城市軌道交通供電安全節(jié)能措施探討

北京地鐵供電分公司 李勇強(qiáng)

近些年來(lái)城市軌道交通越來(lái)越受到市民的歡迎，相比其他交通來(lái)說(shuō)，軌道交通具有快速、環(huán)保和舒適等優(yōu)勢(shì)，有效優(yōu)化了城市內(nèi)部的交通網(wǎng)絡(luò)，改變了城市出現(xiàn)交通擁堵情況，相對(duì)來(lái)說(shuō)也能夠減少城市內(nèi)部的污染，推動(dòng)了城市的創(chuàng)新發(fā)展。眾所周知城市軌道交通的主要牽引力是電力資源，因此城市軌道交通也成為了城市內(nèi)部電能消耗的主要用戶，通過(guò)使用節(jié)能技術(shù)能夠有效地減少軌道交通供電系統(tǒng)的能源消耗。

一、軌道交通能耗組成

城市內(nèi)部的軌道交通系統(tǒng)主要包含有車站系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及車輛系統(tǒng)等，在交通系統(tǒng)的整體運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于電力資源的消耗非常大。因此一部分城市軌道交通也被稱為是電老虎，在交通系統(tǒng)當(dāng)中車輛的牽引系統(tǒng)以及車站自身的設(shè)備系統(tǒng)，屬于主要的電力能源消耗關(guān)鍵部位[1]。據(jù)調(diào)查顯示，車輛牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生的電力資源消耗量，占據(jù)了整體城市軌道交通系統(tǒng)消耗量的一半。在車輛制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，能量沒(méi)有被及時(shí)地收回，造成了能量的浪費(fèi)。在這一部分的運(yùn)行中產(chǎn)生的電力資源消耗占據(jù)了整體制動(dòng)能量到40%。尤其是一部分地區(qū)在夏季溫度非常高，因此當(dāng)?shù)氐能壍澜煌ㄏ到y(tǒng)運(yùn)行需要配合進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，長(zhǎng)此以往該時(shí)段的用電量能夠占據(jù)城市整體交通系統(tǒng)用電量到30%。除此之外，還有電扶梯以及照明系統(tǒng)的電能消耗，因此如果能夠在城市軌道交通供電系統(tǒng)當(dāng)中融合節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，能夠有效地提升節(jié)能效果，減少電力資源的消耗。

二、供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)分析

（一）確定出主變電所設(shè)置以及主變壓器容量

在整體的軌道交通線路當(dāng)中，主變電所屬于種變電所，能夠負(fù)擔(dān)軌道交通整體線路的電力負(fù)荷。主變電所在運(yùn)行中需要把城市電網(wǎng)的高壓電能降壓之后，按照不同的電壓等級(jí)，分別為牽引降壓變電所提供電力資源。軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行安裝主變電所，需要科學(xué)合理的確定好主變電所的布點(diǎn)以及安裝數(shù)量。要盡可能地選擇兩條線路的交叉點(diǎn)進(jìn)行安裝，要求安裝要靠近線路。兩條線路要共同使用一個(gè)主變電所，這樣才能夠有效地實(shí)現(xiàn)資源共享，減少在變電所之前投資的建設(shè)成本消耗，減少在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)備損耗，從而達(dá)到有效的節(jié)能降耗安裝目的。

（二）選擇中亞網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)以及接線方法

工作人員需要調(diào)查，準(zhǔn)確的供電負(fù)荷以及供電距離，這樣才能夠確保中壓電網(wǎng)的電壓等級(jí)確定更加合理。如果中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓越高，那么在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的線路損耗也就越小[2]。但是需要注意的是，隨著電壓水平的不斷提升，也會(huì)造成設(shè)備成本的增加，對(duì)于工程建設(shè)投資提出了更高的要求。在城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中比較常見(jiàn)的重壓，網(wǎng)絡(luò)連接方式是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)連接和徑向網(wǎng)絡(luò)連接。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)連接在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于電纜數(shù)量的要求非常少，并且投資要求比較低，但是在運(yùn)行中每一根電纜的負(fù)荷量非常大，很容易造成線路受損。徑向網(wǎng)絡(luò)連接相對(duì)來(lái)說(shuō)線路的負(fù)荷非常低，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的線路損耗也非常小，但是線路的數(shù)量很大，需要大量的電纜，對(duì)于投資成本要求非常高。一般來(lái)說(shuō)，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和節(jié)能性，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇使用環(huán)行網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方式。

（三）安裝牽引變電站

通過(guò)使用牽引變電站，能夠通過(guò)利用直流斷路器來(lái)，確保列車整體的安全運(yùn)行。在牽引變電站當(dāng)中，完善配備了雙牽引整流器，能夠?yàn)榱熊嚨倪\(yùn)行提供雙電源。兩組牽引整流器同時(shí)連接在同一段中壓母線當(dāng)中，能夠形成24脈搏的整流器，為后期諧波處理工作的開(kāi)展提供便利。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求設(shè)計(jì)人員盡可能的確保整流單元保持負(fù)載平衡狀態(tài)，這樣才能夠減少阻抗電壓產(chǎn)生不平衡的情況。電力資源通過(guò)降壓變電站能夠把電能轉(zhuǎn)換成為低壓，為區(qū)域內(nèi)部所有的低壓用電負(fù)荷時(shí)間電力供應(yīng)。這樣既能夠節(jié)省能源消耗，同時(shí)也能夠保證成本的消耗減少，減少線路損耗的程度。

