城市軌道交通工程供配電節(jié)能措施分析

方 健

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢 430065）

城市軌道會(huì)在不遠(yuǎn)的將來逐漸成為交通的主導(dǎo)方向，根據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前我國(guó)已有14個(gè)省份已經(jīng)建全了城市軌道交通，其中較多的是特級(jí)城市以及一線城市，但是相信在不久的將來二、三線城市的城市軌道交通也會(huì)逐漸興起，一套良好的供電體系對(duì)于城市軌道系統(tǒng)來說是極具重要意義的，因此管部門在做電力部署時(shí)要需要節(jié)能意識(shí)、選擇合適的導(dǎo)線、合適的變壓器容量來減少供電系統(tǒng)在供電時(shí)所消耗的能量。城市軌道指的是車輛在城市內(nèi)特定的軌道進(jìn)行運(yùn)行，其大部分多由電力供能。城市軌道交通工具主要可以分為有軌電車、磁懸浮列車、地鐵、單軌交通等幾大類型。近幾年來城市軌道的建設(shè)得到了國(guó)家的大力支持因?yàn)槠鋼碛邪踩愿摺⒖旖轀?zhǔn)時(shí)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，深受出行者的青睞。

1 城市軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國(guó)處于發(fā)展中國(guó)家在此方面起步較晚，在2000年時(shí)國(guó)內(nèi)只有北上廣投入使用。據(jù)完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)開通的其軌道線路有165條，軌道運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到5033千米，其中地鐵占比77.2%長(zhǎng)度約為3884千米，剩余的1149千米則是其他城軌交通工具，現(xiàn)在擺在眼前的是節(jié)能問題，近些年由于我國(guó)資源的過度采集使用，資源已經(jīng)變得供不應(yīng)求了。只有合理對(duì)資源進(jìn)行節(jié)能和重利用，才可以符合我國(guó)未來軌道技術(shù)的發(fā)展策略。由于目前工薪者的出行方式還是自行車或是電動(dòng)車，事故率較高，出行安全得不到保障，進(jìn)此通過不斷發(fā)展城市軌道交通可以有效地降低交通事故的發(fā)生，2018年我國(guó)在軌道交通建設(shè)方面投入5000億元，計(jì)劃項(xiàng)目的資金也高達(dá)了39432億元。

2 供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 主變壓器容量的選定以及主變電所的設(shè)置

城市軌道交通整條線路的總變電所叫做主變電所，它肩負(fù)著整個(gè)線路網(wǎng)供電工作。主變壓器通過將高壓110kV 轉(zhuǎn)化為小電壓10kV 后分別供給于各個(gè)牽引變電所，主變電所的設(shè)計(jì)要包括位置的選定、布點(diǎn)和數(shù)量，盡可能選擇線路的交匯處，使得一個(gè)主變電所同時(shí)供給兩條線路，爭(zhēng)取做到資源共享，這樣可以減少前期的建設(shè)經(jīng)費(fèi)，同時(shí)從而減少供電節(jié)點(diǎn)，降低主變電所設(shè)備的損耗，從而延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，達(dá)到資源利用最大化節(jié)能的目的。在主變電所選擇方面要保證安全可靠，選擇在換乘站周圍且周圍交通發(fā)達(dá)的地方，從而減少電路的建設(shè)成本，方便電力的流入流出和有利于電力設(shè)施的運(yùn)輸，方便電纜的連入。

2.2 中壓網(wǎng)絡(luò)電壓級(jí)別以及接線的選用

通過觀察電荷的供電距離選擇合適的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)等級(jí)越高的，其線路的損害也就越小，但是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)等級(jí)的不同，相應(yīng)的工程建設(shè)投資也不同，當(dāng)下我國(guó)使用最多的兩種網(wǎng)絡(luò)是10kV 和35kV，最普遍的接線方式有兩種分別是環(huán)網(wǎng)式連接法和放射法。

