電氣化鐵路牽引變電所節(jié)能技術(shù)分析

【摘要】隨著鐵路電氣化建設(shè)的不斷加快，用電量也將不斷攀升。從用電總量上來看，作為節(jié)能型交通運(yùn)輸方式的鐵路仍然是用電大戶，提高電氣化鐵路的能源用電效率，將產(chǎn)生可觀的節(jié)能減排效益。本文對牽引變電所的能耗損失進(jìn)行了分析，并針對每種損失闡述了相應(yīng)的節(jié)能措施。

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路；牽引變電所；電能損失；節(jié)能措施

1、電氣化鐵路的組成

鐵路機(jī)車按照牽引動力所使用的能源類別可分為：蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車三種。與此對應(yīng)的鐵路牽引方式也有蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引和電力牽引三種。所謂電力牽引，就是由外電源供給動力車電能的牽引方式。采用電力牽引的鐵路稱為電氣化鐵路。

作為電氣化鐵路牽引動力的電力機(jī)車，本身不帶能源。他必須從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，電能經(jīng)過變換后，輸送到牽引電動機(jī)，使?fàn)恳妱訖C(jī)旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動今兒牽引列車運(yùn)行。因此電氣化鐵路除了一般的鐵路線路、車站、通訊、信號燈設(shè)施外、還包括特殊的牽引供電系統(tǒng)、電力機(jī)車以及相應(yīng)的運(yùn)行、維修和管理單位供電段、電力機(jī)務(wù)段、電力調(diào)度及其主管部門等。

2、國內(nèi)外電氣化鐵路發(fā)展?fàn)顩r

自1897年5月31日，在德國柏林舉行的世界貿(mào)易博覽會上，西門子公司和哈爾斯克公司展出了世界第一條電氣化鐵路以來，迄今，已經(jīng)歷了120多年。我國電氣化鐵路是從20世紀(jì)50年代初開始籌劃的。當(dāng)時(shí)，主要是討論采用什么樣的電流制與多高的額定電壓。經(jīng)過反復(fù)研究論證，結(jié)合國內(nèi)外情況，確定我國電氣化鐵路采用工頻單相25KV交流制。截至2007年底，全國鐵路電氣化里程達(dá)到24433公里，電氣化率達(dá)到27%，使機(jī)車牽引效率提高了2/3。2008年10月31日，《中長期鐵路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》經(jīng)國家批準(zhǔn)正式頒布實(shí)施。調(diào)整規(guī)劃明確了到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬公里以上的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與布局方案，其中客運(yùn)專線及城際鐵路達(dá)到1.6萬公里以上，復(fù)線率和電化率分別達(dá)到50%和60%以上，主要繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線。

然而，隨著特魯電氣化建設(shè)的不斷加快，用電量也將不斷攀升。從用電總量上來看，作為節(jié)能型交通運(yùn)輸方式的鐵路仍然是用電大戶，提高電氣化鐵路的能源用電效率，將產(chǎn)生可觀的節(jié)能減排效益。

3、牽引變電所對電能損失分析

與牽引變電所相關(guān)的能量損失主要有兩個部分，一部分是牽引變電所自身造成的能量損失，主要由牽引變壓器引起的電能損失。另一部分是由電氣化鐵路供電的特殊性引起的電力系統(tǒng)中的電能損失以及對電力系統(tǒng)中設(shè)備造成影響，其中主要是電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流、諧波電流以及牽引負(fù)荷的低功率因數(shù)造成的電能損失。

1）牽引變電所變壓器引起的電能損失。牽引變壓器的電能損失占整個電氣化鐵路電能損失的很大比重，由空載損耗和負(fù)載損耗兩部分組成，可分別通過變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)而得到。

2）牽引變電所負(fù)序引起的電能損失。牽引負(fù)荷是一種單相電力負(fù)荷，具有單相獨(dú)立性和不對稱性，破壞了電力系統(tǒng)地三相對稱性，產(chǎn)生負(fù)序電流。負(fù)序電流對電機(jī)、變壓器都會造成影響，引起電能損失。經(jīng)過研究分析，負(fù)序電流還會增大電網(wǎng)損耗。

3）牽引負(fù)荷諧波引起的電能損失分析

對于整個電力系統(tǒng)來講，電氣化鐵路是一個很大的諧波源，對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成了不良的影響，其中就包括電能的損失。由于諧波的存在，使整個電氣化鐵路中的發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、變壓器都會產(chǎn)生電能損失。尤為重要都是，諧波電流還會引起電力系統(tǒng)內(nèi)的諧振。

4）牽引負(fù)荷的低功率因數(shù)引起的電能損失分析

過低的功率因數(shù)可以造成發(fā)電和輸變電過程的損失，也可以造成輸電網(wǎng)絡(luò)的電能損失。功率因數(shù)低將使得發(fā)電機(jī)組的輸出能力和輸變電設(shè)備的供電能力降低，使電氣設(shè)備的效率降低，發(fā)電和輸變電的成本提高。功率因數(shù)低將增加輸電網(wǎng)絡(luò)中的功率損失和電壓損失，造成系統(tǒng)中的電能損失。

4、牽引變電所的節(jié)能措施

1）牽引變壓器節(jié)能。要達(dá)到兩個目標(biāo)，一個是合理選擇變壓器的類型。不同類型、不同容量的變壓器電能損失不同，選擇節(jié)能型牽引變壓器，即要求牽引變壓器的空載損耗與短路損耗之比為1/5～1/6，甚至更小，并且兩種損耗的值也比較小，效率達(dá)99%以上。另一個目標(biāo)是合理選擇牽引變壓器的容量。從經(jīng)濟(jì)上計(jì)算，如果適當(dāng)增大牽引變壓器容量而引起的一次投資與基本電費(fèi)費(fèi)用增加，可以在近期內(nèi)被減少的牽引變壓器電能損失支出的費(fèi)用補(bǔ)償，則是當(dāng)增大牽引變壓器容量是有意義的。

2）降低負(fù)序電流造成的損失。為了整體減少進(jìn)入電力系統(tǒng)負(fù)序分量，采用牽引變電所換接相序的措施。所謂換接相序，就是指個相鄰牽引變電所牽引變壓器的原邊各端子輪換接入電力系統(tǒng)中不同的相。如果各牽引變電所由統(tǒng)一電力系統(tǒng)供電，則各牽引變電所的牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的總負(fù)序電流與每個牽引變電所引入的相序有關(guān)。為了達(dá)到減小單相牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流，減輕對電力系統(tǒng)負(fù)序影響的目的，通常采用牽引變電所換接相序的措施。

3）降低諧波及低功率因數(shù)造成的損失。在牽引變電所牽引側(cè)裝設(shè)并聯(lián)補(bǔ)償電容裝置不僅可以減少諧波的影響，而且，又是提高牽引負(fù)荷功率因數(shù)的一種措施。

4）牽引網(wǎng)電壓補(bǔ)償。提高牽引網(wǎng)電壓常見的方法有：縮短牽引網(wǎng)供電臂長度；加大饋線截面或增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線；采用串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置；采用單相自耦調(diào)壓器或增壓器；采用AT供電方式，提高饋電電壓。

結(jié)束語

以上是針對電氣化鐵路的牽引變電所涉及到的電能損失及相應(yīng)的節(jié)能措施展開的討論，希望能對初學(xué)者有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

孫世凱（1975.8-），男，中交隧道工程局有限公司，研究方向：道路橋梁交通工程、建筑電氣工程及其自動化。