文仁广1 王琮元2
1中电建成都建设投资有限公司；2中国电建集团勘测设计研究院有限公司 四川成都 610000
摘 要 对地铁车站及隧道风机的全压及降压启动方式如何进行选择的问题进行了分析；阐述了在地铁18号线车站及区间需多台大容量风机同时运行时，如何通过对风机投入方式的优化，从而有效减少风机启动瞬时电流对低压电力系统的冲击。地铁大容量风机配电及控制设备在远离降压变电所的情况下，全压启动大功率风机时产生的大电流将在降压所至风机配电及控制设备的长距离进线电缆造成线路瞬时压降过大，从而引起线路末端接触器等二次设备电压过低产生电弧而损坏的问题，通过对成都地铁18号线某站实例进行计算分析，为今后类似情况提供解决思路。
关键词 地铁车站 风机启动 线路压降 接触器电压
引言
现代市民交通出行习惯的变化，人们更多的选择城市轨道交通进行出行，城市轨道交通工程建设要求也因客流的增加而日益提高，地铁车辆尺寸越来越大、线路运行速度不断的增加、长大区间的设置导致地下区间隧道通风设备额定功率不断攀升，当地铁地下车站或区间处于灾害模式中，需要启动这些大容量风机时，大容量电机启动瞬间电流远大于以往常规地铁线路。以往的设计及运营经验告诉我们，电机启动瞬间大电流将对低压电力系统造成较大冲击，同时启动风机容量过大时将导致母线电压过低引起电力系统设备损坏，若采用全压直启的方式时电机启动瞬间电流明显大于降压启动电机启动瞬间电流，但是电机采用全压直启又确实是最为直接可靠的启动方式，特别是在消防工况下显得尤为重要。地铁中的大容量风机设备应该选用全压启动还是降压启动，本文将对此问题进行讨论。
地铁地下车站或区间通风模式众多，当处于需多台风机同时运行的模式时，最简单、最快速的启动模式显然为一次性将所有需同时运行的风机直接投入运行，但这种操作方式产生的冲击电流将对电力系统造成极大的影响，严重时将造成配电系统的崩溃。如何在满足通风及疏散专业相关规范对启动时间要求的前提下，通过对风机的启动及投入时序的优化，避免此类问题发生，本文根据现场调试试验情况进行了总结。
在地铁车站中，为便于通风设备的集中管理，现有成熟做法为在负荷集中的区域设置环控电控室[1]，并在环控电控室内设置环控电控柜作为风机及风阀的配电及控制设备。在仅设置降压变电所的地铁车站中，远离降压变电所设置的环控电控柜与降压所在通过电缆进行连接的情况下，当大容量风机全压直启时，风机所属的环控电控柜进线电缆将产生较大的瞬时压降，环控电控柜进线端子电压过低将导致环控电控柜内双电源切换装置欠压保护跳闸及柜内接触器等二次设备电压过低导致起火烧毁的问题，如何在保证设备功能及安全的前提下，同时考虑经济性的解决此问题，本文以成都地铁18号线为实例进行了研究。
1 地铁风机启动方式的选择
在地铁配电系统设计中，风机设备可按用途分为非消防专用、消防专用、消防兼用三个类别，大容量电动机在启动时将会产生数倍于自身额定电流的启动电流，并在电机转子产生较大的冲击转矩。考虑到设备自身抗冲击转矩能力及配电变压器容量等因素，我们的风机配电可分为全压直启及降压启动（常见方式为：软启动器启动、星三角启动、电阻降压启动、自耦变压器启动）两种启动方式。
①全压启动：全压启动是最简单、最可靠、最经济的启动方式，应优先采用，但启动电流大，在配电母线上引起的电压下降也大。
②降压启动。启动电流小，但启动转矩也小，启动时间延长，绕组温升高，启动电器复杂，在不符合全压启动条件时采用。
因地铁车站非消防通风模式较为复杂，随着地铁建设标准及规模的不断提高，配置的风机数量就功率也越来越大，多台风机同时投用的工况较多，为避免多台非消防风机同时启动时对低压电力系统造成较大冲击，故地铁车站较大容量的非消防专用风机设备（如排风机、送风机等）及消防兼用风机（如隧道风机、排风兼排烟机等）建议采用在配电回路加装软启动器等降压启动的方式，可减少启动电流及冲击转矩延长设备使用寿命，同时减少电机启动瞬间大电流对低压电力系统造成的冲击。
