城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)胡黎明（南京軌道交通系統(tǒng)工程有限公司，江蘇南京210019）摘要：從供電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇與節(jié)能、列車再生制動(dòng)能量利用三個(gè)方面論述了城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。 關(guān)鍵詞：城市軌道；節(jié)能設(shè)計(jì)；供電 城市軌道交通是指在城市中使用車輛在固定導(dǎo)軌上運(yùn)行，應(yīng)用于城市客運(yùn)的交通系統(tǒng)。通常以電能為動(dòng)力，采取輪軌運(yùn)輸?shù)姆绞?，運(yùn)送大量客流。目前國內(nèi)主流的城市軌道交通主要分為地鐵、 有軌電車、輕軌、市郊鐵路、單軌交通、磁懸浮交通等幾種類型。現(xiàn)代城市軌道交通發(fā)展迅速，在國內(nèi)很多大型城市逐漸發(fā)展，并已經(jīng)形成軌道交通網(wǎng)絡(luò)。城市軌道交通具有快捷準(zhǔn)時(shí)、安全舒適、換乘方便、運(yùn)力大，環(huán)保，能耗少等特點(diǎn)，得到各地政府部門的大力支持與推廣。城市軌道交通消耗的全部是電能，電力消耗占全部運(yùn)營成本的30%～48%。在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，如何降低電力運(yùn)行成本，在城市軌道交通供電設(shè)計(jì)中，有著現(xiàn)實(shí)意義。供電系統(tǒng)作為用電設(shè)備的能量來源，其方案設(shè)計(jì)在滿足運(yùn)營需要的基礎(chǔ)上，應(yīng)更加合理地確定節(jié)能原則，將節(jié)能的總要求提前貫徹。1供電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)1.1主變電所設(shè)置與主變壓器容量的確定主變電所為城市軌道交通整條線路的總變電所，承擔(dān)整條線路的電力負(fù)荷的用電。主變電所將城市電網(wǎng)的高壓 110kV（或220kV）電能降壓后以35kV或10kV的電壓等級(jí)分別供給牽引降壓變電所。 主變電所的設(shè)置主要包括布點(diǎn)和數(shù)量，主變電所的位置，盡量選擇在兩條線路的交匯點(diǎn)，靠近線路，兩條線路共用一個(gè)主變電所，實(shí)現(xiàn)資源共享，減少前期變電所的建設(shè)投資，減少供電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，也減少主變電所的設(shè)備損耗， 達(dá)到節(jié)能的目的。1.2中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)及接線形式的選擇根據(jù)用電負(fù)荷及供電距離，合理確定中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)。中壓網(wǎng)絡(luò)等級(jí)越高，線路損耗越小，但電壓等級(jí)的提高會(huì)使設(shè)備的造價(jià)增加，工程建設(shè)投資增大。目前國內(nèi)中壓供電網(wǎng)絡(luò)有 10kV、35kV兩種。目前最常見的中壓網(wǎng)絡(luò)接線形式主要有兩種：放射式和環(huán)網(wǎng)式接線。放射式接線每回電纜所承擔(dān)的負(fù)荷較小，線路損耗較小，但電纜回?cái)?shù)較多，電纜數(shù)量多，投資過高；環(huán)網(wǎng)式接線所需的電纜數(shù)量較少，投資較低，每回電纜所承擔(dān)的負(fù)荷較大，線路損耗較大。對(duì)于隧道多的軌道交通，在隧道盡量少敷設(shè)電纜，提高電纜的經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮可靠性、投資和節(jié)能效果，一般多采用環(huán)網(wǎng)式中壓網(wǎng)絡(luò)接線形式。 1.3牽引、降壓變電所設(shè)置與牽引變壓器容量確定牽引變電所通過直流快速斷路器分別向上下行接觸網(wǎng)供電，以保證列車安全可靠地運(yùn)行。牽引變電所設(shè)置雙牽引整流機(jī)組雙邊供電，牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量好，能耗低。兩套牽引整流自足接在同一段中壓母線上，構(gòu)成等效24脈波整流，利于諧波治理。整流機(jī)組應(yīng)盡量保持負(fù)載平衡，降低阻抗電壓的不平衡度。降壓變電所將中壓電能轉(zhuǎn)換為低壓電能，向區(qū)域內(nèi)所有低壓用電負(fù)荷提供電源。兼顧節(jié)能與節(jié)省投資，降壓變電所應(yīng)盡量靠近負(fù)荷中心，盡量減小配電電纜長(zhǎng)度，減少線路損耗。1.4無功補(bǔ)償與防止過補(bǔ)償在供電系統(tǒng)中需要考慮低壓無功補(bǔ)償，對(duì)于動(dòng)力照明配電系統(tǒng)中的一些感性負(fù)載，其無功容量一般比較大，相應(yīng)無功損耗也比較大。