地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)實(shí)踐探究

楊棟山

中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

據(jù)國(guó)家運(yùn)輸部公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2022年12月31日，我國(guó)31個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)共有53個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路290條，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)9584公里，為城市中人們的出行提供極大便利，但這背后確是巨大的電能消耗。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每年每個(gè)城市地鐵消耗電量約2億度，全國(guó)全年地鐵運(yùn)營(yíng)便需要消耗以百億度計(jì)電能，約為全社會(huì)總用電量的2%，在能源越發(fā)緊張的今天便更需要在地鐵供電系統(tǒng)中應(yīng)用節(jié)能降耗技術(shù)，以減少運(yùn)營(yíng)地鐵期間的電能消耗。

1 地鐵運(yùn)營(yíng)耗電分析

1.1 牽引用電

地鐵牽引系統(tǒng)是地鐵運(yùn)行的核心，是地鐵動(dòng)力的來(lái)源，我國(guó)民用電力一般為220V交流電，但地鐵大多采用750V/1500V的直流供電系統(tǒng)，因此，地鐵運(yùn)行所需電力，是有電廠將電能傳輸至牽引變電所，而后牽引變電所根據(jù)地鐵牽引的需要將電力轉(zhuǎn)換為不同標(biāo)準(zhǔn)，最后將電力輸送至地鐵運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)上空架設(shè)的電力接觸網(wǎng)，從而為地鐵的運(yùn)行供給電力。

地鐵牽引供電系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，也是地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中耗電占比最大的部分，經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)查，地鐵牽引用電占地鐵運(yùn)營(yíng)所耗電力的50%—60%，是當(dāng)前開(kāi)展地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用需要重點(diǎn)關(guān)注的部分，因牽引所需的巨大耗電量，一些基礎(chǔ)改動(dòng)便能夠進(jìn)一步提升地鐵運(yùn)營(yíng)節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 照明系統(tǒng)用電

照明系統(tǒng)是保證地鐵運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)條件，城市軌道交通機(jī)車(chē)之所以被稱(chēng)為，便是因城市軌道交通機(jī)車(chē)部分車(chē)站和線路處于地下，設(shè)立地鐵的初衷是為緩解城市交通壓力，機(jī)車(chē)在地下條件下運(yùn)行，便能夠在不增加地上交通設(shè)施的同時(shí)，分?jǐn)偟厣辖煌ǖ膲毫Α５诘叵聴l件下運(yùn)行，車(chē)站入口、行人通道、候車(chē)站臺(tái)等車(chē)站內(nèi)設(shè)施必須保證照明條件，才能夠保證過(guò)往行人的舒適度和車(chē)站運(yùn)行。

地鐵照明系統(tǒng)根據(jù)不同的用途和分布區(qū)域又分為公共區(qū)工作照明、公共區(qū)節(jié)點(diǎn)照明、電纜夾層照明、導(dǎo)向標(biāo)志照明等，車(chē)站的規(guī)模越大，所需要的照明設(shè)施便越大，在當(dāng)前城市建設(shè)快速成型的時(shí)代，為保障車(chē)站的照明需要，地鐵照明系統(tǒng)耗電已經(jīng)成為車(chē)站總耗電的主要占比之一。地鐵車(chē)站的規(guī)模不同，照明耗電占比也不同，一般地鐵照明系統(tǒng)占總耗電占比的4%-7%，因此，照明系統(tǒng)的節(jié)能也是當(dāng)前地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗工作的當(dāng)務(wù)之急[2]。

1.3 辦公場(chǎng)所用電

為維護(hù)地鐵車(chē)站的安全、整潔，保障過(guò)往行人的出行舒適度，地鐵車(chē)站需要建立包括通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、無(wú)人售票系統(tǒng)、便民設(shè)施等各種設(shè)施，繁復(fù)設(shè)備也是地鐵運(yùn)營(yíng)耗電的一部分。

