高速鐵路牽引供電系統(tǒng)能耗計(jì)算及節(jié)能評估

楊 璠

（中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司 機(jī)電設(shè)計(jì)分院，北京 100088)

高速鐵路動車組列車功率大、發(fā)車間隔小、行車密度高，因而導(dǎo)致高速鐵路耗電量巨大。通常高速鐵路牽引用電負(fù)荷占其總耗能的80% ～ 90%左右[1-2]，其余為輔助生產(chǎn)能耗占比。在當(dāng)前我國建設(shè)資源節(jié)約型社會的背景下，開展節(jié)能設(shè)計(jì)和評估顯得尤為重要。為此，從系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，通過全面分析和計(jì)算高速鐵路牽引供電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的能耗，提出一種針對牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能評估流程和方法，并結(jié)合案例進(jìn)行節(jié)能評估分析。

1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)及節(jié)能評估現(xiàn)狀

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所(主要耗能設(shè)備為牽引變壓器)、自耦所(主要耗能設(shè)備為自耦變壓器)、牽引網(wǎng)等構(gòu)成，其作用是將電能從地方電網(wǎng)安全可靠地輸送到動車組上，為動車組高速運(yùn)行提供持續(xù)強(qiáng)大的電能。電能輸送過程中95%的電能都由動車組列車消耗，另有5%的電能損失由高壓輸電線路、牽引變壓器、自耦變壓器及接觸網(wǎng)的有功和無功損耗組成。由于動車組列車采用再生制動方式，當(dāng)列車制動時，一部分電能可以反饋回接觸網(wǎng)，被線路上的其他列車吸收。牽引供電系統(tǒng)能量流向如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)能量流向Fig.1 Schematic diagram of the energy flow direction of traction power supply system

目前高速鐵路節(jié)能評估只是提供各類能耗設(shè)備種類和數(shù)量清單、年用電量和需用功率計(jì)算等內(nèi)容，缺乏系統(tǒng)性和完整性。體現(xiàn)在以下方面：①節(jié)能評價對終端設(shè)備(動車組列車)的耗電量比較關(guān)注，但對電能損失環(huán)節(jié)的節(jié)能措施和節(jié)能效果的評估重視不足；②動車組列車及牽引供電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)缺少應(yīng)有的計(jì)算過程，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)方案的確定很少從節(jié)能角度進(jìn)行方案比選；③新工藝、新技術(shù)與常規(guī)設(shè)備相比，節(jié)能效果缺乏量化評估手段[3]。

2 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)節(jié)能評估

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)節(jié)能評估主要包括牽引供電系統(tǒng)能耗計(jì)算、系統(tǒng)方案節(jié)能設(shè)計(jì)評估、節(jié)能措施及效果評價等主要環(huán)節(jié)。牽引供電系統(tǒng)節(jié)能評估流程如圖2所示。

圖2 牽引供電系統(tǒng)節(jié)能評估流程Fig.2 Flow chart of energy-saving evaluation for traction power supply system

2.1 牽引供電系統(tǒng)能耗計(jì)算

對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)主要設(shè)備能耗進(jìn)行計(jì)算是節(jié)能評估的前提和基礎(chǔ)。牽引供電系統(tǒng)能耗計(jì)算主要包括動車組能耗計(jì)算，以及牽引網(wǎng)、牽引變壓器、自耦變壓器電能損失計(jì)算等內(nèi)容[4]。

（1）動車組能耗計(jì)算。動車組運(yùn)行耗電量計(jì)算公式如下。

式中：Qy1為動車組能耗，kW·h；Uw為受電弓處網(wǎng)壓，V；Ip為時間間隔內(nèi)動車組的平均有功電流，按動車組手柄位速度取值，A；Ip0為自用電有功電流，A；t為相應(yīng)工況時間，min。

（2）牽引供電系統(tǒng)電能損失。牽引供電系統(tǒng)的電能損失由牽引網(wǎng)電能損失、牽引變壓器電能損失及自耦變壓器電能損失組成。根據(jù)《牽引供電系統(tǒng)電能損失的計(jì)算條件和方法》(TB/T1653-1996)，牽引供電系統(tǒng)電能損失計(jì)算公式如下。