為了降低無功損耗，達(dá)到節(jié)能的目的，供電系統(tǒng)及動(dòng)力照明配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮一定的無功補(bǔ)償措施，將無功損耗降到允許的范圍內(nèi)。為了解決電源引入端變電所存在的無功電容過補(bǔ)問題，可考慮在主變電所設(shè)置電能質(zhì)量有源濾波裝置，可同時(shí)起到諧波治理、電壓補(bǔ)償和無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?.5電纜敷設(shè)方式電纜敷設(shè)力求合理，為了減少線路損耗，應(yīng)盡量減少迂回敷設(shè)。中壓環(huán)網(wǎng)電纜一般采用三芯電纜。當(dāng)采用單芯電纜時(shí)，單芯電纜要求敷設(shè)成為品字形排列，以降低線路電抗，從而降低電纜損耗，防止形成渦流。1.6動(dòng)力照明系統(tǒng)在整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)力照明系統(tǒng)的各種用電設(shè)備是消耗電能的最終用戶。各種用電設(shè)備的功率損耗與負(fù)載性質(zhì)（電阻性、電感性、電容性）、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、控制電路、運(yùn)行方式等有關(guān)，降低功率損耗可以達(dá)到節(jié)能的目的。照明配電系統(tǒng)力求三相負(fù)荷平衡，并采用節(jié)能措施，降低照明配電系統(tǒng)的負(fù)荷容量，按功能分區(qū)和使用要求的不同，照明控制采用集中控制、分散控制和自動(dòng)控制相結(jié)合的方式，根據(jù)需要開啟與關(guān)閉照明燈具，為節(jié)約用電創(chuàng)造條件。對(duì)于站廳、站臺(tái)的照明，采用多路交叉供電，奇偶數(shù)設(shè)置照明燈回路，在非高峰時(shí)段，打開一部分照明燈，即：只打開奇數(shù)或偶數(shù)照明燈，通過這種方式達(dá)到照明節(jié)能的目的。 2設(shè)備選擇與節(jié)能 設(shè)備選擇與節(jié)能，主要是指選用節(jié)能型電氣設(shè)備達(dá)到節(jié)能的目的。 2.1 牽引變壓器牽引變壓器應(yīng)選擇高效率、低損耗、噪音小的自冷干式變壓器，不選用帶風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫風(fēng)冷式變壓器，不設(shè)置風(fēng)機(jī)，可降低電能損耗。同時(shí)，合理選擇牽引變壓器二次側(cè)電壓等級(jí)及整流機(jī)組整流電壓，使接觸網(wǎng)電壓水平不會(huì)很高，減少列車因接觸網(wǎng)電壓過高而轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)的機(jī)會(huì)。 2.2配電變壓器 配電變壓器選擇節(jié)能型配電變壓器，降低變壓器損耗，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)節(jié)能產(chǎn)品 S10、S11系列變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗的效果均比較好。另外比較新型的非晶合金變壓器節(jié)能效果更加突出，運(yùn)用日趨廣泛。 2.3動(dòng)力照明 動(dòng)力照明設(shè)備應(yīng)選用高效節(jié)能產(chǎn)品，如：高效電子節(jié)能器、節(jié)能燈等。根據(jù)各種場(chǎng)所使用的電光源品種進(jìn)行選型，盡量采用高效、節(jié)能、發(fā)光效率高的光源和高效燈具。2.4二次回路二次回路設(shè)備選型：選用二次側(cè)電流為1A的電流互感器，與選用二次側(cè)電流為5A的電流互感器相比可以減少二次回路的電能損耗。3列車再生制動(dòng)能量利用目前軌道交通車輛的制動(dòng)方式一般采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合的方式。一般優(yōu)先采用再生制動(dòng)，當(dāng)再生制動(dòng)能量無法被同時(shí)在線運(yùn)行車輛吸收時(shí)，則自動(dòng)啟動(dòng)電阻制動(dòng)（以免電壓進(jìn)一步升高）消耗再生電能，最后才采用空氣制動(dòng)來制停列車。再生電能并不是都能被其他車輛吸收，剩余部分消耗在車載制動(dòng)電阻上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到空氣中，引起隧道和地下車站的溫升，同時(shí)增加了地下車站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，造成大量的能源損失，增加運(yùn)行費(fèi)用。