大型國際機(jī)場航站樓用電負(fù)荷研究

但目前行業(yè)內(nèi)沒有大型機(jī)場航站樓的變壓器容量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，因此研究該類建筑變壓器容量實(shí)際負(fù)荷密度值，對建設(shè)平安、綠色的大型國際機(jī)場航站樓電氣設(shè)計(jì)具有重大意義。

1 工程概況

廣州白云國際機(jī)場一號航站樓首期工程面積約為37萬m2(如圖1所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槭灼诠こ?，由主樓、東連接樓、西連接樓和東、西4條指廊(E1、E2、W1、W2)及東、西設(shè)備房等組成。本項(xiàng)目共分為4層，包括地下1層與地上3層，其中負(fù)一層通往地鐵、停車場和機(jī)場酒店，首層為到達(dá)、接機(jī)大廳和商業(yè)層，二層為到達(dá)夾層，三層為出發(fā)、候機(jī)大廳。作為我國三大樞紐機(jī)場之一，廣州白云國際機(jī)場一號航站樓首期工程以滿足2010年旅客吞吐量2 500萬人次設(shè)計(jì)，于2004年8月落成啟用。該航站樓建筑規(guī)模是當(dāng)時(shí)國內(nèi)各機(jī)場航站樓之最，樓內(nèi)所有設(shè)施設(shè)備均達(dá)到當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平。

圖1 一號航站樓總平面圖

2 供電系統(tǒng)介紹

廣州白云國際機(jī)場一號航站樓首期工程共設(shè)14個10 kV變電所，包括主變電所8個、分變電所6個，其中包含東、西設(shè)備房為冷源設(shè)備服務(wù)的2個主變電所。

本項(xiàng)目變電所名稱、變壓器安裝及服務(wù)范圍情況如表1所示。

表1 各變電所壓器安裝容量及服務(wù)范圍

各變電所平面布置與服務(wù)范圍如圖2所示。

圖2 一號航站樓首期變電所平面布置與服務(wù)范圍

3 10 kV供電系統(tǒng)與運(yùn)行方式

一號航站樓首期工程8個10 kV主變電所分別從機(jī)場南110 kV變電站不同主變壓器的母線段引來兩路10 kV電源，兩路10 kV電源同時(shí)工作，100 % 互為備用，共引入16路10 kV電源。正常情況下，兩路10 kV電源同時(shí)供電，各帶約50 % 負(fù)荷，每路10 kV電源供電容量約為6 000 kVA;當(dāng)一路電源故障時(shí)，另一路電源可承擔(dān)兩段母線上所有負(fù)荷，供電容量約為12 000 kW。具體詳見圖3。

圖3 10kV供電系統(tǒng)示意圖

除6 kV空調(diào)制冷主機(jī)專用變壓器外，其它變壓器每兩臺一組，采用單母線分段運(yùn)行方式。其中東、西設(shè)備房空調(diào)冷源水泵專用變壓器設(shè)計(jì)負(fù)荷率約75 %，當(dāng)一臺變壓器或進(jìn)線電源故障時(shí)，手動斷開該變壓器進(jìn)線斷路器，切除部分負(fù)荷，再手動合閘聯(lián)絡(luò)斷路器，由另一臺變壓器帶兩段母線上的重要負(fù)荷;其它變壓器正常時(shí)負(fù)荷率均不大于50 %，當(dāng)一臺變壓器或進(jìn)線電源故障時(shí)，采用自投的運(yùn)行方式由另一臺變壓器帶兩段母線上全部負(fù)荷，兩臺變壓器100 %互為備用。

4 變壓器安裝指標(biāo)

本工程共安裝變壓器44臺，總安裝容量為87 000 kVA。其中空調(diào)冷源安裝變壓器12臺，安裝容量為24 000 kVA;航站樓內(nèi)安裝變壓器32臺，變壓器安裝容量為63 000 kVA。各區(qū)域變壓器容量與各類負(fù)荷變壓器指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 各區(qū)域變壓器容量與各類負(fù)荷變壓器指標(biāo)