①牽引網(wǎng)電能損失計(jì)算。雙線區(qū)段AT供電方式牽引網(wǎng)電能損失計(jì)算公式如下。

式中：ΔAj為牽引網(wǎng)電能損失，kW·h；I為供電臂內(nèi)列車平均電流，A；L為供電臂長度，km；Ni為各種類型列車對數(shù)，對/d；tgi為列車通過供電臂的帶電時分，min；RL為牽引網(wǎng)長回路等值單位阻抗的有效電阻，Ω/km；RL′為牽引網(wǎng)AT段中等值單位阻抗的有效電阻，Ω/km；n為供電臂內(nèi)的AT段數(shù)；P為AT段的平均帶電概率；D為AT段的平均長度，km；T為計(jì)算時間，min；V為列車類型數(shù)。

②牽引變壓器電能損失計(jì)算。牽引變壓器的損耗包括空載損耗、負(fù)載損耗2部分?？蛰d損耗主要為鐵損，包括磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗與頻率成正比，與最大磁通密度磁滯系數(shù)的次方成正比；渦流損耗與頻率、最大磁通密度、矽鋼片厚度三者的積成正比。負(fù)載損耗主要為負(fù)載電流通過繞組時在電阻上的損耗，一般稱銅損。負(fù)載損耗大小隨著負(fù)載電流而變化，與負(fù)載電流的平方成正比，用標(biāo)準(zhǔn)線圈溫度換算值來表示。負(fù)載損耗還受變壓器溫度的影響，同時負(fù)載電流引起的漏磁通會在繞組上產(chǎn)生渦流損耗，并在繞組外的金屬部分產(chǎn)生雜散損耗。牽引變壓器空載損耗計(jì)算公式如下。

式中：ΔAC為牽引變壓器年空載電能損失 ，kW·h；ΔPCN為變壓器額定空載損耗，kW。

牽引變壓器負(fù)載損耗計(jì)算公式如下。

式中：ΔAt為變壓器額定負(fù)載電能損失，kW·h；It為牽引變壓器負(fù)荷有效電流，A；I2N為牽引變壓器二次側(cè)繞組額定電流，A； ΔPtN為變壓器額定負(fù)載損耗，kW。

③自耦變壓器電能損失計(jì)算。自耦變壓器負(fù)載損耗公式如下。

式中：ΔAatt為自耦變壓器額定負(fù)載電能損耗 ，kW·h；Iat為自耦變壓器負(fù)荷有效電流，A；INat為自耦變壓器二次側(cè)繞組額定電流，A；ΔPatN為自耦變壓器額定負(fù)載損耗，kW。

自耦變壓器空載損耗公式如下。

式中：ΔAatc為變壓器額定空載電能損失，kW·h；ΔPacN為自耦變壓器額定空載損耗，kW。

④牽引供電系統(tǒng)電能損失。牽引供電系統(tǒng)電能損失等于牽引網(wǎng)、牽引變壓器、自耦變壓器電能損失之和。需要說明的是，按照現(xiàn)行《牽引供電系統(tǒng)電能損失的計(jì)算條件和方法》，牽引供電系統(tǒng)按全年365 d不間斷運(yùn)行時間即8 760 h計(jì)算，參考高速鐵路運(yùn)輸組織計(jì)劃，每天均有4 h的天窗時間，因此，實(shí)際計(jì)算中，一條高速鐵路全年不間斷運(yùn)行時間按7 300 h計(jì)算[5]。

2.2 牽引供電系統(tǒng)節(jié)能評估

從動車組列車選型、供電方式、供電電壓、牽引變電所的分布方案、牽引變壓器選型、牽引變壓器安裝容量等方面對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能評估。

（1）動車組列車選型。動車組列車由于采用了交直交傳動技術(shù)，其功率因數(shù)更高、諧波含量更小，在動車組滿負(fù)荷運(yùn)行時，其功率因數(shù)與1相近，因而無需添加任何無功補(bǔ)償裝置。功率因數(shù)較高，可大幅度減小供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電能損耗，從而減少無功電能的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高牽引變電所的功率因數(shù)，降低牽引網(wǎng)的電壓損失和功率損耗。此外，交直交型動車組列車采用再生制動方式，下坡時優(yōu)先采用再生制動，此種制動裝置可以將電能反饋至接觸網(wǎng)，從而被正在取流的動車組利用。由于通常情況下高速鐵路緊坡地段長且連續(xù)設(shè)置，下坡地段時列車基本為制動狀態(tài)，因此再生制動產(chǎn)生的電能被上坡取流的動車組所使用，相比傳統(tǒng)電阻制動或機(jī)械制動類機(jī)車來說，其節(jié)能效果更為明顯。動車組列車選型節(jié)能評估應(yīng)符合《鐵路工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，從速度目標(biāo)值、牽引功率、牽引定數(shù)和能耗分析綜合考慮，設(shè)計(jì)方案所推薦的動車組應(yīng)有利于節(jié)約能源[6]。

