直流1500V接触轨节能研究

直流1500V接触轨节能研究 专业知识分享版 摘 要 结合深圳地铁3号线工程成果及工程实践,从城市轨道交通牵引授流制式在节约能源、节省资源和减少碳排放等方面的优势进行阐述,充分证明直流1 500V钢铝复合接触轨授流方式是城市轨道交通的发展方向。 关键词 牵引授流制式 直流1500V 架空接触网 钢铝复合接触轨 节约能源 节省资源 我国是一个能源供应紧张而低碳环保 能源是国民经济和社会发展的根本。目前, 又浪费严重的国家,虽然能源开发与节约工作取得了重大进展,能源效率有所提高,但与发达国家相比,我国的能源效率和水平依然偏低,节能、环保是时代的主题。为此,城市轨道交通工程也应从长远考虑节能、环保的问题,正确处理城市轨道交通与城市自然环境的关系,通过资源的高效利用、合理配置和有效保护,实现城市可持续发展是城市轨道交通建设及发展的现代理念。 1 影响城市轨道交通牵引用电量的因素 城市轨道交通牵引用电量随不同线路和运输规模而不同,影响牵引用电量大小的因素很多。 1)车辆重量。车辆重量包括自重和乘客重量,车辆自重约占总重量的2/3~4/5。因车辆自重所消耗的用电量占有很大比重,故减少车辆自重,可降低列车耗电量。 2)车辆的启制动方式和特性。车辆采用VVVF交流牵引传动技术,通过调节电压及频率来调节电机转速,其调速性能和节能效果明显优于直流牵引传动系统,可以有效地节约能源。制动时采用电力再生技术回收电能,可节约电能15%左右。而车辆启动加速度大,可以减少用电时间、节约启动耗电;车辆制动减速度大,可以延长惰行时间,从而多利用车辆动能,节约制动耗电。另外,车辆本身的牵引电机和机械特性不同,会影响传动效率,降低或增加电能。 3)线路坡度和曲线半径。线路坡度大、曲线半径小,用电量相应增加。 4)线路形式。线路形式不同,影响列车运行的附加阻力。在隧道中,运行的列车因要克服风洞阻力而增加用电量。列车横断面与隧道断面的比例越大风洞阻力也大,单线隧道的阻力又大于双线隧道的阻力。列车出站线路上坡比下坡要增加用电量。 5)车站站距。车站站间距离小、列车启动次数多、惰行时间短,用电量大。 6)牵引供电系统电压和馈电方式。一般而言,提高牵引电压,可以减少线路损失,节约用电量。在相同牵引电压下,采用钢铝复合接触轨授电要比采用架空网授电减少线路损失(因采用接触轨授电时牵引网电阻通常较小)。上下行并路馈电要比分路馈电节约用电,双边馈电要比单边馈电节约用电。 7)列车最高速度。列车运行最高速度与耗电量几乎成平方关系,列车运行速度高,列车动能大,启动电流强,用电时间长。 以上这些都是影响牵引用电量的因素,往往在选择和可行性论证中互相影响而不确定。其中,与牵引供电密切相关的是牵引供电系统电压和馈电方式,亦即牵引供电制式。 2 牵引供电制式 城市轨道交通牵引供电制式主要是指电流制、电压等级和授流方式等,它制约着城市轨道交通牵引变电所的形式及规模。 1)电流制。城市轨道交通系统的牵引供电制式宜采用直流制。 2)电压等级。城市轨道交通的发展历史比较长,而不同国家、不同时期所采用的电压等级也多种多样,但发展趋向是IEC的DC 600V、750V、1 500V三种,我国城市轨道交通直流牵引供电系统采用DC 750 V和DC 1 500V两个电压等级。采用DC1 500V供电,可以更大限度地发挥车辆的牵引功率,减小车辆重量和能量损耗。 具体选择哪种电压等级,需根据车辆、线路结构和电气设备水平而定。从经济角度看,选用DC 1 500 V较好,它可以增加牵引供电距离,减少牵引变电所数量,减少电能损失,节约投资和运行费用,同时还可以减少杂散电流。但是,在采用DC 1 500V电压等级时,必须提 使命:加速中国职业化进程 专业知识分享版 高牵引变电所和车辆直流电器电机设备的绝缘水平。 3)授流方式。在目前的城市轨道交通系统中,地铁的授流方式分为接触轨(俗称“第三轨”)、架空接触网、导向轨(橡胶轮车)三种。接触轨的电压范围是DC 600~1 500V,架空接触网一般采用DC 1 500V。传统认为架空接触网比较安全,但其系统可靠性较差、运营风险高、维护工作量大、运行费用高。而接触轨运行维护简便、工作量少、运行费用低,而且线路电能损耗小,可以充分利用隧道空间。相对架空接触网而言,接触轨系统的城市景观较好。 GB/T 10411—2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》规定:“向地铁电动客车供给电源的接触网,分为接触轨和架空接触网。