環(huán)網(wǎng)式連接法的特點(diǎn)是所需電纜量較少，投資低所承擔(dān)的負(fù)電荷較大，線路的使用壽命不高。

則放射法對(duì)電纜數(shù)量的要求較大，投資高，由于電纜回路較多，避免出現(xiàn)由于供給負(fù)電荷而出現(xiàn)對(duì)線路有嚴(yán)重?fù)p耗的現(xiàn)象發(fā)生，從而延長(zhǎng)使用壽命。

這兩種方法各有利弊，在隧道較多的城市軌道系統(tǒng)中盡量避免過多的使用電纜，提高電纜的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值，一般較多采用環(huán)網(wǎng)式中壓網(wǎng)絡(luò)接線形式，通過結(jié)合綜合情況，選用投資少回報(bào)高，可靠性強(qiáng)的方法。

2.3 電路變壓器的選擇

隨著我國(guó)科研成果不斷地成形，傳統(tǒng)的干式變壓器就顯得通常在任何一種運(yùn)營(yíng)方式下，各牽引變電所高峰一小時(shí)內(nèi)最大功率都會(huì)低于整流機(jī)組300%，平均一小時(shí)內(nèi)功率小于整機(jī)流組功率的150%。整流機(jī)組單邊應(yīng)該滿足牽引變電所單邊所需要的運(yùn)行供電量。牽引變壓器必須要滿足在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)要時(shí)刻保證整流機(jī)組額定容量要大于各牽引變電所高峰小時(shí)內(nèi)的平均功率。目前我國(guó)在變壓器選用方面，施工者往往只在乎在使用初期的投資，卻忽視了最為重要的壽命問題。由于變壓器空載損耗以及空載損耗，會(huì)給后期設(shè)備的保養(yǎng)及維修帶來更大的費(fèi)用，換個(gè)角度去考慮雖然選擇價(jià)格較高的變壓器，初始投資較高但是整體后續(xù)投資較低，因此盡量使用高價(jià)低損的變壓器來降低損耗。

非晶體合金變壓器因?yàn)槠淇蛰d損耗極低，具備良好的節(jié)能效果，但是由于其使用資金較高，并沒有在得到廣泛的使用，的環(huán)境可以在內(nèi)進(jìn)行使用。在變壓器選擇方面推薦使用SC13及其以上系列其他低損節(jié)能變壓器。

2.4 降壓變電所設(shè)計(jì)時(shí)所需注意事項(xiàng)

在變壓所地址選擇方面要根據(jù)車站規(guī)模、類型以及電荷情況來判斷是否合適進(jìn)行建設(shè)，例如應(yīng)該將車站的變電所建在站臺(tái)處，根據(jù)不同車站的不同規(guī)模大小，來適當(dāng)建設(shè)一或兩個(gè)變電所，若是建設(shè)兩個(gè)變電所，應(yīng)考慮將一個(gè)變電所建為跟隨式變電所，而另一個(gè)則為降壓變電所，當(dāng)?shù)爻鞘熊壍澜煌ńㄔO(shè)的建設(shè)主要還是要依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行降壓變電所的施工。在有牽引變電所的地段，應(yīng)該將牽引變電所和降壓變電所結(jié)合，建成牽引降壓變電所。例如環(huán)氧樹脂絕緣1250kvA 變壓器，空載損耗約為2kw，負(fù)載損耗約為10kw 根據(jù)相關(guān)計(jì)算可以得出40%-100%間，效率保持在90%以上。在動(dòng)力變壓器選擇方面，不單單要滿足最佳負(fù)荷率還要滿足變壓器在不同運(yùn)行方式用電標(biāo)準(zhǔn)，即變壓器滿足如下條件。

在變壓器正常運(yùn)行階段可以滿足供電內(nèi)所有負(fù)電荷供電其另一臺(tái)變壓器也要達(dá)到可以對(duì)供電范圍內(nèi)其他的一、二級(jí)負(fù)荷的供電需求，通過使用單臺(tái)變壓器來統(tǒng)計(jì)運(yùn)算出運(yùn)行時(shí)所需的負(fù)荷，來判斷出其容量，用兩臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷計(jì)算值進(jìn)行核對(duì)。

