電氣化鐵道節能技術(shù)探討

電氣化鐵道節能技術(shù)探討現代建筑電氣M AD2014年增刊趙琛，韓正慶(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031 )摘要: 近年來(lái)由于能源短缺和環(huán)境污染,節能減排越來(lái)越被人們所重視。作為耗能大戶(hù)的電氣化鐵道,探討其節能技術(shù)具有重要意義。介紹了電氣化鐵道的基本概念及其組成,針對每一部分的具體特點(diǎn),分別介紹了外部電源、牽引變電所、接觸網(wǎng)以及電力機車(chē)中的節能技術(shù)。最后對電氣化鐵道未來(lái)的發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞:節能減排;電氣化鐵道;外部電源;牽引變電所;接觸網(wǎng);電力機車(chē)0引言上上能源危機與環(huán)境污染是當今世界面臨的兩大| 牽引變電所牽引變電所難題。我國早在“十一五”規劃綱要中就提出了電分相“節能減排”。2012年8月國務(wù)院印發(fā)了《節能減H4IH接觸網(wǎng)排“十二五”規劃》,作為指導和推動(dòng)“十二五”節回流線(xiàn)列車(chē)能減排工作的綱領(lǐng)性文件。0060鋼軌因此,為了構建資源節約型、環(huán)境友好型社圖1電氣化鐵道示意圖會(huì ),切實(shí)貫徹和落實(shí)國家關(guān)于節能減排的政策,全國各行各業(yè)都必須行動(dòng)起來(lái)。鐵路在交通行業(yè)中算,內燃機車(chē)牽引鐵路為2. 86,電力牽引鐵路為占有舉足輕重的地位,但同時(shí)它也是消耗能源資1.93 ,高速公路為22. 05,飛機為44.1"。顯然，源的重點(diǎn)行業(yè),做好鐵路行業(yè)的節能減排工作,以電氣化鐵路的能耗最低。因此,大力發(fā)展電氣化最小的投入獲取最大的運輸效益,對于緩解我國鐵路有助于優(yōu)化能源結構,實(shí)現節能減排。我國當前能源緊缺、環(huán)境惡化等問(wèn)題具有重要的戰略在2008年新修訂的《中長(cháng)期鐵路規劃》指出,到意義。2020年底我國鐵路的電氣化率要達到60%以上，截止2013年底我國電氣化鐵路總里程已突破5.電氣化鐵道概述6萬(wàn)km,躍居世界第一。然而，隨著(zhù)電氣化鐵路電氣化鐵路,是指以電能作為牽引動(dòng)力的一的快速發(fā)展,其用電量也在不斷攀升,作為節能型種軌道交通運輸形式，主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)的交通運輸方式,其能耗量還是比較高的。因此，和電力機車(chē)三大元件組成，如圖1所示。其中牽若能進(jìn)一步提高其能源利用率,將產(chǎn)生可觀(guān)的節引變電所從地方電力系統引人的110 kV或能減排效益。220 kV高壓,通過(guò)牽引變壓器降至適合電力機車(chē)運行的27.5kV電壓，送至接觸網(wǎng),供給電力機車(chē)2外部電源節能技術(shù)運行。其作用是接收、分配、輸送電能。牽引網(wǎng)主我國電氣化鐵道的外部電源來(lái)自電力系統，要包括饋電線(xiàn)、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線(xiàn)和大地回路，因此外部電源的節能須要鐵路部門(mén)和電力部門(mén)的接觸網(wǎng)是其核心,是電氣化鐵道的主要供電設施，通力協(xié)作,共同完成。其功能是全天候不間斷地向電力機車(chē)供電。(1)外部電源電壓等級的選擇。電氣化鐵道由于電氣化鐵路采用的是電力二次能源，較外部電源是一項綜合、復雜的系統課題,關(guān)于其電其他牽引方式,其本身就具有很高的能源利用率,壓等級的選擇還未能有定論。目前,我國電氣化屬于節能型交通運輸方式。參照日本新干線(xiàn)及法鐵道外部電源大多采用110 kV的電壓等級,部分國TGV和國內有關(guān)資料，按人.km標準能耗計采用220kV。