日本旨在降低鐵路供電損耗的超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用

1 引言

在能源供應(yīng)日趨緊張的國際大背景下，節(jié)能降耗成為鐵路技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。目前，鐵路電力傳輸過程中產(chǎn)生的能量損失約占鐵路運營總能耗的5%，對于現(xiàn)存的規(guī)模龐大的世界鐵路線網(wǎng)而言，其能耗量十分可觀，因此鐵路供電技術(shù)在節(jié)能方面有巨大的提升空間。

超導(dǎo)技術(shù)是利用物質(zhì)在低溫下呈現(xiàn)出的超導(dǎo)電（電阻變?yōu)?）性質(zhì)而開發(fā)的高新技術(shù)，其自誕生以來就在節(jié)能降耗方面被賦予極大期望。適用于鐵路系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)涉及供電領(lǐng)域的變壓器、電流饋通裝置、限流器，電磁領(lǐng)域的超導(dǎo)電機等，如表1所示。其中，專門針對節(jié)能降耗的技術(shù)包括超導(dǎo)磁儲能裝置和超導(dǎo)電纜。

表1 適用于鐵路系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)

日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）將上述2項超導(dǎo)技術(shù)引入鐵路供電領(lǐng)域，旨在降低鐵路供電時的能源損耗，達到節(jié)約能源的目標(biāo)。文章將介紹其相關(guān)的研究成果。

2 超導(dǎo)磁儲能裝置

能夠提高再生制動效率、平衡電力負荷的儲能裝置是目前鐵路技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)熱點。為解決作為常用存儲介質(zhì)的鋰離子電池在急速充放電方面存在的諸多問題，鐵道綜研正在開發(fā)一種可以快速充放電的超導(dǎo)磁儲能裝置（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES），如圖1所示。這是一種可將電能轉(zhuǎn)化為磁能并直接存儲于超導(dǎo)線圈中的設(shè)備，由于超導(dǎo)線圈具有零電阻的特點，允許電流在其中無損耗地持續(xù)流動，因此該設(shè)備可在需要進行能量轉(zhuǎn)換時實現(xiàn)高速率的充放電。不同于鋰離子電池將電能存儲為化學(xué)能的特性，SMES是直接將電能存儲為磁能，因此具有高效率、長壽命、大電流輸入/輸出的優(yōu)點。

圖1 超導(dǎo)磁儲能裝置應(yīng)用示意圖

由于近年來氦資源耗竭問題日益嚴重，因此鐵道綜研正在研發(fā)新一代以二硼化鎂 （MgB2）為材料、無需進行液氦冷卻的超導(dǎo)線圈。此種超導(dǎo)線圈的冷卻方式有2 種：其一，不使用制冷劑，僅利用冷凍機進行傳導(dǎo)冷卻；其二，使用液氫進行冷卻。

3 超導(dǎo)電纜

日本鐵路線路多采用低壓直流供電，面臨的電力傳輸損耗、接觸網(wǎng)電壓下降等問題較為突出。而超導(dǎo)電纜具有容量大、損耗低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，利用其進行電力傳輸，可在解決上述問題的同時，提高列車運行穩(wěn)定性。因此，鐵道綜研正在開發(fā)新一代鐵路用超導(dǎo)電纜，目前已完成材料試驗和系統(tǒng)設(shè)計，正在內(nèi)部試驗線和營業(yè)線路上進行驗證性試驗。

3.1 結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)電纜由芯管型材以及分層螺旋纏繞芯管型材的超導(dǎo)線材、絕緣層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，芯管型材作為骨架，是支撐外圍材料的中空管道；超導(dǎo)線材由高溫超導(dǎo)體材料制成，用于傳輸電力；絕緣層具有良好的絕緣特性，可保護電纜免受機械損傷和化學(xué)腐蝕。

3.2 應(yīng)用

圖3展示了超導(dǎo)電纜用于鐵路牽引供電的模型示例。該示例中將牽引變電所（以下簡稱“變電所”）之間的部分常規(guī)饋線替換為超導(dǎo)電纜，以解決變電所之間供電臂末端區(qū)段存在的接觸網(wǎng)電壓下降問題。當(dāng)然，引入超導(dǎo)電纜的方法不僅限于此，還可替換區(qū)間全部饋線或分支饋線等，可按需選用。若所有變電所之間的饋線都采用超導(dǎo)電纜，則可顯著抑制接觸網(wǎng)電壓的下降，并實現(xiàn)各個變電所間電力的互相調(diào)劑，從而有效減小單一變電所輸出的峰值電流及各變電所之間的負荷差；此外，列車再生制動時產(chǎn)生的電能也可以更容易地經(jīng)由接觸網(wǎng)和饋線輸送到遠處，供其他運行的列車使用。