5 運(yùn)行數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析

2012年5月筆者采集了一號航站樓首期工程2006 ~ 2011年共6年的各變壓器低壓側(cè)與10 kV專線電源進(jìn)線回路電流的原始運(yùn)行數(shù)據(jù)。經(jīng)過初步分析，由于2007年、2008年的日報(bào)表不完整，為了避免誤差，筆者直接將這兩年的數(shù)據(jù)排除;而2012年后的運(yùn)行數(shù)據(jù)暫時(shí)無法完整取得，根據(jù)調(diào)研結(jié)果判斷2012年前運(yùn)行數(shù)據(jù)基本能代表一號樓首期工程用電負(fù)荷的實(shí)際需求，因此本次重點(diǎn)研究2006年與2009 ~ 2011年共4年的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在這些有效年份的數(shù)據(jù)中各變壓器低壓側(cè)(最大相)與10 kV專線電源進(jìn)線回路每日電流最大值均包含正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行的情況：變壓器非正常運(yùn)行情況為其中一臺變壓器檢修或故障(包括電源故障)退出運(yùn)行、由另一臺變壓器帶兩段低壓母線，引起該組變壓器中的一臺變壓器日最大電流值為“0”而另一臺的最大電流值明顯高于正常運(yùn)行值;同樣，10 kV電源的非正常運(yùn)行情況為一路10 kV進(jìn)線故障或檢修造成系統(tǒng)一用一備運(yùn)行或一組變壓器中其中一臺退出運(yùn)行、由另一臺帶兩段低壓母線運(yùn)行，引起相應(yīng)的10 kV電源系統(tǒng)一路進(jìn)線日最大電流為“0”或明顯低于正常運(yùn)行值，而另一路10 kV電源日最大電流明顯高于正常運(yùn)行值。這些非常規(guī)運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)點(diǎn)為壞點(diǎn)，會影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，所以必須排除。

排除壞點(diǎn)的方法(以變壓器為例)：

a. 將各變電所的數(shù)據(jù)整理到同一個文件夾內(nèi)。

b. 將每臺變壓器的報(bào)表以月為單位分組。

c. 將同一變壓器每日電流最大值編號為X1~Xn(n個數(shù)據(jù))，用萊茵達(dá)準(zhǔn)則對非常規(guī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行排除。萊茵達(dá)準(zhǔn)則：設(shè)對被測量樣本進(jìn)行等精度測量，獨(dú)立得到樣本值x1，x2 …… xn，算出其算術(shù)平均值μ及剩余誤差vi(i = 1，2，……，n)，并按貝塞爾公式算出標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，若某個測量值xb的剩余誤差vb(1 ≤ b ≤ n)，滿足| vb | = | xb - μ | > 3σ，則認(rèn)為xb是含有粗大誤差值的壞值，應(yīng)予以剔除。計(jì)算公式如下：

式中：μ—— 樣本算術(shù)平均值;

xi —— 樣本值;

n —— 樣本個數(shù);

σ —— 標(biāo)準(zhǔn)差;

vi —— 剩余誤差(i = 1，2，……，n)。

以月為單位，根據(jù)萊茵達(dá)準(zhǔn)則將所采集每日數(shù)據(jù)求均值和標(biāo)準(zhǔn)差，凡數(shù)據(jù)滿足 |xb - μ | > 3σ，則剔除該數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)。

6 數(shù)據(jù)整合

顯著性水平α是假設(shè)檢驗(yàn)中的一個概念，是指當(dāng)原假設(shè)正確時(shí)卻把它拒絕了的概率或風(fēng)險(xiǎn)。它是公認(rèn)的小概率事件的概率值，必須在每一次統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)之前確定，通常取α = 0. 05或α = 0. 01。這表明，當(dāng)作出接受原假設(shè)的決定時(shí)，其正確的可能性(概率)為95 % 或99 %。換句話說，就是給一組數(shù)據(jù)定義一個區(qū)間范圍，不在這個區(qū)間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率就叫顯著性水平。

查“相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表”可得，雙側(cè)界值為P5和P95測得的值應(yīng)取落在(μ - 1. 64σ，μ + 1. 64σ)之間。以每個月的數(shù)據(jù)為單位，去除壞點(diǎn)后，重新求得均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ。取顯著性水平α = 0. 10，雙側(cè)界值為P5(5 %)和P95(95 %)，查“相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表”可得，(μ - 1. 64 σ，μ + 1. 64σ)之間的數(shù)值為有效值。取有效值后再求均值，最后比較全年12個月的均值，取最大值作為全年峰值。

最后整理出各變壓器與10 kV進(jìn)線回路年運(yùn)行峰值負(fù)載率，如圖5 ~ 圖6所示。

圖5 設(shè)備機(jī)房各變壓器年峰值負(fù)載率對比

圖6 樓內(nèi)10kV進(jìn)線年峰值負(fù)載率對比

由相關(guān)變壓器年有效峰值運(yùn)行電流和乘以工作電壓，再除以功率因數(shù)與建筑總面積推導(dǎo)出峰值負(fù)荷密度值。各統(tǒng)計(jì)口徑下每年峰值負(fù)荷密度值與變壓器平均峰值(各變壓器峰值)負(fù)載率詳見表3。