文獻[21指出,從全系統的角度來(lái)看，65 -MA現代建筑電氣電氣化鐵道節能技術(shù)探討2014年增刊將牽引供電系統看作電力系統的末端用戶(hù),采用無(wú)氧銅桿拉拔的導線(xiàn),提高導電系數。適當降低220 kV進(jìn)線(xiàn)減少了電能的中間變換環(huán)節,既節省電流密度,改善絕緣結構、采用半油道、預制絕緣了輸變電設備容量,也降低了電能損耗,對提高整件、繞組整體套裝、自粘線(xiàn)、自粘紙,縮小絕緣體個(gè)電力系統的經(jīng)濟運行指標，減少?lài)业哪芎氖欠e、提高繞組填充系數、減小繞組尺寸來(lái)減小負載較為有利的。所以，單從節能的角度考慮,選擇損耗。220kV的外部電源是有利的。然而，電壓等級的③降低其他部件損耗。改進(jìn)鐵心結構,以降升高會(huì )導致變電所造價(jià)增加,所以在電壓等級的低油箱等結構件的雜散損耗。用波紋油箱、片式選擇上還需綜合各方面因素,尋求- -種最佳方式。散熱器代替管式散熱器,提高散熱效率。(2)發(fā)展新能源技術(shù)。新能源發(fā)電技術(shù)主要④利用機械的工作特性降低損耗[5]。包括太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、潮汐(2)合理選擇變壓器容量。合理選擇變壓器能發(fā)電等方式。由于目前技術(shù)上還不是很成熟，的容量,對于減少其電能損失具有很大意義。文各種新能源都還存在著(zhù)一定風(fēng)險 ,加上電力市場(chǎng)獻[6]指出，通常情況大容量變壓器的空載損耗上，電力物資生產(chǎn)廠(chǎng)家眾多,電力產(chǎn)品質(zhì)量良莠不要大 于小容量變壓器,但對同- -負載功率,大容量齊，鐵路部門(mén)應該加強與供電單位的銜接,從源頭變壓器的負載損耗往往小于小容量變壓器。因此著(zhù)手,加強電力質(zhì)量的管理,進(jìn)而逐步轉變用能結變壓器容量的選擇要根據其臨界負載系數確定,構,實(shí)現用能的多元、高效、清潔化[3-4)。使得其空載損耗和負載損耗相等時(shí)，運行最經(jīng)濟。文獻[7]指出變壓器容量的選擇要根據其臨界負3牽引變電所節能技術(shù)載決定:當實(shí)際負載小于臨界負載時(shí),小容量變壓牽引變電所中可以采取的節能措施主要有兩器的功率損耗小于大容量變壓器;應選擇小容量類(lèi):一類(lèi)是降低由牽引變壓器引起的電能損失,另變壓器,當實(shí)際負載大于臨界負載時(shí),小容量變壓一類(lèi)是降低與負荷相關(guān)的負序、諧波、低功率因數器功率損耗大于大容量變壓器,應選擇大容量變等引起的電能損失。壓器。因此在選擇變壓器的容量時(shí),需確定其臨3.1牽引變壓器節能界負載,并結合實(shí)際負載做出最佳選擇。牽引變壓器的電能損失主要由空載損耗和負但由于我國采用的是兩部制電價(jià)，選擇過(guò)大載損耗兩部分組成。其電能損失在整個(gè)電氣化鐵容 量的變壓器在經(jīng)濟上是不可取的8。因此，在道的電能損失中占有很大比重,因此對牽引變壓變壓器容量的選擇上,需要綜合各方面因素,使其器采取相應的節能措施有利于整個(gè)電氣化鐵道的耗能最少,經(jīng)濟效益最優(yōu)。節能減排。3.2降低負序 電流引起的損失(1)節能變壓器。節能變壓器的使用在電力單相牽引負荷會(huì )引起三相電力系統的不對稱(chēng)系統中已十分普遍,目前我國國家電網(wǎng)和南方電運行,在電力系統中產(chǎn)生負序電流,負序電流由于網(wǎng)都要求采用S11級及以上型號的變壓器,其空其對電機、變壓器等的影響造成了電能的損失。載損耗較之前下降20% , 負載損耗下降5%。