现行的国家规范中，关于消防风机的启动方式仅《火灾自动报警系统设计规范》[2]（GB50116-2013）3.1.8条规定：为保证消防水泵、防排烟风机等消防设备的运行可靠性，水泵控制柜、风机控制柜等消防电气控制装置不应采用变频启动方式。规范未明确消防风机能否采用除变频器以外的设备进行启动。根据《工业与民用供配电设计手册》[3]（第四版）12.1.3.2条描述：1.电动机额定功率不大于变压器额定容量的30%即可全压启动。2.笼型电机全压启动是最简单、最经济、最可靠的启动方式，只要符合规定的条件，就应采用。3.各种降压启动（软启动器启动、星三角启动、电阻降压启动、自耦变压器启动、软启动器启动）方式都比全压启动接线复杂、电器多、投资大、操作维护工作量加大，故障率也相应增高，而且电动机的发热也高。对于消防专用风机（大系统排烟风机、长通道排烟风机等）及消防兼用风机（如隧道风机、排风兼排烟机等）在消防工况下来说，在以往一般地铁配电设计中，地铁车站选择变压器容量较大，单台消防用风机容量一般不超过变压器额定容量的30%，故设计配电系统可满足全压启动需求，据前文所述，我们认为消防风机及消防兼用风机在消防工况下应优先考虑采用全压直启的方式，因消防工况为小概率偶发事件，较少次数的全压直启可保证消防突发事件时设备能够可靠启动，同时无需考虑对设备寿命影响。
2 成都地铁隧道风机全压直启事故分析及解决方案
《通用用电设备配电设计规范》[4]（GB50055-2011）2.2.2条规定：1.配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。2.配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，不应低于额定电压的80%。3.配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定；对于低压电动机，尚应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
地铁工程环控电控柜只为风机及风阀等设备进行供电，未接照明或其他如电子设备等对电压波动较敏感的负荷，故环控电控柜进线端母线电压应按GB50055-2011要求不低于额定电压的80%，即380*80%=304V即可，同时应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
对于接触器线圈的释放电压在《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》[5]（GB14048.4-2010）中8.2.1.2条中规定：单独使用或装在起动器中使用的电磁式接触器，在其额定控制电源电压U的85%～110%之间任何值应可靠地闭合。此范围的85%U适用于下限值，110%U适用于上限值。接触器释放和完全断开的极限值是其额定控制电源电压U的20%～75%（交流）。此范围的20%U（交流）适用于上限值，75%U（交流）适用于下限值。由此可知接触器线圈可靠闭合的电压最低为额定电压的85%，即380*85%=323V；接触器线圈释放电压的最高为额定电压的75%，即380*75%=285V；接触器线圈在电压为额定电压的75%～85%时规范未做准确定义为释放还是闭合，根据现场测试接触器线圈电压若处于其额定电压的75%～85%区间范围内时接触器处于不可靠工作状态，会出现接触器触头反复开闭造成拉弧的情况，触头拉弧将产生电火花击穿空气绝缘最终导致设备起火烧毁。
2.1 事故分析
成都地铁18号线为国内首条运行时速达140km/h地铁线路，区间隧道风机额定功率在成都地区也首次达到了132kW每台，每个车站设置有四台隧道风机，车站两端各两台；运行时速为80km/h的常规地铁线路区间隧道风机额定功率一般不超过90kW每台，每台隧道风机额定功率提升比例达50%，同时部分车站因长大区间的存在还设置有多台区间射流风机。在成都地铁18号线通风模式调试过程中多次出现在仅设置降压变电所的地铁车站中，远离降压变电所设置的环控电控柜与降压所在通过电缆进行连接的情况下，当大容量风机全压直启时，风机所属的环控电控柜进线电缆将产生较大的瞬时压降，导致隧道风模式执行失败，偶有发现环控电控柜内接触器元件烧毁或双电源切换装置欠压保护跳闸的情况。
