城軌交通系統(tǒng)地面吸能裝置應(yīng)用分析

祖 健，韓鳳喜，高 雪

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266000；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266000）

0 前言

國內(nèi)城軌交通線路的大力發(fā)展，以其安全、舒適、環(huán)保、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，對改善出行、解決道路擁堵、減少空氣污染、加快調(diào)整城市布局效果顯著。城軌車輛在制動時(shí)會產(chǎn)生大量能量，該能量往往被傳統(tǒng)車輛上攜帶的制動電阻所消耗。車載制動電阻的方式，既阻礙列車的輕量化和運(yùn)動性能，又不符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段已有諸多城市線路在地面設(shè)置了地面吸能裝置，進(jìn)而取消車載制動電阻，提高了車輛性能、改善隧道環(huán)境并降低車輛成本。甚至可將車輛制動能量反饋公共電網(wǎng)以達(dá)到能量回收利用的作用。地面吸能技術(shù)日趨成熟，但也存在不可忽視的問題。文獻(xiàn)[1-2]介紹了地面制動電阻和深圳地鐵2號線工程再生電能吸收裝置方案，凸顯了地面制動電阻具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提出合理解決制動電阻的通風(fēng)散熱問題是方案關(guān)鍵。文獻(xiàn)[3]介紹了幾種地面吸能技術(shù)和原理，并以北京地鐵10號線應(yīng)用為例，研究了其能量回饋效果和供電品質(zhì)。文獻(xiàn)[4]以廣州地鐵4號線地面制動電阻為例，介紹了牽引變電所地面制動電阻的原理和技術(shù)參數(shù)，提出其控制要適應(yīng)列車制動特性和行車要求。本文介紹了國內(nèi)城軌交通系統(tǒng)設(shè)置地面吸能裝置的應(yīng)用情況，介紹了工作原理和不同吸能方式的優(yōu)勢與存在問題，為國內(nèi)地鐵車輛設(shè)計(jì)和使用提供參考。

1 城軌交通系統(tǒng)地面吸能應(yīng)用情況

通過實(shí)地考察了國內(nèi)若干城市，了解到城軌交通系統(tǒng)設(shè)置地面吸能裝置相關(guān)應(yīng)用情況，同時(shí)梳理了車輛設(shè)置車載制動電阻的情況。

1.1 北京

北京地鐵自5號線（2007年10月8日開通）以后的線路開始，已全部取消車載制動電阻，主要包括4、8、14、15、16號線和昌平線二期，車輛上僅保留用于“削峰”的小容量過壓保護(hù)電阻。其中，15號線西段關(guān)莊至清華東路7站中每隔一站安裝一臺地面能饋裝置（共4個(gè)站），中間站安裝地面吸收電阻（3站），截至2017年1月1日已運(yùn)營兩年。昌平線二期，全線安裝地面能饋裝置，已運(yùn)營兩年。北京16號線，全線安裝地面能饋裝置，已運(yùn)營近1年。詳細(xì)信息如表1所示。

表1 北京地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應(yīng)用情況

1.2 重慶

重慶地鐵正在運(yùn)營的4條線路均不設(shè)車載制動電阻，車輛上僅保留小容量的過壓保護(hù)電阻。2號線全線安裝地面電阻吸收裝置，已運(yùn)營12年。1號線、3號線和6號線全線安裝地面能饋/電阻混合吸收裝置，已分別運(yùn)營6年、4年和2年。詳細(xì)信息如表2所示。

1.3 鄭州

鄭州地鐵正在運(yùn)營的3條線路均不設(shè)車載制動電阻，車輛上僅保留尺寸較小的過壓保護(hù)電阻。1號線一期全線安裝地面能饋/電阻混合吸收裝置，已運(yùn)營4年，二期全線安裝地面能饋裝置，預(yù)計(jì)2018年開通。2號線全線安裝地面電阻吸收裝置，已運(yùn)營1年。城郊線安裝地面能饋裝置，于2017年開通。詳細(xì)信息如表3所示。

表2 重慶地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應(yīng)用情況

表3 鄭州地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應(yīng)用情況

1.4 青島

目前，青島地鐵3號線已正式運(yùn)營，4條線路正在建設(shè)，其中13號線全線設(shè)置地面能饋裝置，3號線在匯泉廣場站設(shè)置了1套地面能饋裝置，在延安三路站設(shè)置了一套超級電容儲能裝置。詳細(xì)情況見表4。

表4 青島地鐵應(yīng)用現(xiàn)狀

1.5 其他城市

通過其他方式，調(diào)研了廣州、南京、天津、昆明、長沙、成都等城市地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應(yīng)用情況。廣州4、5、6號線因?yàn)槭褂弥本€電機(jī)取消了車載制動電阻，使用地面吸收裝置；長沙和成都在建線路有取消車載制動電阻的趨勢，其中長沙使用地面能饋裝置。其他城市都保留了車載制動電阻，使用能饋裝置處于試驗(yàn)階段。其他城市調(diào)研情況見表5。