但對發(fā)電機來(lái)說(shuō)，負序電流的出現會(huì )導致發(fā)電機轉在電氣化鐵道牽引變壓器的相關(guān)標準中并沒(méi)有規子產(chǎn)生附加損耗和過(guò)熱,同時(shí)還會(huì )限制發(fā)電機的定其能耗等級,而牽引變壓器的平均負荷率-般出力,降低發(fā)電效率,造成電能損失;對電動(dòng)機來(lái)低于30% ,新建高鐵更只有5% ~ 10% ,因此降低說(shuō),負序電流的出現導致電動(dòng)機三相電流不平衡,變壓器空載損耗是電氣化鐵道節能的有力措施。降低其運行效率,同時(shí)由于電流的不對稱(chēng)會(huì )使得目前，變壓器節能有四條途徑可供選擇:定子和轉子繞組局部過(guò)載，銅損增加,除此之外負①降低空載損耗。采用性能優(yōu)良的硅鋼片或序電流還會(huì )導致電動(dòng)機轉子產(chǎn)生渦流,引起鐵損非晶合金片和階梯接縫。改進(jìn)鐵心結構和工藝，增加。對電力變壓器,負序電流的出現會(huì )使其容.降低工藝系數。不疊上鐵軛、硅鋼片不涂漆處理，量利用率下降,同時(shí)產(chǎn)生附加的電能損失;負序電剪切毛刺控制在0.03 mm以下。流還會(huì )增大電網(wǎng)損耗。②降低負載損耗。采用比電解銅導電率高的因此,降低負序電流對于電氣化鐵道的節能一66一電氣化鐵道節能技術(shù)探討現代建筑電氣MAD2014年增刊來(lái)說(shuō)還是十分必要的，目前采取的普遍做法是牽和同軸電纜( Coaxial Cable, CC)供電方式。不同引變電所換接相序,就是指各相鄰牽引變電所牽的供電方式能耗不同。直接供電方式結構簡(jiǎn)單、引變壓器的原邊各端子輪換接人電力系統中不同回路阻抗低,電壓水平好,電能損失小; BT供電方的相，當然還可采用特殊接線(xiàn)的牽引變壓器以及式由于在線(xiàn)路上裝設了吸流變壓器,導致接觸網(wǎng)并聯(lián)補償裝置。隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展,由西南交阻抗增加,電能損失也隨之增大;AT供電方式由通大學(xué)所研制的同相供電系統在解決負序的問(wèn)題于其電壓等級提高了一倍,加之供電回路阻抗低，上將會(huì )有更大的優(yōu)勢,目前,該裝置已經(jīng)在眉山牽大大降低了接觸網(wǎng)的電壓損失和電能損失;CC供引變電所試運行,同相供電裝置投人前系統負序電方式造價(jià)太高,限制了它的廣泛應用。電壓95%概率大值為0.61%,投人后降低為因此，在實(shí)際應用中,需要根據需要選擇合適0.33% ,抑制負序效果明顯,達到國標要求。的供電方式,使電能損失最小。但不論何種供電3.3 降低諧波及低功率因數造成的損失方式,其電能損失都與牽引負荷電流、牽引網(wǎng)單位諧波的出現同樣會(huì )造成發(fā)電機、電動(dòng)機以及電阻、供電臂長(cháng)度等因素相關(guān)。變壓器的附加損耗;而低功率因數則會(huì )導致電氣4.2 選擇合適的接觸 線(xiàn)材料,降低接觸網(wǎng)阻抗設備的效率降低,提高了發(fā)電和輸變電的成本,同接觸線(xiàn)材料引起電能損失不可避免，因為任時(shí)還會(huì )造成輸電網(wǎng)絡(luò )的電能損失。何導線(xiàn)在普通條件下都存在阻抗。因而,必然會(huì )目前，減少諧波影響及提高功率因數的措施引起電能損失。在這方面,線(xiàn)路阻抗大小就決定主要是在牽引變電所牽引側裝設并聯(lián)電容補償裝了電能損失的多少。因此,選擇單位阻抗較小的置,這也是電網(wǎng)中常用的無(wú)功補償方案[9。但是接觸線(xiàn)將有助于電氣化鐵道的節能。由于電氣化由于并聯(lián)電容補償模式,大都采用手工投切,存在鐵道供電的特殊性,還要求接觸線(xiàn)必須具有抗拉投切不及時(shí)、無(wú)功補償效果不好等問(wèn)題,且投切時(shí)強度高、耐熱性能好、耐磨性能好、制造長(cháng)度長(cháng)等易出現很高的過(guò)電壓，導致嚴重的供電故障。