以成都地铁18号线某站为例，此站降压变电所设置于站厅中部，车站大里程端及小里程端均设置环控电控室一座，降压变电所至两端环控电控室进线距离约250m，环控电控柜进线电缆参数及符合情况详见表1：
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图1 成都地铁某站隧道风机及区间射流风机配电示意图
现根据图1及表1对环控电控柜进线电缆造成的电压降进行计算分析：
三相平衡负荷线路电压降计算： （1）
式中：——线路电压损失百分数，%；
——三相线路每1A·km的电压损失百分数,%/A·km；
——负荷计算电流，A；
——线路长度，km。
根据公式（1）并查表1kV交联聚乙烯绝缘电力电缆用于三相380V系统的电压降，计算可知小里程端环控电控柜进线电缆在额定运行工况下电缆电压损失百分数为3.2%，大里程端环控电控柜进线电缆在额定运行工况下电缆电压损失百分数为2.8%；综上可知正常工况下此车站电压损失满足《供配电系统设计规范》[6]（GB50052-2009）电压偏差允许值为±5%的要求；在车站火灾运行模式下，隧道风机作为消防兼用风机根据前节所述应采用全压直启的方式，风机厂家提资全压直启电流约为额定工作电流的8倍，则在隧道风机全压直启工况下，公式（1）中负荷计算电流：
=（132/0.38/1.732/0.8）*8+78/0.38/1.732/0.8=2153.7A
查表计算可知小里程端环控电控柜进线电缆在隧道风机全压启动工况下电缆瞬时电压损失百分数为17.2%，大里程端环控电控柜进线电缆在隧道风机全压启动工况下电缆瞬时电压损失百分数为22.9%，变压器空载电压取400V，则小里程端环控电控柜进线端配电母线在隧道风机全压启动工况下瞬时电压为400*（1-17.2%）=331V，为额定电压的（331/380）*100%=87.1%，大里程端环控电控柜进线端在隧道风机全压启动工况下瞬时电压为400*（1-22.9%）=308V，为额定电压的（308/380）*100%=81.1%；据前文所述，环控电控柜进线端母线电压应按不低于额定电压的80%（304V）进行控制，同时应保证接触器线圈的电压不低于释放电压，则得出小里程端环控电控柜配电母线瞬时电压331V满足规范母线电压要求值并高于接触器释放电压的要求，大里程端环控电控柜进线端环控电控柜配电母线瞬时电压308V同样满足规范母线电压要求值并高于接触器释放电压的要求，问题在于大里程端环控电控柜进线端环控电控柜配电母线瞬时电压处于接触器线圈额定电压的75%~85%区间范围内，此时接触器处于不可靠工作状态，出现接触器触头反复开闭造成触头拉弧的情况。以上分析与成都地铁18号线通风模式调试过程中远离降压所的环控电控柜多次出现的问题相符合，设计单位线缆选型符合规范要求的母线电压及不低于接触器线圈的释放电压的要求，但因现行工程及设备规范中对接触器线圈在电压为额定电压的75%～85%时未准确定义为释放或是闭合，实际工程建设中当接触器线圈电压处于其额定电压的75%～85%区间范围内时，接触器将处于不可靠的工作状态中，因此发生了火灾事故。
根据此地铁车站通风空调专业的工艺设计，最大工况为区间火灾运行模式，此工况下需投入运行四台132kW隧道风机及6台37kW区间射流风机，400V降压变电所两台变压器各承担2台132kW隧道风机及3台37kW区间射流风机，在执行此模式时若不考虑启动时序的问题，同时直启2台隧道风机及3台区间射流风机，前文已分析单台风机直启时部分远离降压所的环控电控柜进线电缆造成的压降已不满足接触器可靠工作的要求，若同时全压直启2台隧道风机及3台区间射流风机势必造成400V降压所母线产生更大压降，风机基本无法启动成功。
