鐵路供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

馬晨鵬

（北京電鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100036）

目前，我國(guó)鐵路網(wǎng)建設(shè)正進(jìn)入前所未有的快速發(fā)展時(shí)期，據(jù)相關(guān)計(jì)劃，2010～2012年，鐵路平均每年將完成基建投資6 000億元以上，到2012年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到11萬(wàn)km，同時(shí)將有36條客運(yùn)專線投入運(yùn)營(yíng)。而與此同時(shí)，鐵路系統(tǒng)節(jié)能減排的壓力越來(lái)越大，至“十一五”末，鐵路單位運(yùn)輸收入降耗要達(dá)到20%以上，任務(wù)非常艱巨，因此節(jié)能的理念必須貫徹到鐵路各個(gè)環(huán)節(jié)。作為能耗大戶的供配電系統(tǒng)而言，尤為重要。

鐵路供配電系統(tǒng)承擔(dān)除牽引供電以外所有鐵路負(fù)載的供配電任務(wù)，包括通信信號(hào)系統(tǒng)、鐵路生產(chǎn)、生活以及車站用電等。供配電系統(tǒng)不僅直接保障鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，還關(guān)系到很多鐵路職能部門的正常工作。因此，鐵路供配電系統(tǒng)的節(jié)能必須根據(jù)其特點(diǎn)、要求等進(jìn)行分析，方能滿足鐵路特色要求。

1 鐵路供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

鐵路供配電系統(tǒng)由于行業(yè)特殊性，在系統(tǒng)構(gòu)成、功能等方面存在一些有別于地方電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）電壓等級(jí)低，變、配電所結(jié)構(gòu)單一。鐵路負(fù)荷屬于終端負(fù)荷，直接面對(duì)最終用戶，所以鐵路供配電系統(tǒng)中大多數(shù)為10 kV配電所和35 kV變電所，個(gè)別樞紐站點(diǎn)有110 kV變電所。配電所電壓等級(jí)主要取決于地方電源情況和鐵路負(fù)載要求。

由于功能要求、應(yīng)用范圍基本一致，所以鐵路供配電系統(tǒng)中的變、配電所主接線等構(gòu)成基本相同，設(shè)備配置變化也不大。

（2）系統(tǒng)接線形式簡(jiǎn)單。鐵路供配電系統(tǒng)是沿鐵路敷設(shè)的線狀輻射網(wǎng)，一般沿鐵路兩側(cè)分別架設(shè)10 kV自動(dòng)閉塞線路、10 kV電力貫通線路，相距40～60 km設(shè)變、配電所，相互連接，互為備用。其接線形式如圖1所示。

（3）供電可靠性要求很高。鐵路供配電系統(tǒng)雖然電壓等級(jí)低，接線簡(jiǎn)單，但其負(fù)載中一、二級(jí)負(fù)荷所占比例較高，因此其供電可靠性的要求很高，相鄰配電所倒閘作業(yè)允許中斷供電時(shí)間僅0.6 s。

2 供配電系統(tǒng)能耗分析

供配電系統(tǒng)損耗由固定損耗和運(yùn)行損耗兩部分組成。固定損耗僅與電壓有關(guān)，產(chǎn)生于線路、變壓器及相關(guān)設(shè)備并聯(lián)導(dǎo)納上，如變壓器的勵(lì)磁損耗、架空線路的電暈損耗、信號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)空載損耗等，這部分損耗所占比例較小。運(yùn)行損耗主要產(chǎn)生于線路、變壓器、鐵路各用電設(shè)備的串聯(lián)阻抗上，與系統(tǒng)功率有關(guān)，所占比重較大。各類損耗計(jì)算如下。

（1）線路功率損耗（根據(jù)線路π形等值電路）

*阻抗上的功率損耗：

*線路首端導(dǎo)納上的功率損耗：

（2）變壓器的功率損耗（雙繞組變壓器）

（3）電能損耗

*系統(tǒng)電能損耗率：

*線路全年電能損耗：

*對(duì)于電壓為額定值時(shí)，變壓器全年電能損耗：

由上可見(jiàn)，系統(tǒng)節(jié)能要從降低固定損耗及運(yùn)行損耗兩部分分別入手，兩者相輔相成，下面就這些問(wèn)題進(jìn)行探討。