各項(xiàng)系統(tǒng)都是人們出行乘坐地鐵時(shí)必要的條件，具體如下：1.通信系統(tǒng)。地鐵作為當(dāng)前人們?cè)诔鞘兄谐鲂械闹饕O(shè)施之一，在斷則數(shù)分鐘、長(zhǎng)則數(shù)十分鐘的地鐵乘坐時(shí)間里，若離開(kāi)通信系統(tǒng)的支持，會(huì)導(dǎo)致人們的生活、工作受到影響，這也導(dǎo)致通信系統(tǒng)是當(dāng)前地鐵車(chē)站必備的運(yùn)營(yíng)條件。2.信息系統(tǒng)。為便于行人等候，使人們?cè)跈C(jī)車(chē)進(jìn)站時(shí)能夠原理停車(chē)區(qū)域，車(chē)站的等候信息公布設(shè)施也是必備的。除此之外，機(jī)車(chē)位置信息也是控制運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，通過(guò)信息系統(tǒng)傳遞的機(jī)車(chē)信息，地鐵調(diào)度控制中心能夠更好的開(kāi)展管理工作。3.消防系統(tǒng)。消防是公共場(chǎng)所必須建設(shè)的基本運(yùn)營(yíng)條件，據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)各城市的軌道交通全年客運(yùn)量達(dá)194億人次，龐大的數(shù)據(jù)下若隱藏消防風(fēng)險(xiǎn)，所造成的安全事故將不可估量。消防系統(tǒng)又包括煙霧報(bào)警設(shè)施、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防泵、滅火系統(tǒng)、消防通風(fēng)設(shè)施等，為保證消防系統(tǒng)始終處于高標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，必須全工作時(shí)段供電，所耗電力也是地鐵能耗占比的重要部分[3]。4.給排水系統(tǒng)。給排水系統(tǒng)是保證地鐵車(chē)站工作人員飲用水、清潔用水、污水排放等需要的保障性系統(tǒng)，給排水系統(tǒng)中的供水水泵和排水加壓設(shè)施是系統(tǒng)中耗費(fèi)電能的主要因素，又因水資源是開(kāi)展工作和保障工作人員日常生活的基本條件，需要保證全天候高標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，其耗費(fèi)的電能也是巨量的。5.無(wú)人售票系統(tǒng)。在過(guò)往的地鐵運(yùn)行中，車(chē)票是由人工售查的，但隨著人們對(duì)地鐵需求的逐漸增加，人工售票、查票的方式已經(jīng)不能滿足需求，在科學(xué)技術(shù)的支持下，地鐵售票、查票當(dāng)前已經(jīng)脫離人工的限制，由無(wú)人售票設(shè)施、自動(dòng)查驗(yàn)門(mén)閘、智能設(shè)備二維碼等方式進(jìn)行售票、查票工作，但無(wú)人售、查票設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)同樣需要電能的支持。6.便民設(shè)施。地鐵的設(shè)計(jì)是為方便全體民眾，部分殘障人群并不具備乘坐門(mén)梯、走樓梯的條件，因此，在地鐵站中還需要建設(shè)垂直式電梯、輪椅升降機(jī)等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)地鐵為全民服務(wù)的目標(biāo)[4]。

1.4 環(huán)控用電

地鐵車(chē)站的環(huán)境控制是營(yíng)造過(guò)往行人舒適體驗(yàn)的關(guān)鍵性保障，主要包括：車(chē)站溫度調(diào)解設(shè)備、車(chē)站空氣流通設(shè)備等，在建筑施工的概念中被統(tǒng)稱(chēng)為暖通工程。首先，車(chē)站中央空調(diào)作為溫度調(diào)解的重要設(shè)備，其對(duì)電力的消耗難以想象的，但地鐵車(chē)站大部分建立在地下條件中，其溫度調(diào)節(jié)難度較地面條件更為苛刻，使得空調(diào)成為當(dāng)前地鐵、車(chē)站耗費(fèi)電力的主要因素之一。其次，地鐵車(chē)站是為城市全體民眾服務(wù)的，每年車(chē)站進(jìn)站人數(shù)難以估量，以客運(yùn)量最多的廣州地鐵為例，2022年全年廣州地鐵進(jìn)站量人數(shù)達(dá)127332.2萬(wàn)人，海量的人數(shù)在擁擠的車(chē)站中來(lái)往，導(dǎo)致地鐵車(chē)站、車(chē)內(nèi)的二氧化碳濃度激增，且在車(chē)內(nèi)相對(duì)密閉、車(chē)站多數(shù)處于地下的條件基礎(chǔ)上，為保證來(lái)往行人的舒適度和人身安全，車(chē)站和機(jī)車(chē)內(nèi)必須建設(shè)空氣流通設(shè)施[5]。