另外环控电控柜进线双电源切换装置欠压保护装置出厂设定动作值为380V，动作延时为0.5秒，据前文分析可知隧道风机全压启动时环控电控柜进线瞬时电压最低将达到307V，故在隧道风机全压直启时环控电控柜进线双电源切换装置欠压保护出现跳闸，必须对欠压保护动作整定值及动作延时按实际调试情况及相关规范要求进行调整。
2.2 解决方案
1.远离降压所环控电控柜进线电压过低问题：设计电缆选型基本满足规范中对于母线电压降（不低于80%）的规定，同时也满足对接触器线圈释放电压（不低于75%）的规定，设计选型满足规范要求，但所选电缆截面使得环控电控柜母线电压恰好处于接触器线圈额定电压的80%～85%不可靠工作电压范围内，最终造成现场设备损毁。解决思路有两条，其一为常规方案，即通过增加环控电控柜进线电缆截面积，使得大风机全压直启瞬时环控电控柜进线端子电压不低于接触器可靠闭合的工作电压即可；其二为非常规方案，即保持电缆截面不变，通过对接触器等对电压质量有要求的接触器等设备进行稳压以保证其正常工作。以下为两种方案的分析对比：
1）增加环控电控柜进线电缆截面积：通过公式（1）的计算可知，要使得大风机全压直启瞬时环控电控柜进线端子电压不低于额定电压的85%（323V），降压所至环控电控柜进线电缆应选择截面积不小于WDZBN-YJY-3x240+2x120双拼电力电缆。则每台隧道风机所在环控电控柜需更换电缆长度约250*2*2=1000米，成都地铁240mm2截面积电缆采购价格约790元/米，增加投资约79万元，大里程端有两台隧道风机环控电控柜，则更换电缆费用将造成增加投资约158万元，同时由于工程已经结束，将造成大量120mm2截面积电缆废弃。此方案在线网电压波动的情况下，若变压器空载电压低于400V较多时，仍可能出现接触器工作电压过低的问题。
2）接触器等设备增加稳压装置：在变压器空载电压为400V时，进线电缆压降计算结果基本满足目前规范的要求，我们存在的仅是母线电压需与接触器可靠工作电压配合的问题，故我们可以认为现电缆型号无需更换，仅对接触器等设备增加稳压装置即可。应对电压暂降及波动我们通常采用的稳压装置为不间断电源（UPS）及动态电压调节器（DVR），两者均可解决瞬间电压骤降问题，区别在与DVR设备一般适用于大容量负载，且所需安装空调较大，需单独规划安装位置，UPS设备一般适用于较小容量负载，且所需安装空间较小，可直接安装于环控电控柜内部剩余空间，无需单独规划安装位置；综上特点，因我们仅需对小里程端环控电控柜内接触器等二次设备进行稳压，两组隧道风机环控电控柜接触器等二次回路所需容量共约3kVA，且地铁车站环控电控室空间一般较为狭窄，同时为保证设备安装的整齐度，建议选用3kVA容量的UPS电源装置为环控电控柜内接触器等二次设备供电并将其安装于环控电控柜内的方案。本方案仅需在大里程端环控电控室安装一台3kVA容量的UPS电源装置，增加投资约5万元，此方案在线网电压波动的情况下，即使变压器空载电压低于400V时，仍可保证接触器等二次设备的正常工作。
依据以上分析对比，采用非常规在接触器等二次回路设备增加UPS稳压装置方案在经济性、可靠性等方面均优于常规增加环控电控柜进线电缆截面积方案。
2、区间火灾运行模式无法直接全压启动问题：地铁通风模式处于最大工况即区间火灾运行模式时，需投入运行四台132kW隧道风机及6台37kW区间射流风机，解决思路为应在首先满足通风专业系统启动时间要求的前提下，尽量减少同时启动的风机容量，可采用分组、分时、错峰、先大后小的启动原则进行全压直启。此站具体启动方式为：4台隧道风机按两组进行分组，每组风机应处于不同变压器负载下，首先启动大容量的隧道风机，每组隧道风机之间错峰15～20秒启动，隧道风机启动10～15秒后错峰启动射流风机。
3、环控电控柜进线双电源切换装置欠压保护跳闸问题：根据《供配电系统设计规范》[6]（GB50052-2009）5.0.4条规定：正常运行情况下，电动机设备端子处电压偏差允许值为±5%，即361V，同时现场实测隧道风机全压启动时间约为8秒，建议将双电源切换装置欠压保护装置设定动作值为361V，动作延时为10秒可躲避设备启动电压波谷的同时满足平时工况下所需的保护功能。