2.5 選擇合適的施工材料

選擇一個(gè)優(yōu)良的施工材料，不但可以確保施工過程中的安全，還可以幫助其減少施工的投資，最多可以減少30%的資金，因此選擇材料就顯得極為重要，首先，施工人員要對(duì)工地的環(huán)境進(jìn)行考察分析，判斷出適合的施工材料，確保使用的材料符合工程需求，從根本上杜絕資金的浪費(fèi)，其次可以利用發(fā)達(dá)的技術(shù)為節(jié)省施工材料奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，施工材料和技術(shù)的合理選擇利用可以很大程度的減少工程投入基金，其次，在施工材料存放方面也要恪守有關(guān)的制度，避免出現(xiàn)由于施工材料損害，而對(duì)材料進(jìn)行二次購(gòu)買。施工前材料質(zhì)量的把關(guān)也是十分重要的，杜絕濫竽充數(shù)的現(xiàn)象發(fā)生，要有一套完整的管理體系，定期及時(shí)的對(duì)施工材料的投入和保存進(jìn)行整理并記錄，最大限度的優(yōu)化施工材料的管理工作。

2.6 電力公司的智能發(fā)揮

電力公司作為供電方，可以一定程度上影響工程的進(jìn)度以及質(zhì)量，隨著我國(guó)網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)在我國(guó)的覆蓋也越來越廣，電力公司的地位也越顯突出，電力公司可以對(duì)施工單位提出有關(guān)合理化的用電建議，排除施工期間存在的有點(diǎn)隱患對(duì)工作流程中存在的問題起到監(jiān)督解決的作用。對(duì)施工中那些不符合規(guī)定的設(shè)施進(jìn)行拆除或是取締，這樣電力公司就可以在布置電網(wǎng)工作中顯得更加科學(xué)，在日后的工作中發(fā)揮其最大的效果，因此電力公司在日后的電力部署工作中顯得十分重要，更是未來工程質(zhì)量最基礎(chǔ)重要的保障。

3 列車再生能的有效利用

當(dāng)下軌道交通車輛的制動(dòng)手段是通過利用電氣結(jié)合的方式，一般首選是利用再生制動(dòng)，當(dāng)其無法被車輛吸收時(shí)，可以喚醒電阻制動(dòng)消耗再生能目的是防止電壓進(jìn)一步擴(kuò)大，再生能并不是可以被車輛完全的吸收，而是有一部分由車組電阻轉(zhuǎn)換為熱能，最終以熱量的形式散發(fā)出去，引起隧道內(nèi)空氣的升溫，加快了空氣中負(fù)電荷的流動(dòng)速度，從而導(dǎo)致大量能源的消耗，增加了車輛的運(yùn)行及保養(yǎng)費(fèi)用。目前相應(yīng)地有4種能量吸收裝置可以解決此種情況的發(fā)生。分別為電容耗能型、電阻蓄能型、逆變蓄能型、飛輪回饋型。

3.1 電容耗能裝置

電容耗能裝置主要是利用IGBT 逆變器將吸收的能量到相關(guān)組件中，當(dāng)車輛進(jìn)行啟動(dòng)或是提速時(shí)在將所需的電能釋放出去供給使用，它的優(yōu)點(diǎn)是可以充分有效地利用能量，節(jié)能效果好?？梢灾苯釉谧冸娝蛘郀恳W(wǎng)轉(zhuǎn)換通過直流系統(tǒng)，并保證不會(huì)對(duì)其系統(tǒng)造成損傷。該裝置在日后的維護(hù)清洗工作中較為輕松方便。但其缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)成本較高，所儲(chǔ)蓄的能量較少，不可以回收全部電能。