通風(fēng)空調(diào)的耗能巨大，為將車(chē)站、車(chē)內(nèi)溫度控制在人們的舒適條件下，車(chē)站、車(chē)內(nèi)的暖通工程耗電量便要占地鐵運(yùn)行消耗電力總量的25%-35%，因此，在環(huán)控耗電的海量條件下，降低地鐵暖通工程的耗電量將是地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗工作的主要突破方向之一。

1.5 門(mén)梯用電

地鐵車(chē)站和候車(chē)點(diǎn)多處于地下，一般地鐵深度處于20m-30m之間，且最深的重慶地鐵車(chē)站深度可達(dá)94m，若過(guò)往人們只能通過(guò)步梯的方式進(jìn)出車(chē)站，將會(huì)嚴(yán)重影響車(chē)站的日常運(yùn)營(yíng)效率，因此，地鐵車(chē)站門(mén)梯同樣是車(chē)站重要的設(shè)施之一。與其他設(shè)施不同，門(mén)梯因造價(jià)問(wèn)題，在每個(gè)車(chē)站門(mén)口少則1個(gè)，多則3個(gè)，不會(huì)設(shè)置過(guò)多的門(mén)梯，但即使1人進(jìn)出車(chē)站，門(mén)梯也許進(jìn)入工作狀態(tài)，在此條件下，門(mén)梯的耗電量會(huì)因不同時(shí)段的發(fā)生急劇變化[6]。

門(mén)梯的耗電量占地鐵運(yùn)行總耗電量的2%-5%，作為車(chē)站主要耗電設(shè)施之一，門(mén)梯的節(jié)能降耗工作同樣不可忽視。

2 地鐵供電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 主變電所設(shè)置

主變電所是地鐵整條線路的總變電所，是承擔(dān)地鐵運(yùn)營(yíng)期間電能轉(zhuǎn)換與輸送的重要設(shè)施，主變電所的職能是將城市電網(wǎng)中的高壓電轉(zhuǎn)換為牽引變電所適用的電壓等級(jí)，而后輸送給牽引變電所，是整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)的源頭。為開(kāi)展地鐵供電系統(tǒng)的節(jié)能減耗工作，主變電所設(shè)計(jì)便必須重視，首先，主變電所作為整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)的源頭，其重要性不言而喻，而保證主變電所功能性的各項(xiàng)設(shè)備價(jià)格自然居高不下，因此，主變電所應(yīng)設(shè)置在兩條地鐵運(yùn)營(yíng)線路的中間點(diǎn)，使同一主變電所能夠保障兩條地鐵線路的運(yùn)營(yíng)供電需要，在共享設(shè)備的前提下，減少地鐵運(yùn)營(yíng)投入[7]。其次，供電系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)增加，會(huì)加劇電能在傳輸過(guò)程中的消耗以及設(shè)備投入，在設(shè)計(jì)主變電所時(shí)，應(yīng)在保證地鐵線路供電需求的基礎(chǔ)上，盡可能減少供電節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，從而減少電能損耗，達(dá)成地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

2.2 選擇適合的中壓網(wǎng)絡(luò)

