城市轨道交通供电系统节能设计

Engineering Design| 工程设计 | ·207·2017年1月城市轨道交通供电系统节能设计胡黎明（南京轨道交通系统工程有限公司，江苏 南京 210019）摘 要：从供电系统的节能设计、设备选择与节能、列车再生制动能量利用三个方面论述了城市轨道交通供电系统节能设计，具有一定的实践价值。

关键词：城市轨道；节能设计；供电中图分类号：U223 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）01-0207-02城市轨道交通是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行，应用于城市客运的交通系统。

通常以电能为动力，采取轮轨运输的方式，运送大量客流。

目前国内主流的城市轨道交通主要分为地铁、有轨电车、轻轨、市郊铁路、单轨交通、磁悬浮交通等几种类型。

现代城市轨道交通发展迅速，在国内很多大型城市逐渐发展，并已经形成轨道交通网络。

城市轨道交通具有快捷准时、安全舒适、换乘方便、运力大，环保，能耗少等特点，得到各地政府部门的大力支持与推广。

城市轨道交通消耗的全部是电能，电力消耗占全部运营成本的30％～48％。

在建设节约型社会，如何降低电力运行成本，在城市轨道交通供电设计中，有着现实意义。

供电系统作为用电设备的能量来源，其方案设计在满足运营需要的基础上，应更加合理地确定节能原则，将节能的总要求提前贯彻。

1 供电系统的节能设计1.1 主变电所设置与主变压器容量的确定主变电所为城市轨道交通整条线路的总变电所，承担整条线路的电力负荷的用电。

主变电所将城市电网的高压110kV（或220kV）电能降压后以35kV或10kV的电压等级分别供给牵引降压变电所。

主变电所的设置主要包括布点和数量，主变电所的位置，尽量选择在两条线路的交汇点，靠近线路，两条线路共用一个主变电所，实现资源共享，减少前期变电所的建设投资，减少供电网络的节点，也减少主变电所的设备损耗，达到节能的目的。

1.2 中压网络电压等级及接线形式的选择根据用电负荷及供电距离，合理确定中压网络的电压等级。

中压网络等级越高，线路损耗越小，但电压等级的提高会使设备的造价增加，工程建设投资增大。

目前国内中压供电网络有10kV、35kV两种。

目前最常见的中压网络接线形式主要有两种：放射式和环网式接线。

放射式接线每回电缆所承担的负荷较小，线路损耗较小，但电缆回数较多，电缆数量多，投资过高；环网式接线所需的电缆数量较少，投资较低，每回电缆所承担的负荷较大，线路损耗较大。

对于隧道多的轨道交通，在隧道尽量少敷设电缆，提高电缆的经济性，综合考虑可靠性、投资和节能效果，一般多采用环网式中压网络接线形式。

1.3 牵引、降压变电所设置与牵引变压器容量确定牵引变电所通过直流快速断路器分别向上下行接触网供电，以保证列车安全可靠地运行。

牵引变电所设置双牵引整流机组双边供电，牵引网电压质量好，能耗低。

两套牵引整流自足接在同一段中压母线上，构成等效24脉波整流，利于谐波治理。

整流机组应尽量保持负载平衡，降低阻抗电压的不平衡度。

降压变电所将中压电能转换为低压电能，向区域内所有低压用电负荷提供电源。

兼顾节能与节省投资，降压变电所应尽量靠近负荷中心，尽量减小配电电缆长度，减少线路损耗。

1.4 无功补偿与防止过补偿在供电系统中需要考虑低压无功补偿，对于动力照明配电系统中的一些感性负载，其无功容量一般比较大，相应无功损耗也比较大。

为了降低无功损耗，达到节能的目的，供电系统及动力照明配电系统的设计需要考虑一定的无功补偿措施，将无功损耗降到允许的范围内。

为了解决电源引入端变电所存在的无功电容过补问题，可考虑在主变电所设置电能质量有源滤波装置，可同时起到谐波治理、电压补偿和无功补偿的作用。

1.5 电缆敷设方式电缆敷设力求合理，为了减少线路损耗，应尽量减少迂回敷设。

中压环网电缆一般采用三芯电缆。

当采用单芯电缆时，单芯电缆要求敷设成为品字形排列，以降低线路电抗，从而降低电缆损耗，防止形成涡流。

1.6 动力照明系统在整个供电网络中，动力照明系统的各种用电设备是消耗电能的最终用户。

各种用电设备的功率损耗与负载性质（电阻性、电感性、电容性）、产品结构、控制电路、运行方式等有关，降低功率损耗可以达到节能的目的。

照明配电系统力求三相负荷平衡，并采用节能措施，降低照明配电系统的负荷容量，按功能分区和使用要求的不同，照明控制采用集中控制、分散控制和自动控制相结合的方式，根据需要开启与关闭照明灯具，为节约用电创造条件。