要性能,而這些性能之間往往又存在著(zhù)矛盾,因此在從根本上解決問(wèn)題,最好的方法是采用性能優(yōu)良選擇接觸線(xiàn)時(shí)要綜合考慮各方面因素,力求在滿(mǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置。靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置足其他各性能的條件下選擇阻抗最小的材料。SVC能夠快速、平滑地調節無(wú)功功率，以實(shí)現動(dòng)態(tài)4.3使用無(wú)磁化或低磁化金具補償和快速電壓調整,是一種較為實(shí)用的、基本符目前,在電力系統輸配電線(xiàn)路的節能技術(shù)中合電氣化鐵道牽引供電系統特點(diǎn)和要求的無(wú)功補人們很重視對無(wú)磁化或低磁化金具的使用,這是償裝置,但SVC不可能做到瞬時(shí)無(wú)功控制?；谝驗榻鹁呱袭a(chǎn)生的感應電動(dòng)勢與材料的相對導磁此,又研制出了靜止無(wú)功功率發(fā)生器SVG,由于率成正比，在鐵磁材料金具中,由于其相對導磁率經(jīng)濟和技術(shù)等方面原因，該裝置目前尚未大規模高(可以達到250~1000),感應的電動(dòng)勢大,因應用,但隨著(zhù)造價(jià)的降低和技術(shù)的不斷完善,其將此產(chǎn)生的渦流大。渦流在金具電阻上發(fā)熱,從而成為未來(lái)無(wú)功補償技術(shù)的發(fā)展方向101。將線(xiàn)路電能大量轉化為熱能消耗掉。鑒于此,通過(guò)采用無(wú)(低)導磁率的材料如鋁或銅合金或低4接觸網(wǎng)節能技術(shù)磁鋼來(lái)制造線(xiàn)路金具是節能的一種有效手段"。牽引供電系統主要包括牽引變電所和接觸因此,借鑒電力系統的經(jīng)驗,同樣可以在電氣化鐵網(wǎng),牽引接觸網(wǎng)的電能損失是牽引供電系統電能道中采用無(wú)磁化或低磁化的金具。損失的重要組成部分,因此做好牽引接觸網(wǎng)的節4.4其他節 能措施.能是電氣化鐵路的一項重要運營(yíng)指標，具有很重為了減少接觸網(wǎng)的電能損失,一般還可以采要的經(jīng)濟意義。取以下措施:4.1供電方式與 能耗(1)限制供電臂的長(cháng)度。供電臂的長(cháng)度除了電氣化鐵道的供電方式主要包括直接供電方對其末端最低電壓水 平有較大影響之外,還對牽式吸流變壓器( Booster-Transformer, BT)供電方引接觸網(wǎng)電能 損失有較大影響。過(guò)長(cháng)的供電臂，式、自耦變壓器( Auto-Transformer, AT)供電方式將 使牽引接觸網(wǎng)電能損失急劇增加。因此，在滿(mǎn)一67一MAE現代建筑電氣電氣化鐵道節能技術(shù)探討2014年增刊足行車(chē)要求的前提下要適當限制供電臂的長(cháng)度。列大型的鐵路機車(chē)生產(chǎn)公司也在其所生產(chǎn)的電力(2)增設加強導線(xiàn)。從經(jīng)濟方面考慮,如果機車(chē)中大量應用再生制動(dòng)節能技術(shù)。我國于20增設加強導線(xiàn)的一次投資費用,可以在近期內被世紀80年代后期開(kāi)始在鐵路中試用這一技術(shù)。減少的牽引接觸網(wǎng)電能損失費用所補償,則增設目前隨著(zhù)再生制動(dòng)技術(shù)的逐步完善,開(kāi)始在鐵路加強導線(xiàn)是有意義的。運輸中廣泛應用。(3)在具備條件的情況下，接觸網(wǎng)應盡可能結語(yǔ)采用雙邊供電方式。(4)在雙線(xiàn)區段,采用上、下行線(xiàn)路接觸網(wǎng)并隨著(zhù)現代社會(huì )的不斷發(fā)展,人們對能源的需聯(lián)供電,可減少接觸網(wǎng)電能損失。求量越來(lái)越大,能源危機也越來(lái)越近,節能減排成為人們普遍關(guān)注的話(huà)題。我國電氣化鐵道正處于5電力機車(chē)節能蓬勃發(fā)展時(shí)期，探討其節能技術(shù)對于實(shí)現“十二電力機車(chē)中提供動(dòng)能的裝置為牽引電動(dòng)機，五 ”規劃的節能減排目標具有重要意義。