3 结语
1、对地铁非消防专用、消防专用、消防兼用三个类别的较大容量风机启动方式如何选择的问题，本文主要形成了以下两个结论：
1）地铁车站较大容量的非消防专用风机设备及消防兼用风机在非消防工况下，建议采用在配电回路加装软启动器等降压启动的方式，可减少启动电流及冲击转矩延长设备使用寿命，同时减少电机启动瞬间大电流对低压电力系统造成的冲击。
2）地铁车站较大容量的消防专用风机及消防兼用风机在消防工况下，建议消防风机及消防兼用风机在消防工况下应优先考虑采用全压直启的方式，因消防工况为小概率偶发事件，较少次数的全压直启可保证消防突发事件时设备能够可靠启动，同时无需考虑对设备寿命影响。
2、关于在特定模式下，在需多组电机同时投入运行的工况时，如何尽可能的降低电机启动冲击电流对电力系统的影响，建议可按以下原则进行设置：多组大容量风机需在消防工况下投用时，建议按照分组、分时、错峰、先大后小的启动原则进行全压直启，错峰时间应根据现场风机启动试验决定。
3、以上可推出关于今后大容量电机的配电设计问题，在需全压直启的大容量电机配电及控制设备距离降压所较远的情况下，尤其是供电距离大于400m以上时，一味的采用增大供电电缆截面积的方式来减少线路压损以满足规范要求的思路将大大增加有色金属的损耗及工程投资，特别是对于消防兼用风机设备来说，只有在消防事故中才会采用全压直启的方式，绝大部分运行时间为采用降压启动，若按照最不利全压直启工况来选择电缆截面并满足规范要求的配电母线电压降不大于20%势必造成浪费，我们认为在进行电缆选型时可按以下标准进行：
1）进线电缆的选择按额定工况下压降不超过3.75%进行控制是比较经济的，3.5%压降可换算出在降压启动（4倍启动电流）时线路压降为15%，既满足规范要求的配电母线压降不超过20%，同时也满足接触器可靠闭合所需的工作电压（压降不超过15%）。
2）为防止电压过低导致堵转，还应校验电机全压启动时配电母线电压及电机端子电压，使之在电机全压启动时不低于电机启动转矩的临界电压（根据上海电器科学研究所资料，临界电压与额定电压的比值为：在额定负载下，笼型电动机为0.67，绕线转子电动机为0.71，同步电动机为0.5；在额定负载的80%下，同步电动机为0.4；在额定负载的50%下异步电动机为0.4左右[3]）。
3）按以上两点完成进线电缆截面积选型后，若电机全压启动时配电母线电压低于接触器可靠闭合所需的工作电压，应就地增加UPS电源装置单独为接触器等二次回路设备进行稳压，UPS进线电源可取自环控电控柜配电母线。
参考文献：
[1]GB 51298-2018，地铁设计防火标准[S]. 北京：中国计划出版社，2018.
[2]GB50116-2013，火灾自动报警系统设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2014.
[3]刘屏周.工业与民用供配电设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2016：1076-1081，1096.
[4]GB50055-2011，通用用电设备配电设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2012.
[5]GB14048.4-2010，低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）[S].北京：中国标准出版社，2011.
[6]GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].北京：中国标准出版社，2012.
[7]JGJ 16-2008，民用建筑电气设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2008.