结合新兴技术不断改良配电系统，采取电阻小、综合性能强的新型设备——智能计量管理系统，对整个地铁车站内部的各项配电设备进行详细的分析处理。

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