表3 年峰值負(fù)荷密度值與變壓器平均峰值

根據(jù)上述分析結(jié)果，得出一號航站樓首期空調(diào)冷源的負(fù)荷密度值為53 W/m2，建筑類負(fù)荷的負(fù)荷密度值為40. 1 W/m2，航站樓內(nèi)負(fù)荷的負(fù)荷密度值為58. 3 W/m2。由空調(diào)冷源負(fù)荷密度最大值與航站樓內(nèi)負(fù)荷密度最大值相加，得到航站樓總負(fù)荷密度值為111. 3 W/m2。

7 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

對一號航站樓首期用電負(fù)荷情況進(jìn)行長期跟蹤與深入研究后可以看到，航站樓各變壓器與10 kV進(jìn)線最高運(yùn)行負(fù)載率偏低、用電負(fù)荷高峰時(shí)段不一致、旅客吞吐量增長情況對變壓器與10 kV進(jìn)線負(fù)載率影響不明顯，具體情況如下：

a. 一號航站樓內(nèi)變壓器最高運(yùn)行負(fù)載率為27.3 % ~ 36 %，約為設(shè)計(jì)值的55 % ~ 72 %。原因分析：①登機(jī)橋用電、飛機(jī)機(jī)艙專用空調(diào)、機(jī)用400 Hz電源等空側(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間短，整體而言空側(cè)設(shè)備與弱電系統(tǒng)、行李處理系統(tǒng)、餐飲廚房等負(fù)荷同期系數(shù)低。②建筑采光良好，晴朗白天高大公共空間場所幾乎不需要人工照明，故不同用電負(fù)荷的用電高峰(如18：00 ～ 24：00大空間照明用電高峰、8：00 ～ 17：00辦公用電高峰與11：00 ～ 16：00空調(diào)用電高峰)自然錯開。③空調(diào)風(fēng)柜變頻控制節(jié)能效果良好，如部分空調(diào)風(fēng)柜變頻器秋冬季時(shí)工作頻率低至35 Hz，夏季為45 Hz，其對應(yīng)輸出功率僅為額定輸出的35 %和73 %。

b. 樓內(nèi)各區(qū)域用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)時(shí)間不一致。其原因包括航站樓面積大、負(fù)荷類型多、平面功能復(fù)雜。變壓器運(yùn)行情況如下：①在使用空調(diào)的季節(jié)，設(shè)備房(空調(diào)制冷機(jī)房)變壓器與10 kV進(jìn)線運(yùn)行負(fù)載率長期接近峰值;而在非空調(diào)季節(jié)空調(diào)冷源專用變壓器關(guān)停，其10 kV進(jìn)線負(fù)載率很低。②樓內(nèi)用電高峰期集中在8 ~ 10月的上午6：00 ~ 9：00與下午15：00 ~ 20：00之間。③指廊空側(cè)設(shè)備用電變壓器負(fù)載率相對較高，但高峰期較短，且與建筑變壓器負(fù)載率峰值不同步。

c. 2006 ~ 2010年旅客吞吐量由2 600萬增長到4 000萬人次，到2017年旅客吞吐量穩(wěn)步增長到6500萬人次(含二期)，但變壓器與10 kV進(jìn)線高峰負(fù)載率變化卻不大。主要原因分析：①航站樓內(nèi)50 % 以上的區(qū)域?yàn)槁每凸矃^(qū)域，公共區(qū)域中的空調(diào)、照明、航顯標(biāo)識、廣告等用電量對客流量的敏感度不高。②航站樓面積大、每天的營運(yùn)時(shí)間長，并受空域條件影響，同一時(shí)間內(nèi)單位面積旅客高峰人數(shù)與進(jìn)出港高峰航班數(shù)量增長不大;旅客吞吐量增加主要靠延長每天的營運(yùn)時(shí)間，并將每天的高峰與次高峰運(yùn)營時(shí)間延長等措施實(shí)現(xiàn)，因此變壓器每天的高峰負(fù)載率運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)延長、平均負(fù)載率提高，但最高運(yùn)行負(fù)載率增長不大。③運(yùn)營管理部門不斷采取節(jié)能減排措施，進(jìn)行有針對性的節(jié)能降耗管理，降低旅客的人均能耗量。

d. 航站樓內(nèi)各區(qū)域負(fù)荷分布不均勻，指廊區(qū)域由于有大量空側(cè)設(shè)備，負(fù)荷密度較高。但除工藝類負(fù)荷設(shè)備外，建筑類負(fù)荷各區(qū)域的負(fù)荷密度基本一致。

e. 樓內(nèi)各變壓器負(fù)載率峰值與10 kV進(jìn)線負(fù)載率峰值基本同步，但總體上10 kV進(jìn)線負(fù)載率峰值比變壓器負(fù)載率峰值低10 % ~ 15 %。

f. 一號航站樓2006 ~ 2011年運(yùn)行負(fù)荷基本穩(wěn)定，實(shí)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)論可靠性高，可作為大型國際機(jī)場航站樓負(fù)荷計(jì)算的參考依據(jù)。

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