3.2 電阻蓄能裝置

采取電阻耗能型的制動(dòng)動(dòng)力吸收裝置內(nèi)部通常采取恒壓吸收的方式進(jìn)行動(dòng)能回收，其吸收功率比的決定情況通常由直流母線的電壓及其斬波其情況決定。通過這樣的方式對(duì)其吸收功率進(jìn)行改變，選喲將其電壓恒定在一定的范圍之當(dāng)中，能量消耗情況通常出現(xiàn)在吸收電阻當(dāng)中。其具有操作簡(jiǎn)便且維修維護(hù)成本較為低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)同樣明顯例如當(dāng)車流量再生制動(dòng)能量的消耗出現(xiàn)在吸收電阻時(shí)，其通常難以利用，又因?yàn)槟芰康亩逊e可能會(huì)導(dǎo)致溫度隨之出現(xiàn)增高的情況。這就導(dǎo)致其放置于地下的情況下需要對(duì)電阻柜進(jìn)行單獨(dú)的放置，且環(huán)境始終要保持在一定恒定溫度之下，并加以通風(fēng)裝置，否則可能會(huì)由于其溫度過高出現(xiàn)能源被二次消耗的情況，造成能源的不必要的浪費(fèi)。

3.3 逆變蓄能裝置

逆變回饋型的再生制動(dòng)能量吸收裝置的電子原件構(gòu)成為功率較大的晶閘管三項(xiàng)逆變器，當(dāng)其逆變器功率較大時(shí)與整流器母線進(jìn)行連接時(shí)，交流線需要與交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，這是如產(chǎn)生的電壓大出一定范圍之外，就會(huì)通過這樣的方式喚醒逆變器，通過逆變器對(duì)直流母線當(dāng)中的電流進(jìn)行吸收，以此對(duì)其電流產(chǎn)生回收的效果，直接將電流回饋到交流電網(wǎng)當(dāng)中。其主要優(yōu)點(diǎn)為節(jié)能效果最為明顯，裝置結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，僅僅需要使用晶閘管三相逆變器，不需要多余的儲(chǔ)能單元及電阻，且對(duì)環(huán)境硬件沒有過多的要求。但是其同樣有著一定的缺點(diǎn)，在逆變的過程中其對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量會(huì)造成一定的影響，造成電網(wǎng)質(zhì)量降低，同時(shí)再配電所需要安裝變壓器等設(shè)備，其也需要一定的空間進(jìn)行放置，這屆造成其適用范圍收到了一定的影響，當(dāng)前僅有部分地鐵運(yùn)營(yíng)采用逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置。

3.4 飛輪回饋裝置

與其他再生制動(dòng)能量吸收裝置不同，飛輪儲(chǔ)能型能量是通過對(duì)變電所的直流空載電壓進(jìn)行動(dòng)力回收。對(duì)電壓及母線進(jìn)行跟蹤判斷，在判斷到出現(xiàn)再生電能需要進(jìn)行吸收的時(shí)候，通過飛輪進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)以此來進(jìn)行能量的吸收。在列車的啟動(dòng)階段，變電所對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)判斷，控制飛輪處于較低的轉(zhuǎn)速之下，通過這樣的方式幫助發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)進(jìn)行電能的反饋。在此過程中不斷通過調(diào)節(jié)進(jìn)行電壓的控制，達(dá)成穩(wěn)定電壓的目的。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)正處于起步階段，因此其中很多因素未能得到確認(rèn)，因此其使用壽命及維修、維護(hù)周期方面存在著很大的未知性，且與之相配套的維修策略有待確認(rèn)，相較于目前技術(shù)較為成熟的電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置而言需要進(jìn)行更大規(guī)模的資金投入。但由于其具有相當(dāng)?shù)墓?jié)能效益，在未來對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行配套的研究有著很強(qiáng)的收益。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)電力行業(yè)不斷地穩(wěn)步發(fā)展，其交通軌道的發(fā)展情況可以充分的體現(xiàn)出國(guó)家的經(jīng)濟(jì)能力，在城市軌道交通建設(shè)時(shí)要想增加節(jié)能效果可以通過改變運(yùn)行電壓、運(yùn)行方式和節(jié)能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前我國(guó)正處于發(fā)展的瓶頸期，軌道交通在發(fā)展的同時(shí)也要保證對(duì)建設(shè)的能耗進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，上文就此對(duì)軌道交通供配電節(jié)能方案就行分析討論，為我國(guó)軌道工程節(jié)能措施更好的建設(shè)，提出相關(guān)參考價(jià)值。