3 鐵路供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)基本原則

在充分滿足鐵路各類用電負(fù)載功能要求的前提下，減少能源消耗，提高能源利用率，爭(zhēng)取節(jié)約自然資源、社會(huì)資源、投資費(fèi)用相統(tǒng)一。貫徹實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的原則，從使用期前、使用期和使用期后等不同角度進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，不因節(jié)能而過(guò)高增加投資及運(yùn)行費(fèi)用，由節(jié)能增加的投資應(yīng)能在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省得到回收。同時(shí)，電氣專業(yè)要與通信、信號(hào)、建筑、暖通、設(shè)備等相關(guān)專業(yè)密切配合，共同做好節(jié)能設(shè)計(jì)。

4 鐵路供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)細(xì)則

4.1 電源電壓及變、配電所位置選擇

鐵路供配電系統(tǒng)電源電壓應(yīng)根據(jù)負(fù)荷容量、電源線路長(zhǎng)度、地方電網(wǎng)情況等因素綜合比較確定，優(yōu)先采用10 kV電源。35 kV及以上電源供電能力大，電價(jià)較低，可降低運(yùn)營(yíng)成本，故當(dāng)電源線路較長(zhǎng)（大于20 km）、負(fù)荷容量較大（大于6 300 kVA）時(shí)，優(yōu)選35 kV或以上電源。

鐵路負(fù)荷具有點(diǎn)多線長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此合理的變、配電所位置對(duì)提高供電質(zhì)量、減少線損有重要意義。變、配電所位置根據(jù)電源分布、低壓供電半徑、方便檢修等因素綜合考慮，做到高壓深入負(fù)荷中心，并滿足電壓偏差值的要求，設(shè)于鐵路中小站或區(qū)間的變、配電所可根據(jù)實(shí)際采用箱式變電站。

4.2 負(fù)荷計(jì)算

鐵路負(fù)荷涉及專業(yè)多、種類繁、容量差別較大，以往設(shè)計(jì)中經(jīng)常為了保證容量夠用而使系統(tǒng)裕量過(guò)大，造成無(wú)謂浪費(fèi)。因此準(zhǔn)確、合理的負(fù)荷計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、變壓器容量、線纜截面等選擇的基礎(chǔ)，是進(jìn)行配電系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

初步設(shè)計(jì)階段負(fù)荷計(jì)算可采用需要系數(shù)法或單位面積功率法，施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用需要系數(shù)法，同時(shí)與通信、信號(hào)、房建等相關(guān)專業(yè)密切配合，深入了解負(fù)荷分類、特點(diǎn)、用電要求，并把不同負(fù)載持續(xù)率下的額定功率換算為統(tǒng)一持續(xù)率下的設(shè)備功率，合理選擇功率因數(shù)、需要系數(shù)，從而精確計(jì)算負(fù)荷容量。

4.3 變壓器選擇

在整個(gè)供配電系統(tǒng)中，變壓器所占比重最大，因此優(yōu)選變壓器帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)匯總的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果合理選擇變壓器容量和臺(tái)數(shù)，使變壓器經(jīng)常性負(fù)載以在變壓器額定容量的60%為宜，負(fù)荷率在75%～85%范圍內(nèi)，并保持三相負(fù)荷平衡分配。在TN及TT系統(tǒng)中應(yīng)采用D，yn11結(jié)線組別，不應(yīng)繼續(xù)選用Y，ynO結(jié)線組別。同時(shí)在合理分配負(fù)荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺(tái)數(shù)，選用大容量變壓器。

S11變壓器系列是目前廣泛推廣的低損耗變壓器，其空載損耗較S9系列低75%左右，負(fù)載損耗與S9系列相當(dāng)，應(yīng)優(yōu)先選用。

4.4 線纜選擇

低壓電力電纜通常按允許溫升進(jìn)行選擇，并按允許電壓損失、機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)。鐵路車站、站場(chǎng)低壓供電半徑大，線路總損耗相當(dāng)可觀。具體設(shè)計(jì)中，按以下措施降耗。

（1）減少配電級(jí)數(shù)