（四）無(wú)功補(bǔ)償和防止過(guò)度補(bǔ)償

軌道交通系統(tǒng)的電源系統(tǒng)當(dāng)中，要對(duì)低電壓的反應(yīng)補(bǔ)償加強(qiáng)重視。電動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中產(chǎn)生了某些電荷，那么會(huì)提升反應(yīng)能力，產(chǎn)生較大的反應(yīng)損失[3]。為了能夠有效減少反應(yīng)性損失的出現(xiàn)，節(jié)約更多的電力資源，有必要在電力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計(jì)有效的反應(yīng)性補(bǔ)償，減少反應(yīng)性損失，確保反應(yīng)性損失能夠保證在允許范圍之內(nèi)。

（五）電力照明系統(tǒng)

在城市軌道交通整體供電系統(tǒng)當(dāng)中，電氣設(shè)備在整體電力照明系統(tǒng)當(dāng)中屬于最終的用電用戶。因此電氣設(shè)備的運(yùn)行功率、運(yùn)行損耗、負(fù)載特性、控制電路、運(yùn)行方式等都會(huì)對(duì)電力能源消耗產(chǎn)生影響。在照明配電系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)能夠有效地減少照明配電系統(tǒng)整體的負(fù)載能力，按照不同的功能劃分和使用要求，可以在照明控制當(dāng)中，采用分布式控制、集中控制和自動(dòng)控制等不同的組合模式，并結(jié)合組合模式的要求配置相應(yīng)的照明燈具，能夠有效地起到省電作用。如果在非用電高峰期，可以選擇打開(kāi)一部分燈，來(lái)達(dá)到照明節(jié)能的效果。

三、城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保有效措施

（一）應(yīng)用仿真分析軟件完成設(shè)計(jì)工作

在城市軌道交通電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，工作人員可以選擇使用仿真軟件和分析軟件，有效的模擬列車在運(yùn)行過(guò)程中牽引設(shè)備的運(yùn)行條件，實(shí)時(shí)跟蹤和分析列車整體的牽引情況、列車供電情況，掌握更加真實(shí)的電流曲線數(shù)據(jù)，這樣才能夠?yàn)楹笃谶\(yùn)輸系統(tǒng)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（二）選擇節(jié)能環(huán)保設(shè)備

想要達(dá)到節(jié)能效果，需要使用具備節(jié)能功能的電氣設(shè)備，在牽引變壓器的選擇中，要優(yōu)先選擇能耗低、噪音低的變壓器。在軌道交通系統(tǒng)當(dāng)中，配電變壓器的數(shù)量比較大，因此大量的低能耗配電變壓器應(yīng)用，能夠有效地降低交通系統(tǒng)的整體能耗水平。通過(guò)使用節(jié)能性強(qiáng)的電力分配設(shè)備以及線圈鐵芯分配設(shè)備，能夠提升系統(tǒng)整體的節(jié)能性。相比其傳統(tǒng)的硅片變壓器來(lái)說(shuō)，非晶合金變壓器能夠有效提升節(jié)能效果，節(jié)省更多的能源消耗。

（三）直流電驅(qū)動(dòng)牽引系統(tǒng)

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，接觸網(wǎng)以及牽引變電站使用的屬于同一個(gè)雙單元供電，在選擇整流機(jī)組運(yùn)行方式的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員會(huì)通過(guò)分析無(wú)功損耗以及有功損耗，從而科學(xué)合理的確定出整流機(jī)組的運(yùn)行方式。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)關(guān)閉，其中一個(gè)牽引整流單元，減少牽引系統(tǒng)的電力損耗，有效地起到節(jié)省能源的效果。

（四）使用智能照明系統(tǒng)

在整體城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，電力成本占據(jù)了整體成本的40%。目前一部分城市并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到軌道系統(tǒng)節(jié)能的重要性，還在使用傳統(tǒng)的管理模式，并沒(méi)有達(dá)到真正的節(jié)約能源的效果[4]。因此為了能夠有效地保障照明系統(tǒng)的節(jié)能性，可以選擇使用節(jié)能性強(qiáng)的照明控制設(shè)計(jì)，利用節(jié)能效果的燈具實(shí)現(xiàn)智能化的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少軌道交通系統(tǒng)整體的運(yùn)行成本消耗。

（五）無(wú)用補(bǔ)償和防止過(guò)度補(bǔ)償

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工作人員還會(huì)對(duì)低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。在正常情況下照明系統(tǒng)的反應(yīng)功率越大，產(chǎn)生的反應(yīng)損失也就越大。因此為了能夠達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，在電力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮的反應(yīng)性補(bǔ)償問(wèn)題，并控制好反應(yīng)性損失，在變電站的安裝過(guò)程中，配合安裝有源濾波裝置，能夠有效地控制好線路諧波，起到補(bǔ)償電壓的目標(biāo)。

（六）使用儲(chǔ)能型再生制動(dòng)系統(tǒng)

通過(guò)使用再生制動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生的能量能夠順利地轉(zhuǎn)移到架空線路中，為其他的列車運(yùn)行提供有效的動(dòng)力[5]。再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠有效地減少電力資源的消耗，提升電力資源的利用效率。但由于逆變回饋裝置需將能量回饋到交流側(cè)，與電網(wǎng)相連帶來(lái)諧波污染問(wèn)題。因此可以選擇儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收利用裝置，因其一般都采用儲(chǔ)能設(shè)備將剩余再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在列車制動(dòng)造成牽引網(wǎng)母線電壓抬升時(shí)回收再生制動(dòng)能量；在列車牽引帶來(lái)母線電壓跌落時(shí)釋放所儲(chǔ)存的能量，從而實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收和利用，具有節(jié)能穩(wěn)壓的效果。按照存儲(chǔ)設(shè)備的不同，可以分為蓄電池、飛輪和超級(jí)電容等幾種形式。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在城市軌道交通的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的電力資源消耗，因此有必要在軌道交通設(shè)計(jì)中使用節(jié)能環(huán)保技術(shù)，達(dá)到軌道交通的節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。