圖3 利用超導(dǎo)電纜替換變電所之間部分常規(guī)饋線示例

為定量評估超導(dǎo)電纜的電力傳輸效果，鐵道綜研以一條普通鐵路線路為例，模擬分析其引入超導(dǎo)電纜后的日耗電功率。評估結(jié)果顯示，該線路的日耗電功率可從常規(guī)的10 856 kW降低到10 318 kW，實現(xiàn)約5%的節(jié)能效果（表2）。

表2 采用超導(dǎo)電纜和常規(guī)電纜線路的日耗電功率對比 kW

3.3 相關(guān)測試

3.3.1 超導(dǎo)電纜測試

為評估超導(dǎo)電纜在不同狀態(tài)下的導(dǎo)電性能，鐵道綜研不僅測試了超導(dǎo)電纜卷曲盤繞時的機械應(yīng)力，以了解電纜在彎曲狀態(tài)下的載流能力，而且對其進行了施加磁場的通電測試，以確定超導(dǎo)電纜自身在通電時產(chǎn)生的磁場對流過電纜的電流值的影響。根據(jù)上述測試，鐵道綜研制定了超導(dǎo)電纜設(shè)計指南，為制造超導(dǎo)電纜提供指導(dǎo)依據(jù)。

3.3.2 超導(dǎo)電纜供電環(huán)境下的行車試驗

為促進超導(dǎo)電纜的實際應(yīng)用和推廣，鐵道綜研在營業(yè)線路上進行了超導(dǎo)電纜供電的基礎(chǔ)技術(shù)驗證，以及超導(dǎo)電纜供電環(huán)境下的行車試驗。試驗人員將1段輸電電壓1 500 V、電流容量2 000 A、長度6 m的超導(dǎo)電纜設(shè)置在變電所輸出端與常規(guī)饋線輸入端之間，構(gòu)成如圖4所示的簡單供電回路；超導(dǎo)電纜兩端設(shè)置可讀取回路中電流值的檢測終端，即電流端子A和B；通過操作斷路器可在既有傳統(tǒng)饋線與超導(dǎo)電纜間進行切換和選擇。上述設(shè)施共同構(gòu)成超導(dǎo)供電試驗系統(tǒng)。電動車組的加減速通過加減速控制手柄的檔位調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，旨在測試超導(dǎo)電纜在列車加減速導(dǎo)致電流急劇變化的情況下是否會產(chǎn)生電力傳輸損耗。超導(dǎo)電纜敷設(shè)及行車試驗的情況如圖5所示。

圖4 超導(dǎo)電纜供電回路

圖5 超導(dǎo)電纜敷設(shè)及行車試驗實圖

超導(dǎo)電纜的冷卻采用液氮浸漬方法。圖6展示了從超導(dǎo)電纜B端向A端填充液氮進行冷卻的效果。由圖可知，在填充開始約80 min后，超導(dǎo)電纜兩端均達到液氮溫度。

在冷卻完成后，電動車組開始進行行車試驗。通過安裝在電動車組上的相關(guān)儀表，可以測得車輛運行過程中供電電流及相應(yīng)車速的變化。行車試驗的結(jié)果如圖7所示。由圖可知，超導(dǎo)電纜為從修善寺站開往田京站（里程約5.6 km）的電動車組（每列3節(jié)編組）提供的最大電流約880 A。其間，因列車在車站啟停而導(dǎo)致的超導(dǎo)電纜內(nèi)電流的急劇變化并未引起其發(fā)熱超標(biāo)（見圖6）。由此可知，超導(dǎo)電纜沒有因電流急劇變化產(chǎn)生明顯的電力損耗。

圖6 超導(dǎo)電纜冷卻及供電過程溫度變化示意圖

圖7 超導(dǎo)電纜供電環(huán)境下的行車測試結(jié)果

3.3.3 超導(dǎo)電纜輸電測試

為進一步研究超導(dǎo)電纜的節(jié)能效果，鐵道綜研使用1條長度為408 m的超導(dǎo)電纜進行輸電測試。測試中，超導(dǎo)電纜與既有常規(guī)饋線平行敷設(shè)，從變電所向停放在車輛段內(nèi)的10 列電動車組（每列10節(jié)編組）輸電。列車的空調(diào)、照明等系統(tǒng)全部開啟，由此產(chǎn)生約1 250 A的電流消耗。圖8展示了采用超導(dǎo)電纜與常規(guī)饋線輸電時電壓下降的比較結(jié)果。由圖可知，采用常規(guī)饋線輸電時，測得的電纜兩端電壓下降值達到9.41 V；采用超導(dǎo)電纜輸電時，其兩端（起點端子和終點端子）的電壓幾乎保持一致，僅有0.02 V的下降。通過采用超導(dǎo)電纜輸電，可在408 m的測試區(qū)間內(nèi)將輸電線路的耗電功率減小約7 kW。

圖8 采用超導(dǎo)電纜與常規(guī)饋線輸電時電壓下降比較