電纜截面規(guī)格受保護(hù)斷路器整定電流值制約，保護(hù)選擇性要求上、下級(jí)斷路器整定值之間至少相差一級(jí)，若配電級(jí)數(shù)過(guò)多，則整定值將迅速上升，勢(shì)必造成該回路電纜截面的迅速增大而不經(jīng)濟(jì)。因此，需減少配電級(jí)數(shù)。

（2）重要線路選用電導(dǎo)率較小的銅材，普通用電負(fù)荷配電線路，尤其是固定安裝的較大規(guī)格配電母線或電纜，滿足電壓損失、機(jī)械強(qiáng)度以及動(dòng)、熱穩(wěn)定條件時(shí)，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)體載流量、經(jīng)濟(jì)電流密度的要求，優(yōu)先選用鋁導(dǎo)體，并處理好銅、鋁連接。

（3）線路盡可能短捷，避免迂回配線。

（4）合理選擇導(dǎo)線截面，適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)電流密度指標(biāo)。電纜在允許載流量前提下，其電流密度隨截面增大而減小，因此一味選用大規(guī)格電纜并不合理。

4.5 功率因數(shù)補(bǔ)償

提高功率因數(shù)措施主要有提高自然功率因數(shù)，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

一般系統(tǒng)消耗無(wú)功功率中，線路約占10%、變壓器約占20%，負(fù)載占70%，設(shè)計(jì)中應(yīng)正確選擇變壓器等容量，以減少線路感抗，提高用電單位自然功率因數(shù)。

當(dāng)自然功率因數(shù)無(wú)法滿足，應(yīng)采取無(wú)功功率補(bǔ)償措施。鐵路負(fù)荷分散，不同設(shè)備差別較大，優(yōu)先采用配電所集中補(bǔ)償方式，特殊設(shè)備就地補(bǔ)償，保持變壓器低壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。

4.6 諧波抑制

隨著計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等非線性設(shè)備的大量使用，鐵路供配電系統(tǒng)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，其主要諧波源有：照明設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)設(shè)備、整流設(shè)備和空調(diào)等。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)諧波源性質(zhì)、諧波水平等綜合比選補(bǔ)償措施，包括：加裝串聯(lián)電抗器、改善三相不平衡度、加裝有源或無(wú)源濾波器等。

4.7 綠色照明

照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要從提高整個(gè)照明系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)效率來(lái)考慮，現(xiàn)將主要技術(shù)措施分述如下。

（1）正確選擇照度標(biāo)準(zhǔn)

新國(guó)標(biāo)GB50034-2004修訂了原來(lái)低、中、高3檔照度范圍值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)車站等級(jí)、功能和鐵路生產(chǎn)等，對(duì)視覺(jué)的要求參照國(guó)標(biāo)確定合理照度，貫徹“該高則高、該低則低”的原則。

（2）合理選擇照明方式，盡量采用混合照明

（3）使用高光效光源

車站等營(yíng)運(yùn)時(shí)間幾乎沒(méi)有間歇，應(yīng)考慮充分利用自然光、采用高光效光源，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少白熾燈、高壓汞燈使用量，一般室內(nèi)優(yōu)先采用T8或T5緊湊型熒光燈，并采用節(jié)能型鎮(zhèn)流器，站場(chǎng)照明采用金屬鹵化物燈或高壓鈉燈，適當(dāng)考慮采用發(fā)光二極管LED。

（4）采用節(jié)能燈具

（5）使用節(jié)能型鎮(zhèn)流器

（6）車站、站場(chǎng)照明自動(dòng)控制

根據(jù)建筑規(guī)模及功能要求，設(shè)置相應(yīng)的智能自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)不同時(shí)間不同環(huán)境的照度進(jìn)行精確設(shè)置及管理，按需進(jìn)行調(diào)光或降低照度，節(jié)電效果較明顯。此外，還可改善燈具運(yùn)行工作條件，從而延長(zhǎng)燈具壽命，降低運(yùn)維成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

21世紀(jì)是節(jié)能、環(huán)保、低碳的世紀(jì)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在節(jié)能減排等領(lǐng)域擔(dān)負(fù)起時(shí)代責(zé)任，設(shè)計(jì)中合理采用節(jié)能技術(shù)、產(chǎn)品，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。