（2）供電方式。設(shè)計(jì)應(yīng)從節(jié)能角度進(jìn)行牽引網(wǎng)供電方式的比選。設(shè)計(jì)所推薦的牽引網(wǎng)供電方式應(yīng)有效降低牽引供電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的電能損失。

（3）牽引變電所的分布方案。牽引變電所分布方案在滿足供電能力基礎(chǔ)上應(yīng)充分考慮地方電源輸電線長度，牽引變電所應(yīng)靠近負(fù)荷中心設(shè)置并盡量靠近電源點(diǎn)，以減少電源線路損耗；供電臂長度適宜，減少牽引負(fù)荷在牽引網(wǎng)上的電能損失；牽引變壓器總安裝容量較低，可有效降低基本電費(fèi)支出及變壓器電能損失等。

（4）供電電壓。供電電壓節(jié)能評估內(nèi)容包括供電電壓具備較強(qiáng)的功率傳輸能力和負(fù)序諧波承受能力，能更好地適應(yīng)供電需要；符合地方電網(wǎng)現(xiàn)狀與規(guī)劃，滿足高速鐵路項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)輸需求，同時有利于減少輸電線路損耗。

（5）牽引變壓器選型。牽引變壓器類型的空載損耗、負(fù)載損耗應(yīng)滿足《電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件》(TB/T3159)有關(guān)規(guī)定，評估項(xiàng)目選用的設(shè)備宜為同類產(chǎn)品中達(dá)到先進(jìn)水平的低損耗、高能效設(shè)備。

（6）牽引變壓器安裝容量。根據(jù)目前國家對電氣化鐵路的兩部電價政策，牽引變壓器安裝容量小，可以節(jié)省基本電費(fèi)支出，有利節(jié)能。牽引變壓器安裝容量節(jié)能評估應(yīng)符合《鐵路工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.7條“ 牽引變壓器安裝容量應(yīng)按交付運(yùn)用后第5年的運(yùn)量確定，并應(yīng)充分利用其過負(fù)荷能力”的要求。

2.3 其他節(jié)能措施及效果評估

高速鐵路處于鐵路技術(shù)領(lǐng)域前沿，隨著新技術(shù)及新材料的不斷涌現(xiàn)，牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備材料選型存在更新?lián)Q代的可能。因此，應(yīng)進(jìn)一步評估高速鐵路牽引供電系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)及新材料的推廣應(yīng)用情況，論證新技術(shù)應(yīng)用的可靠性和有效性。

3 案例分析

某高速鐵路全長174 km，全線共設(shè)10個車站，設(shè)計(jì)動車組列車最高運(yùn)行速度250 km/h。牽引供電系統(tǒng)正線采用2×25 kV(AT)供電方式，全線共設(shè)置4座牽引變電所，新建牽引變電所采用兩路220 kV電源供電。接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，正線接觸線采用150 mm2銅合金接觸線，承力索采用120 mm2銅合金絞線。該高速鐵路能耗計(jì)算及節(jié)能評估過程如下。

3.1 能耗計(jì)算

（1） 動車組列車能耗計(jì)算。結(jié)合運(yùn)輸組織需求，設(shè) 計(jì) 本 線 開 行CRH1型、CRH2-200型 及CRH5型動車組列車，采用《列車牽引電算軟件2.5版》模擬計(jì)算得出不同型號動車組列車能耗。最高運(yùn)行速度為250 km/h時，不同型號動車組列車能耗比較如表1所示。

表1 不同型號動車組列車能耗比較 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption for different models of EMU trains

（2）牽引供電系統(tǒng)電能損失計(jì)算。牽引供電系統(tǒng)各區(qū)段電能損耗如表2所示。

匯總牽引運(yùn)行用電量及牽引供電系統(tǒng)損耗，牽引能耗匯總?cè)绫?所示。

表3 牽引能耗匯總Tab.3 Summary of traction energy consumption

考慮牽引動力設(shè)備的效率，可以估算出設(shè)備最終輸出的有用功。設(shè)計(jì)綜合考慮各類牽引動力設(shè)備效率，按85%計(jì)算，折合有效能耗為標(biāo)煤26 450.14 t /a。