中壓網(wǎng)絡(luò)是連接主變電所、牽引變電所和降壓變電所的媒介，通過(guò)中壓網(wǎng)絡(luò)的布置才能夠?qū)崿F(xiàn)電力的傳輸，從而構(gòu)建地鐵供電系統(tǒng)。中壓網(wǎng)絡(luò)的接線形式主要包括放射式、環(huán)網(wǎng)式兩種，首先，放射式接線的可靠性較高，采用放射式接線的中壓網(wǎng)絡(luò)各供電線路相對(duì)獨(dú)立，單條線路發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響其他線路的正常工作，但放射式接線需要消耗較多的有色金屬，導(dǎo)致中壓網(wǎng)路建設(shè)的造價(jià)提升，一般適用于大型設(shè)備或負(fù)荷性質(zhì)重復(fù)條件下的供電。其次，環(huán)網(wǎng)式供電較為靈活，其結(jié)構(gòu)較為清晰，采用環(huán)網(wǎng)式供電建設(shè)的中壓網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行條件下，其最大負(fù)荷能夠達(dá)到線路允許載流的50%，因此，其單挑線路的可靠性較放射式接線更高[8]。

采用高壓電力傳輸是因電壓越大傳輸損耗越小的特性，而中壓網(wǎng)絡(luò)作為地鐵供電系統(tǒng)中變電所之間的連接媒介，選擇合適的中壓網(wǎng)絡(luò)能夠更好的完成電力傳輸，但電力傳輸損耗越小的中壓網(wǎng)絡(luò)造價(jià)便越高，在選擇中壓網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)綜合地鐵項(xiàng)目運(yùn)行需要，不應(yīng)過(guò)于糾結(jié)于造價(jià)或后期使用效果等片面因素。

2.3 牽引、降壓變電所的設(shè)置

首先，在牽引變電所的工作流程中，主要通過(guò)直流快速斷路器來(lái)保證上下行接觸網(wǎng)的供電需求，為地鐵的運(yùn)行提供電能，為開(kāi)展地鐵供電系統(tǒng)的節(jié)能減排工作，牽引變電所應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的更改設(shè)置。牽引變電所應(yīng)改變傳統(tǒng)供電方式，采用雙牽引整流機(jī)組進(jìn)行供電，兩套設(shè)備同系統(tǒng)、同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠降低電力在傳輸過(guò)程中的損耗。整流機(jī)組運(yùn)行期間應(yīng)做到負(fù)載平衡，降低阻抗電壓的不平衡度，以保證雙牽引整流機(jī)組的正常運(yùn)行[9]。

其次，降壓變電所能夠?qū)?0kV、35kV的中壓轉(zhuǎn)換為地鐵運(yùn)行所需的750V或1500V電壓，進(jìn)而將符合地鐵運(yùn)行需要的電壓輸送至接觸網(wǎng)。但電壓越小在傳輸?shù)倪^(guò)程中損耗的電力便越多，因此，為實(shí)現(xiàn)降壓變電所的節(jié)能目標(biāo)，在設(shè)計(jì)降壓變電所是，應(yīng)盡量選擇靠近負(fù)荷中心的位置，從而減少配電電纜的長(zhǎng)度，以達(dá)到減少在傳輸電力的過(guò)程中損耗電能的設(shè)計(jì)目的。

2.4 合理敷設(shè)電纜

電纜是地鐵傳輸系統(tǒng)中電力傳輸?shù)闹饕浇?，無(wú)論是高壓、中壓、低壓用電設(shè)備和變電站之間都需要電纜的連接，合理的敷設(shè)電纜能夠?qū)⒌罔F供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗工作效果最大化。

首先，當(dāng)前中壓網(wǎng)絡(luò)的電纜敷設(shè)一般采用三芯電纜，在電力傳輸?shù)某ＷR(shí)中，電纜長(zhǎng)度的增加會(huì)提高電力傳輸?shù)膿p耗，但在使用單芯電纜的進(jìn)行敷設(shè)時(shí)，電纜線路會(huì)產(chǎn)生電抗，從而增加電力傳輸?shù)膿p耗，因此，敷設(shè)單芯電纜時(shí)應(yīng)呈品字形排列，能夠有效降低線路電抗，防止渦流的形成，保障電力傳輸?shù)男屎桶踩?/p>