探討了同時(shí)作為將電能轉化為機車(chē)運行動(dòng)能的能量裝電氣化鐵道不同組成部分的節能技術(shù)可以在一-置,其地位顯得尤為重要。目前，隨著(zhù)客貨運高定程度上緩解其電能損失,然而真正要實(shí)現電氣速、重載的發(fā)展,牽引電機必然長(cháng)時(shí)間工作在大功化鐵道 的節能減排還需要不斷探尋。率運行狀態(tài)下,就必將消耗大量電能。因此若能[參考文獻]采用節能型牽引電動(dòng)機,將會(huì )節省大量電能?，F階段對節能型牽引電動(dòng)機的研究主要有變頻調速[1] 周新軍.高速鐵路與能源可持續發(fā)展[J].中國能節能和再生制動(dòng)節能[12]。源,2009(3):24-27.(1)變頻調速節能。在國內,對變頻調速在[2]黎亮.電氣化鐵路供電電源電壓等級的研究[D].電機節能方面進(jìn)行了定性的研究，分析變頻調速成都:西南交通大學(xué),2007.電機及其節能原理,提倡應用變頻調速技術(shù)節電。[3]杜成剛， 曹基華,林一,等.電力節能降耗技術(shù)措施分析[J].中國電力,2007(9) :4648.變頻調速應用于牽引電機傳動(dòng)系統，當負載變化[4]唐培嘉,次仁卓嘎.迎合低碳理念,探討我國鐵路運時(shí),傳統的調節方法改變電動(dòng)機的通電時(shí)間所占輸的節能方向[J].科技傳播,2010(9) :88-89.比例(占空比),電動(dòng)機會(huì )頻繁制動(dòng)和起動(dòng),消耗[5]姚磊， 姚志松.節能變壓器結構和特點(diǎn)[J].中國電大量的能量,如采用變頻調速來(lái)調節驅動(dòng)電源的力,2007(9) :49-53.電壓和頻率,平滑調節電機轉速,根據負載情況改[6張犁.配電變壓器容量選擇的技術(shù)分析[J].陜西電變輸出功率，將節約大量電能。在國外變頻調速力,2006(5):23-25.技術(shù)已經(jīng)大量應用于交流牽引電機傳動(dòng)系統中。[7]譚福太.變壓器經(jīng)濟運行方式的探討[J].能源技(2)再生制動(dòng)節能。目前被廣泛采用的機車(chē)[8]賀建閩,黃治清.牽引變壓器容量的合理選擇[J].術(shù),2008(2): 106-109.節能技術(shù)是再生制動(dòng)節能技術(shù)。再生制動(dòng)就是，電氣化鐵道,2005(6):1-5.一方面將車(chē)輛的動(dòng)能轉化為電能回收利用，節約[9]孫忠國鐵路運輸節能減排技術(shù)[M].北京:化學(xué)工能源;另一方面提高機車(chē)的用電經(jīng)濟性,減輕機械業(yè)出版社,2009.摩擦制動(dòng)產(chǎn)生的磨損，增加摩擦制動(dòng)器的壽命。[10]焦劍揚，劉明光牽引變電所無(wú)功補償方式綜述當列車(chē)實(shí)施再生制動(dòng)時(shí),異步電機處于發(fā)電機工[J].電氣開(kāi)關(guān),2006(6);14.況,列車(chē)的動(dòng)能(機械能)經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng),輸出到[11]張曉娟.淺談電力輸配電線(xiàn)路中的節能降耗技術(shù)異步電機的轉子,并將機械能轉化為交流電能,再;[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(22) :136.經(jīng)相應的整流、逆變通過(guò)牽引變壓器受電弓反饋[12]王建華.關(guān)于電力機車(chē)電機傳動(dòng)系統節能問(wèn)題的回牽引網(wǎng)。研究[D].吉林:吉林大學(xué),2008.在日本已經(jīng)將較為成熟的再生制動(dòng)節能技術(shù)收稿日期:2014-08-13應用于電力機車(chē)。像法國的阿爾斯通公司等一系68 -