表5 其他城市取消車載制動電阻及地面能饋應(yīng)用情況

2 吸能方式比較分析

不設(shè)置車載制動電阻，車輛制動過程中所產(chǎn)生的電制動能量主要通過以下幾種方式進(jìn)行吸收，具體情況如下。

2.1 僅地面電阻吸收方式

重慶1號線、鄭州2號線采用了這種吸收方式。該方式控制簡單，可以取消車載制動電阻，降低車輛投資，提高列車動力性能；能夠降低隧道溫度、優(yōu)化隧道環(huán)境，減小散熱和通風(fēng)設(shè)備的壓力；國內(nèi)產(chǎn)品成熟，成本較低。

再生制動能量直接通過地面電阻吸收集中發(fā)熱消耗掉，無法進(jìn)行再利用；地面電阻散熱會引起環(huán)境溫度上升，如果裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)，電阻柜需單獨(dú)放置，并安裝通風(fēng)裝置散熱；若電阻設(shè)置在地面上，散熱、噪音問題會影響周圍環(huán)境。從節(jié)能環(huán)保的角度，不代表再生制動能量吸收技術(shù)的發(fā)展方向。

圖1 地面純電阻吸收

2.2 僅地面能饋裝置吸收方式

北京16號線、昌平線二期，鄭州1號線二期、城郊線采用了這種吸收方式。該方式可以最大限度的將線路上車輛無法吸收，多余的再生制動能量，進(jìn)行回收再利用，且不產(chǎn)生高熱。從綠色環(huán)保的角度來看，這是未來再生制動能量吸收技術(shù)的發(fā)展方向，目前受產(chǎn)品材料、電力電子器件及技術(shù)成熟度的制約，全面推廣還存在一些困難。

圖2 地面能饋裝置吸收

2.3 地面電阻與能饋裝置共同吸收方式

重慶2、3、6號線，北京15號線，鄭州地鐵1號線一期采用這種吸收方式。地面能饋/電阻混合吸收方式能夠?qū)⒉糠衷偕苿幽芰?，進(jìn)行回收再利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。其他特點(diǎn)同僅地面電阻吸收方式描述。此種方式在工程應(yīng)用中需要處理好地面能饋裝置與吸收電阻的容量匹配關(guān)系。

圖3 地面電阻和地面能饋裝置共同吸收

2.4 地面電容裝置吸收方式

電容吸收方式由快速斷路器、電壓傳感器、蓄能電容等構(gòu)成。電容并聯(lián)在電網(wǎng)上，若列車處于再生制動使電網(wǎng)電壓抬高時(shí)，電容通過開始吸收該部分能量（電網(wǎng)向電容充電）。電容吸收方式主電路原理見圖4所示。

由于電容頻繁處于充、放電狀況，電容的使用壽命短；由于短時(shí)吸收功率大，組合電容多，設(shè)備占地面積大、維護(hù)工作量繁重；而且提高了運(yùn)營成本。蓄能電容吸收率一般在50%～60%，如果要應(yīng)用在制動能量比較大的線路，蓄能電容充滿電后將無法吸收更多電能，還必須增加電阻吸收。因此電容吸收方式應(yīng)用很少。

3 地面吸能裝置優(yōu)勢

3.1 車輛優(yōu)勢明顯

3.1.1 車輛減重

傳統(tǒng)城軌車輛一般配置4臺車載制動電阻，約300～500千克/臺。取消后單列車車重降低約1.2～2噸，降低車輛約2%的供電能耗，增加車輛動力性能，增加25人的運(yùn)載能力。

3.1.2 降噪

車載制動電阻發(fā)熱嚴(yán)重，需要大功率風(fēng)機(jī)散熱，噪音較大，取消制動電阻和散熱風(fēng)機(jī)會使車輛噪音降低，改善車輛的環(huán)境質(zhì)量。

3.1.3 降低隧道溫升

車載制動電阻發(fā)熱會使隧道和車站環(huán)境溫度升高，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，制動電阻運(yùn)行溫度約200℃，工作時(shí)出風(fēng)口1米處的溫度可以達(dá)到130℃，隧道內(nèi)環(huán)境溫度會顯著升高。取消車載制動電阻可以降低隧道溫升，改善隧道環(huán)境，降低散熱通風(fēng)設(shè)備的能耗，環(huán)控負(fù)荷可降低約50%。

3.1.4 提升車輛可靠性和安全性

取消車載制動電阻可以簡化牽引系統(tǒng)，提升系統(tǒng)可靠性，減少車輛維護(hù)的工作量；降低車輛火災(zāi)隱患，提升運(yùn)營的安全性。

3.1.5 降低車輛采購成本

降低車輛的一次采購成本，每列車制動電阻總造價(jià)約40萬元，可削減此部分費(fèi)用；制動電阻數(shù)量不會隨車輛配置數(shù)同步增加，節(jié)省投資。