其次，電纜敷設(shè)方式需要根據(jù)地鐵現(xiàn)場(chǎng)情況選擇，主要包括架空、地下、水底、墻壁和隧道等多種方式，在不同的條件下選擇符合電纜的方式也需要進(jìn)行調(diào)整，具體選擇需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷[10]。

2.5 時(shí)段性節(jié)能改動(dòng)

地鐵的全天客流量根據(jù)地鐵周邊工作時(shí)間、學(xué)校周邊時(shí)間等規(guī)律分為高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段兩部分，時(shí)段性節(jié)能改動(dòng)便是將地鐵中用電設(shè)備在非高峰時(shí)段的功率降低以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)?？梢詰?yīng)用時(shí)段性改動(dòng)的耗電系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、無(wú)人售票系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等，在非高峰時(shí)段地鐵車(chē)站的進(jìn)出客量與高峰時(shí)段地鐵車(chē)站的進(jìn)出客量相差巨大，以2023年4月7日的廣州東站進(jìn)出客量為例，廣州東站全天進(jìn)客量約8.4萬(wàn)人次，出客量約7.5萬(wàn)人次，其中早06：00-09：00與晚17:30-20：00的早晚高峰便約占據(jù)全天進(jìn)出客量的70%，此時(shí)所有設(shè)備都應(yīng)高功率運(yùn)行，一般保障過(guò)往行人的舒適度。與之相反，在非高峰時(shí)段時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉50%照明設(shè)備、降低暖通空調(diào)功率、關(guān)閉部分電梯的方式進(jìn)行節(jié)能降耗[11]。

3 可再生能源的利用

可再生能源是當(dāng)前節(jié)能降耗的主要方式之一，為提高車(chē)站環(huán)節(jié)車(chē)站供電系統(tǒng)的電能消耗壓力，應(yīng)通過(guò)可在能能源的利用產(chǎn)生電力，降低地鐵、車(chē)站各設(shè)備對(duì)電力的消耗。

首先，可再生能源的第一目標(biāo)便是太陽(yáng)能，大部分地鐵車(chē)站的周邊都有較大空地，且地鐵入口上也能夠安放太陽(yáng)能設(shè)備，進(jìn)而通過(guò)太陽(yáng)能設(shè)備發(fā)電，為車(chē)站提供電能。

其次，可再生能源的第二目標(biāo)便是風(fēng)能，一般風(fēng)能發(fā)電裝置占地較大，因此，風(fēng)能發(fā)電設(shè)施不便設(shè)置在城市中，但地鐵建設(shè)時(shí)可在城市郊外設(shè)立風(fēng)能發(fā)電設(shè)備，通過(guò)電纜的連接為車(chē)站設(shè)施供電。

最后，地?zé)崮芡瑯邮墙陙?lái)可再生能源的代表，通過(guò)挖掘地?zé)峋竭_(dá)地表深處，能夠獲取超過(guò)150℃的地?zé)崮埽瑥亩糜诎l(fā)電環(huán)節(jié)車(chē)站的用電能耗問(wèn)題。

可再生能源的發(fā)電效率較車(chē)站、地鐵消耗的海量電能相比微乎其微，但可再生能源的可再生、無(wú)副作用特點(diǎn)，能夠緩解一部分地鐵運(yùn)營(yíng)的電能消耗壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地鐵是現(xiàn)代人們?cè)诔鞘谐鲂械闹饕煌ūＵ希罔F機(jī)車(chē)極其附屬設(shè)施消耗的電能極其龐大，為保障城市的可持續(xù)發(fā)展，相應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，相關(guān)工作人員應(yīng)積極應(yīng)用節(jié)能降耗技術(shù)，為地鐵的未來(lái)發(fā)展指明方向。