对于站厅、站台的照明，采用多路交叉供电，奇偶数设置照明灯回路，在非高峰时段，打开一部分照明灯，即：只打开奇数或偶数照明灯，通过这种方式达到照明节能的目的。

2 设备选择与节能设备选择与节能，主要是指选用节能型电气设备达到节能的目的。

2.1 牵引变压器牵引变压器应选择高效率、低损耗、噪音小的自冷干式变压器，不选用带风机的强迫风冷式变压器，不设置风机，可降低电能损耗。

同时，合理选择牵引变压器二次侧电压等级及整流机组整流电压，使接触网电压水平不会很高，减少列车因接触网电压过高而转为电阻制动的机会。

2.2 配电变压器配电变压器选择节能型配电变压器，降低变压器损耗，目前市场上出现节能产品S10、S11系列变压器的空载损耗和负载损耗的效果均比较好。

另外比较新型的非晶合金变压器节能效果更加突出，运用日趋广泛。

2.3 动力照明动力照明设备应选用高效节能产品，如：高效电子节能器、节能灯等。

根据各种场所使用的电光源品种进行选型，尽量采用高效、节能、发光效率高的光源和高效灯具。

2.4 二次回路二次回路设备选型：选用二次侧电流为1A的电流互感器，与选用二次侧电流为5A的电流互感器相比可以减DOI:10.19537/ki.2096-2789.2017.01.463| 工程设计| Engineering Design·208·2017年1月少二次回路的电能损耗。

3 列车再生制动能量利用目前轨道交通车辆的制动方式一般采用电制动和空气制动混合的方式。

一般优先采用再生制动，当再生制动能量无法被同时在线运行车辆吸收时，则自动启动电阻制动（以免电压进一步升高）消耗再生电能，最后才采用空气制动来制停列车。

再生电能并不是都能被其他车辆吸收，剩余部分消耗在车载制动电阻上并转变为热能散发到空气中，引起隧道和地下车站的温升，同时增加了地下车站内空调系统的负荷，造成大量的能源损失，增加运行费用。

因此，选择合适有效的再生制动能量转化利用方式显得迫切需要。

为了减少制动能量转化为列车制动电阻上的热能消耗，一般采用在牵引变电所设置再生制动能量吸收装置（目前大多数的列车自带制动电阻箱），主要包括电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型和双向IGBT变流器等能量吸收和转化利用的方式。

3.1 电阻耗能型电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。

电阻型吸收装置的优点是：控制简单，缺点是：车辆再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用，而且电阻散热也导致环境温度上升，若该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需要响应的通风动力装置，也增加了相应的二次能源消耗。

3.2 电容储能型电容储能型再生制动能量吸收装置主要原理是采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。

优点是：有效利用再生能源，节能效益好，直接在牵引网或变电所正负母线间，直接在直流系统转换，对系统不会造成影响。

该装置为电容储能装置，维护和元器件更换比较方便。

缺点是：价格高，装置存储容量小，不足以完全吸收再生电能。

3.3 飞轮储能型飞轮储能型再生制动能量吸收装置的原理是对变电所直流空载电压、母线电压进行跟踪判断，当判断变电所附近列车有再生电能需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量；当判断变电所附近有列车启动时，飞轮转速降低，作为发电设备向牵引网反馈电能，同时还具有稳压功能。

优点是：节能效益好。

缺点是：使用寿命未确定，维护维修难度大，目前国内尚无成熟技术和产品。

3.4 逆变回馈型逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，当再生制动使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

优点是：节能效果好，再生电能直接回馈到电网，不需要配置储能元件和吸收电阻，对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下，多采用此方案。

缺点是：逆变产生的谐波对电网质量有影响，变电所需要安装逆变电抗器或变压器、逆变器，占地面积较大。

目前国内地铁项目有推广应用。

城市轨道交通供电系统的节能设计是一项长期的措施，需要贯彻在前期规划设计阶段，特别是再生电能吸收装置，如成功利用对于电能的节省有重要的意义。

参考文献：[1]龚孟荣.地铁供电系统设计及仿真研究[D].西南交通大学,2013.[2]许凯.电气节能技术在工程设计中的应用[J].煤炭技术,2012,(4):67-69.[3]从景帅.面向节能的城市轨道交通列车运行图参数分析[D].北京交通大学,2015.[4]叶芹禄,周伟志.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计,2009,(3):60-63.（上接第204页）中实测到的地面加速度记录带入到上述关系式中即可求出结构的最大加速度反应。

在此条件下，通过对不同地震度、阻尼比、特征周期等参数下所对应地震影响系数的进一步计算，从而确定出最佳地震影响系数值，进而设计出满足结构设计要求的地震反应谱。

多遇地震下的地震反应谱分析结果显示，当地震作用在x方向上时，各关键节点在x方向上的弯矩与剪力要明显大于在其他方向上的弯矩和剪力，并且这种地震反应呈现出一定规律性。

当地震作用在y方向上时，关键节点在各个方向上的内力值都不是很大，主要原因在于单层钢结构厂房外平面布设了额外的屋面支撑、柱距支撑等支撑体系，使得厂房结构在平面外具有较大的刚度，在地震作用下不易发生变形。

依据上面分析，单层多跨钢结构厂房的结构抗震设计应重点加强主钢架、屋面支撑、柱间支撑和屋面檩条等几方面的抗震设计。

如，屋面檩条的抗震设计应依据国家有关抗震标准，从厂房整体结构出发对檩条的形状、尺寸进行合理设计，对抗震性能予以充分考虑。

3 结束语单层多跨钢结构厂房已成为现代工业厂房结构发展的主要模式，这种钢结构建造的厂房具有节约成本、自重轻等多种优点，符合现代节能环保和经济性发展要求。