因此，選擇合適有效的再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化利用方式顯得迫切需要。為了減少制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為列車制動(dòng)電阻上的熱能消耗，一般采用在牽引變電所設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置（目前大多數(shù)的列車自帶制動(dòng)電阻箱），主要包括電阻耗能型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型和雙向ⅠGBT變流器等能量吸收和轉(zhuǎn)化利用的方式。3.1電阻耗能型電阻耗能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用多相GBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上。電阻型吸收裝置的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是：車輛再生制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上，未加以利用，而且電阻散熱也導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，若該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時(shí)，電阻柜需單獨(dú)放置，而且該房間需要響應(yīng)的通風(fēng)動(dòng)力裝置，也增加了相應(yīng)的二次能源消耗。3.2電容儲(chǔ)能型電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要原理是采用ⅠGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)、加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。優(yōu)點(diǎn)是：有效利用再生能源，節(jié)能效益好，直接在牽引網(wǎng)或變電所正負(fù)母線間，直接在直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成影響。該裝置為電容儲(chǔ)能裝置，維護(hù)和元器件更換比較方便。缺點(diǎn)是：價(jià)格高，裝置存儲(chǔ)容量小，不足以完全吸收再生電能。3.3飛輪儲(chǔ)能型飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置的原理是對(duì)變電所直流空載電壓、母線電壓進(jìn)行跟蹤判斷，當(dāng)判斷變電所附近列車有再生電能需要吸收時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)存能量；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動(dòng)時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能，同時(shí)還具有穩(wěn)壓功能。優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)能效益好。缺點(diǎn)是：使用壽命未確定，維護(hù)維修難度大，目前國內(nèi)尚無成熟技術(shù)和產(chǎn)品。3.4逆變回饋型逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上，當(dāng)再生制動(dòng)使直流電壓超過規(guī)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)能效果好，再生電能直接回饋到電網(wǎng)，不需要配置儲(chǔ)能元件和吸收電阻，對(duì)環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下，多采用此方案。缺點(diǎn)是：逆變產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量有影響，變電所需要安裝逆變電抗器或變壓器、逆變器，占地面積較大。目前國內(nèi)地鐵項(xiàng)目有推廣應(yīng)用。城市軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的措施，需要貫徹在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，特別是再生電能吸收裝置，如成功利用對(duì)于電能的節(jié)省有重要的意義。參考文獻(xiàn)：[1]龔孟榮.地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究[D].西南交通大學(xué),2013.[2]許凱.電氣節(jié)能技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用