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)節(jié)能評估

（1）動車組類型。由表1可知，最高運(yùn)行速度250 km/h時， CRH2-200型動車組能耗最低，其次是CRH1型和CRH5型動車組。經(jīng)評估，采用CRH型動車組可以滿足該線要求，符合《鐵路工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》2.0.9條“ 機(jī)車宜采用交直交型和使用再生制動技術(shù)”的要求。從速度目標(biāo)值、牽引功率、牽引定數(shù)和能耗分析綜合考慮，最高運(yùn)行速度250 km/h時，CRH2-200型動車組能耗比CRH1型和CRH5型動車組低。

（2）牽引網(wǎng)供電方式。該高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻(50 Hz)交流制，接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV，牽引網(wǎng)供電方式可以采用帶回流線的直接供電方式或AT供電方式。2種供電方式技術(shù)特點(diǎn)比較如下：帶回流線的直接供電方式供電可靠性高，施工方便，維修工作量小，一次性投資較低，單線區(qū)段單上回流線屏蔽系數(shù)可達(dá)0.7 ～ 0.8，復(fù)線區(qū)段可達(dá)0.4 ～ 0.5。該種供電方式接觸網(wǎng)電壓水平較高，電能損失較小，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)較簡單，在滿足防干擾要求時宜采用。缺點(diǎn)是供電距離短，牽引變電所數(shù)量多，牽引網(wǎng)及牽引變壓器損耗較大。AT供電方式對通信線路的干擾影響小，供電質(zhì)量高，牽引變電所數(shù)量少，能減少電力系統(tǒng)的輸變電工程，降低線路損耗，在要求供電質(zhì)量高的繁忙干線、高速鐵路及電力系統(tǒng)電源點(diǎn)較少區(qū)段，有充分的優(yōu)越性[7]。但該種供電方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每隔一定間隔必須并入自耦變壓器，增大了牽引供電系統(tǒng)的投資，供電設(shè)備要求高，運(yùn)營維護(hù)困難。經(jīng)過評估：該高速鐵路在局部地段坡度較大，且開行16輛編組動車組列車，列車運(yùn)行速度快，功率大，行車間隔小，牽引負(fù)荷較重，采用AT供電方式能顯著減少牽引網(wǎng)電能損失，有利節(jié)能。由表3可知，推薦方案牽引網(wǎng)電能損失占牽引能耗的4.49%，節(jié)能效果較好。

（3）牽引變電所分布方案。結(jié)合高速鐵路樞紐及地區(qū)供電方案，設(shè)計(jì)了4個全線供電方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選。牽引變電所分布方案節(jié)能參數(shù)比較如表4所示。根據(jù)表4，從節(jié)能設(shè)計(jì)角度分析，方案3節(jié)能效果最好，其次是方案1。實(shí)際工程中，由于方案3的設(shè)所條件相當(dāng)困難，樞紐內(nèi)也不具備設(shè)置AT分區(qū)所的條件，故方案3無法實(shí)施。在可實(shí)施方案中，方案1在5年期的耗電量及電能損失為最低。因此，評估認(rèn)為設(shè)計(jì)推薦的方案1能夠較好地服務(wù)于該項(xiàng)目，同時利于節(jié)約能源。

表4 牽引變電所分布方案節(jié)能參數(shù)比較Tab.4 Comparison of energy saving parameters of traction substation distribution scheme

（4）供電電壓。該項(xiàng)目外部電源進(jìn)線選擇220 kV，其供電可靠性、供電能力和電能質(zhì)量較采用110 kV電壓等級有很大提升，同時具備了更強(qiáng)的功率傳輸能力和負(fù)序諧波承受能力，能更好地適應(yīng)線路供電需要。沿線220 kV電網(wǎng)總體較發(fā)達(dá)，220 kV變電站較多，符合地方電網(wǎng)現(xiàn)狀與規(guī)劃，滿足項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)輸需求，同時有利于減少輸電線路損耗，節(jié)約能源。牽引供電系統(tǒng)接入短路容量大的公共電源點(diǎn)，公共連結(jié)點(diǎn)的短路容量大于2 500 MVA，公共連結(jié)點(diǎn)處的電壓不平衡度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。評估認(rèn)為：該供電電壓符合《鐵路工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.5條“牽引變電所進(jìn)線電源電壓，客運(yùn)專線鐵路正線應(yīng)采用220 kV及以上電壓等級”的要求，有利于節(jié)約能源。