3.2 地面能饋裝置情況

3.2.1 能饋裝置的類型

目前能饋裝置主要分為低壓能饋裝置和中壓能饋裝置，低壓能饋裝置將再生制動能量回饋到AC400V低壓交流網(wǎng)側(cè)，如重慶地鐵2、3、6號線；中壓能饋裝置將再生制動能量回饋到10 kV或35 kV中壓環(huán)網(wǎng)上，如北京地鐵15、16號線，昌平線二期，鄭州地鐵1號線、城郊線。低壓能饋和中壓能饋裝置特點(diǎn)如下。

低壓能饋裝置將再生制動能量回饋到AC400V低壓交流網(wǎng)側(cè)，供動力照明使用，由于動力照明系統(tǒng)消耗能量有限，因此低壓回饋裝置普遍容量不高，一般在1 MW以下，需配合地面吸收電阻使用，能量主要還是通過熱能形式消耗。

中壓能饋裝置將再生制動能量回饋到10 kV或35 kV中壓環(huán)網(wǎng)，通過中壓供電網(wǎng)絡(luò)，由相鄰站的車輛、動力照明系統(tǒng)使用其電能，達(dá)到最大的能量回收再利用效果。目前國內(nèi)使用的中壓能饋裝置的容量最大可到4 MW左右。

3.2.2 能饋裝置可靠性

由于電子器件更多，控制更復(fù)雜，能饋裝置的故障率略高于地面吸收電阻。故障后設(shè)備會自動從電網(wǎng)中切除，相對較多的故障包括IGBT短路擊穿、過流、過壓故障等。由于線路上其他車輛和能量吸收裝置的存在，單個(gè)能饋裝置故障切除不會影響車輛日常運(yùn)營。地鐵用戶普遍反映：上線列車數(shù)量越多，能饋裝置使用率越低，故障率相應(yīng)減少。能饋裝置在投入使用前，需要先單獨(dú)完成調(diào)試，再與車輛進(jìn)行配合試驗(yàn)，確保相關(guān)參數(shù)設(shè)置匹配和性能最優(yōu)。

3.2.3 能饋裝置檢修維護(hù)

地面能饋裝置的日常維護(hù)主要是清掃工作，與變電所內(nèi)其他電氣設(shè)備一同大修。一般來說10～13年需要大修一次，檢修時(shí)切除單站的能饋裝置，完成檢修后重新掛網(wǎng)運(yùn)行，再檢修下一站。3.2.4能饋裝置成本和效益

受線路條件、車輛密度、能饋裝置類型和容量等條件的影響，不同城市能饋裝置的節(jié)電數(shù)據(jù)差異較大。北京10號線使用中壓能饋裝置，年節(jié)約電能65萬度；14號線使用中壓能饋裝置，年節(jié)約電能80萬度；鄭州地鐵1號使用中壓能饋裝置，線年節(jié)約電能35萬度；重慶地鐵1、3、6號線使用低壓能饋裝置，年節(jié)約電能10～20萬度?？梢娭袎耗莛佈b置節(jié)能效果更好。根據(jù)本次調(diào)研的數(shù)據(jù)，單套中壓能饋設(shè)備價(jià)格在200萬左右，以北京10號線為例，年節(jié)約電能65萬度，一度電的價(jià)格為0.8元左右，每年節(jié)省電費(fèi)50萬元，4～5年即可收回設(shè)備成本。能饋裝置壽命大概為10年。

3.2.5 能饋裝置可以雙向運(yùn)行

能饋裝置一般作為能量回饋裝置使用，實(shí)際具備整流供電功能，可以為牽引網(wǎng)提供電能。長沙1號線即開啟了能饋裝置的供電功能，在牽引網(wǎng)電壓低于閾值時(shí)，主動開啟穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓。雙向供電是能饋裝置未來的趨勢，可以部分或完全替代二極管整流機(jī)組。

3.3 能量回收

能饋吸收方式則是利用電力電子器件構(gòu)成逆變器，將車輛再生制動產(chǎn)生的電能逆變成工頻交流電饋送交流35 kV電網(wǎng)、10 kV電網(wǎng)，或380 V交流電與車站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)，消耗在站內(nèi)電梯、通風(fēng)、照明等用電設(shè)施上。采用能饋吸收方案有利于能源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。實(shí)測鄭州某一牽引供電所單日回收發(fā)電量800～1 000 kWh，如表6。

表6 鄭州地鐵某一牽引供電所日發(fā)電量

4 總結(jié)建議

綜上所述，城軌交通系統(tǒng)設(shè)置地面吸能裝置，可以取消車載制動電阻，具有節(jié)能環(huán)保、提高能效等優(yōu)勢。地面電阻吸能技術(shù)較成熟，是城軌車輛的穩(wěn)定運(yùn)行的保障；而能饋吸能技術(shù)具備節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，是吸能技術(shù)的發(fā)展方向，前景廣闊；而單一能饋技術(shù)存在可靠性不高、造價(jià)高等問題，是全面推廣所必須面對和解決的問題。

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