架空接触网又可分为柔性接触和刚性接触,并以地铁的走行轨或专用回流轨作为牵引电流的回流电路。电压在DC 1 500V及以上的接触网宜采用架空形式。”我国近期修建的城市轨道交通,根据IEC标准和我国国家标准的规定,分为DC750V和DC 1 500V两个电压等级,接触轨一般采用DC 750V,架空接触网一般采用DC1 500V,并都采用走行轨回流方式。采用DC 1 500V供电,可以更大限度地发挥车辆的牵引功效,降低车重和能量损耗。 3 运行安全性 在运行安全性方面,刚性架空接触网悬挂安装架设在车辆上方,带电体远离人群日常活动的地方,发生触电的可能性小,适宜于地下线路,安全性高;接触轨沿轨道敷设,安装在轨道旁,如轨道旁边有人行走或检修,与人身接触、发生触电的可能性相对较大些。 对DC 1 500V接触轨系统,在采用下部授流方式之后,提高了带电体的防护范围,安全性较接触轨上部授流大大提高,但和架空刚性接触网相比安全性仍稍差,需要从维护管理以及疏导体系等方面进行严格管理和控制。在发生事故紧急疏散乘客时,架空接触网将给人们更大的安全性。在采取相应安全措施的情况下,接触轨的安全性可以得到保证。 1)接触轨采用防护罩,防护罩任何一点可承受10 kV电压。 2)线路采用全封闭运行,且站台设有屏蔽门或安全门,可确保乘客安全。 3)夜间停运检修,接触轨也随之断电、挂地线,不存在对维修人员的安全威胁。 4)当列车在区间需要立即疏散乘客时,接触轨敷设在疏散平台下,车站控制室可对接触轨紧急停电,不会给乘客带来安全威胁。 5)事故发生时,各种措施(消防、行调、SACDA、保护等)已确保接触轨及时可靠断电。 4 牵引供电距离 客运量是决定城市轨道交通供电系统设备容量的主要依据。一般而言,客流量越大,高峰小时列车最小追踪间隔时分越小,列车编组数越大(即列车重量越大)。在牵引电压一定的条件下,列车的牵引电流与列车的重量成正比,列车重量大,则列车牵引电流大,牵引电压损失也大,供电距离小。在列车牵引功率一定的条件下,列车牵引电流与牵引电压的等级成反比,牵引电压等级高,则列车牵引电流小,牵引电压损失也小,供电距离长。在通常情况下, DC 750 V系统的供电距离为1~2 km,而DC 1 500V系统的供电距离为2~3.5 km。因此,采用DC 1 500V电压等级,可以较大比例地减少牵引电压损失,达到低能耗的标准。 5 全寿命周期成本 接触网的使用寿命,关系到其更新改造的再投资。在接触线允许磨耗方面,刚性悬挂允许磨耗为50%。架空接触网主要通过换线来实现接触网更新,根据国内外运行经验,列车在800弓架次/天通过时,架空接触线的使用寿命一般为10~15年,刚性接触线Π型部分为30~50年。 接触轨的特点是坚固耐磨,使用寿命长,在伦敦地铁有使用超过100年的接触轨。前几年,北京地铁曾对低碳钢接触轨磨耗状况进行过检测,经过20多年的运营,其磨耗量不到5%。按此推算,接触轨使用100年,其磨耗量也不到25%;即使出于安全考虑,接触轨的 使命:加速中国职业化进程 专业知识分享版 使用寿命按60年计算,也远比架空接触网的使用寿命要长很多。 接触轨支撑和防护系统的设备寿命主要由设备的材料所限制,地面线受紫外线影响通常为15年,地下线可以达到20年。在不同的行车对数和密度下,根据国内外相关的运行数据,钢铝复合导电轨的寿命可以达到50~70年以上。因此,从全寿命周期成本考虑,采用钢铝复合导电轨要明显优于刚性接触网,能达到节省资源的目的。 6 能量损耗 牵引供电系统的能量损耗分为电源系统损耗、牵引整流机组损耗和牵引网损耗。 对于DC 750V和DC 1 500V电压等级,可以认为电源系统的能量损耗不变。但在DC 750 V电压等级时,全线牵引整流机组的总安装容量较大,因而牵引整流机组的空载损耗大;牵引网上流过的电流大,所以其牵引网损耗也较大。 以深圳地铁3号线首期工程为例,4种牵引供电制式的能量损耗对比如1所示,其中,刚性悬挂牵引网阻抗为0.028Ω/km,柔性悬挂牵引网阻抗为0.042Ω/km,钢铝复合接触轨牵引网阻抗为0.019Ω/km。从表 1可知,由于钢铝复合接触轨牵引网阻抗最小,采用DC 1 500V全线接触轨方案可以最大限度地减少能量损耗。相对于DC 750V接触轨,每公里线路每年可减少碳排放量约60 t,相对于DC 1500V架空接触网,每公里线路每年可减少碳排放量约36 t。 使命:加速中国职业化进程