（5）牽引變壓器選型。根據(jù)目前國家對電氣化鐵道的兩部電價政策，對牽引變壓器的安裝容量按月收取基本電費(fèi)。該線采用單相變壓器以及三相Vv結(jié)線牽引變壓器(由2臺單相牽引變壓器構(gòu)成Vv結(jié)線方式)可有效提高變壓器容量利用率，有利節(jié)能。此外，該項(xiàng)目采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口硅鋼片制作鐵芯可大大降低磁路損耗，增大導(dǎo)磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。推薦采用的卷鐵芯牽引變壓器改變了傳統(tǒng)疊片式鐵芯結(jié)構(gòu)，硅鋼片連續(xù)卷制，鐵芯無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少了60% ～ 80%[7]；充分利用硅鋼片的取向性，空載損耗降低20% ～ 30%，提高了功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)線損。該項(xiàng)目選用的牽引變壓器主要技術(shù)指標(biāo)及損耗水平如表5所示，自耦變壓器主要技術(shù)指標(biāo)及損耗水平如表6所示。

表5 牽引變壓器主要技術(shù)指標(biāo)及損耗水平Tab.5 Main technical indexes and loss level of traction transformers

表6 自耦變壓器主要技術(shù)指標(biāo)及損耗水平Tab.6 Main technical indexes and loss level of autotransformers

綜合以上分析，該項(xiàng)目采用的新型卷鐵心牽引變壓器，其產(chǎn)品均可滿足《電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件》(TB/T3159)有關(guān)規(guī)定，選用的設(shè)備為同類產(chǎn)品中達(dá)到先進(jìn)水平的低損耗、高能效設(shè)備。

（6）牽引變壓器安裝容量。該項(xiàng)目牽引變壓器容量是根據(jù)交付運(yùn)營后第5年需要通過能力、動車組類型、列車牽引質(zhì)量和追蹤間隔等條件計(jì)算，并按4 min追蹤平行圖進(jìn)行校驗(yàn)，充分利用牽引變壓器過負(fù)荷能力確定校核容量，牽引變壓器過負(fù)荷倍數(shù)取為2.0。由表3可知，牽引變壓器、自耦變壓器的電能損失分別占牽引能耗的1.74%，0.28%， 取得了較好的節(jié)能效果。評估認(rèn)為：該項(xiàng)目牽引變壓器容量及自耦變壓器選擇合理，有利于節(jié)約能源。

（7）其他措施和相關(guān)設(shè)備節(jié)能評估。該項(xiàng)目各新建AT分區(qū)所及AT所兩供電臂上、下行間采用雙極斷路器相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)上、下行并聯(lián)供電。220 kV斷路器采用成熟可靠、故障率小的SF6型斷路器。2×27.5/27.5 kV斷路器采用戶外真空斷路器，并配彈簧儲能操動機(jī)構(gòu)，有利于降低操作功率。接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，相較其他線路采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛和載流承力索，可減少單位阻抗、降低牽引網(wǎng)電能損失，減少能耗[8]。接觸線采用鎂銅合金接觸線，承力索采用銅合金絞線，符合《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2016)中“接觸線宜采用銅合金接觸線、承力索宜采用銅合金絞線”的規(guī)定。鎂銅合金接觸線抗拉強(qiáng)度高、耐高溫性能好，為我國速度300 km/h及以上的高速鐵路接觸網(wǎng)主流產(chǎn)品，能夠減少運(yùn)營維護(hù)工作量，延長大修周期，間接減少能耗[9]。

4 結(jié)束語

從動車組列車的選型、牽引供電方式、變壓器容量及類型、牽引變電所布點(diǎn)方案、主要供電設(shè)備及接觸網(wǎng)選型等方面對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行評估，為工程節(jié)能設(shè)計(jì)及項(xiàng)目節(jié)能管理提供依據(jù)。在供電方案選擇和主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定過程中，應(yīng)以節(jié)能效果為主要考慮因素，將節(jié)能設(shè)計(jì)理念滲透至設(shè)計(jì)全過程，從而最大限度地降低牽引供電系統(tǒng)的電能損耗，以適應(yīng)我國高速鐵路向綠色節(jié)能發(fā)展的需求。