电气化铁道节能技术探讨

电气化铁道节能技术探讨现代建筑电气M AD2014年增刊赵琛，韩正庆(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031 )摘要: 近年来由于能源短缺和环境污染,节能减排越来越被人们所重视。作为耗能大户的电气化铁道,探讨其节能技术具有重要意义。介绍了电气化铁道的基本概念及其组成,针对每一部分的具体特点,分别介绍了外部电源、牵引变电所、接触网以及电力机车中的节能技术。最后对电气化铁道未来的发展作了展望。关键词:节能减排;电气化铁道;外部电源;牵引变电所;接触网;电力机车0引言上上能源危机与环境污染是当今世界面临的两大| 牵引变电所牵引变电所难题。我国早在“十一五”规划纲要中就提出了电分相“节能减排”。2012年8月国务院印发了《节能减H4IH接触网排“十二五”规划》,作为指导和推动“十二五”节回流线列车能减排工作的纲领性文件。0060钢轨因此,为了构建资源节约型、环境友好型社图1电气化铁道示意图会,切实贯彻和落实国家关于节能减排的政策,全国各行各业都必须行动起来。铁路在交通行业中算,内燃机车牵引铁路为2. 86,电力牵引铁路为占有举足轻重的地位,但同时它也是消耗能源资1.93 ,高速公路为22. 05,飞机为44.1"。显然，源的重点行业,做好铁路行业的节能减排工作,以电气化铁路的能耗最低。因此,大力发展电气化最小的投入获取最大的运输效益,对于缓解我国铁路有助于优化能源结构,实现节能减排。我国当前能源紧缺、环境恶化等问题具有重要的战略在2008年新修订的《中长期铁路规划》指出,到意义。2020年底我国铁路的电气化率要达到60%以上，截止2013年底我国电气化铁路总里程已突破5.电气化铁道概述6万km,跃居世界第一。然而，随着电气化铁路电气化铁路,是指以电能作为牵引动力的一的快速发展,其用电量也在不断攀升,作为节能型种轨道交通运输形式，主要由牵引变电所、牵引网的交通运输方式,其能耗量还是比较高的。因此，和电力机车三大元件组成，如图1所示。其中牵若能进一步提高其能源利用率,将产生可观的节引变电所从地方电力系统引人的110 kV或能减排效益。220 kV高压,通过牵引变压器降至适合电力机车运行的27.5kV电压，送至接触网,供给电力机车2外部电源节能技术运行。其作用是接收、分配、输送电能。牵引网主我国电气化铁道的外部电源来自电力系统，要包括馈电线、接触网、钢轨、回流线和大地回路，因此外部电源的节能须要铁路部门和电力部门的接触网是其核心,是电气化铁道的主要供电设施，通力协作,共同完成。其功能是全天候不间断地向电力机车供电。(1)外部电源电压等级的选择。电气化铁道由于电气化铁路采用的是电力二次能源，较外部电源是一项综合、复杂的系统课题,关于其电其他牵引方式,其本身就具有很高的能源利用率,压等级的选择还未能有定论。目前,我国电气化属于节能型交通运输方式。参照日本新干线及法铁道外部电源大多采用110 kV的电压等级,部分国TGV和国内有关资料，按人.km标准能耗计采用220kV。文献[21指出,从全系统的角度来看，65 -MA现代建筑电气电气化铁道节能技术探讨2014年增刊将牵引供电系统看作电力系统的末端用户,采用无氧铜杆拉拔的导线,提高导电系数。适当降低220 kV进线减少了电能的中间变换环节,既节省电流密度,改善绝缘结构、采用半油道、预制绝缘了输变电设备容量,也降低了电能损耗,对提高整件、绕组整体套装、自粘线、自粘纸,缩小绝缘体个电力系统的经济运行指标，减少国家的能耗是积、提高绕组填充系数、减小绕组尺寸来减小负载较为有利的。所以，单从节能的角度考虑,选择损耗。220kV的外部电源是有利的。然而，电压等级的③降低其他部件损耗。改进铁心结构,以降升高会导致变电所造价增加,所以在电压等级的低油箱等结构件的杂散损耗。用波纹油箱、片式选择上还需综合各方面因素,寻求- -种最佳方式。散热器代替管式散热器,提高散热效率。(2)发展新能源技术。新能源发电技术主要④利用机械的工作特性降低损耗[5]。包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电、潮汐(2)合理选择变压器容量。合理选择变压器能发电等方式。由于目前技术上还不是很成熟，的容量,对于减少其电能损失具有很大意义。文各种新能源都还存在着一定风险 ,加上电力市场献[6]指出，通常情况大容量变压器的空载损耗上，电力物资生产厂家众多,电力产品质量良莠不要大 于小容量变压器,但对同- -负载功率,大容量齐，铁路部门应该加强与供电单位的衔接,从源头变压器的负载损耗往往小于小容量变压器。因此着手,加强电力质量的管理,进而逐步转变用能结变压器容量的选择要根据其临界负载系数确定,构,实现用能的多元、高效、清洁化[3-4)。使得其空载损耗和负载损耗相等时，运行最经济。文献[7]指出变压器容量的选择要根据其临界负3牵引变电所节能技术载决定:当实际负载小于临界负载时,小容量变压牵引变电所中可以采取的节能措施主要有两器的功率损耗小于大容量变压器;应选择小容量类:一类是降低由牵引变压器引起的电能损失,另变压器,当实际负载大于临界负载时,小容量变压一类是降低与负荷相关的负序、谐波、低功率因数器功率损耗大于大容量变压器,应选择大容量变等引起的电能损失。压器。因此在选择变压器的容量时,需确定其临3.1牵引变压器节能界负载,并结合实际负载做出最佳选择。牵引变压器的电能损失主要由空载损耗和负但由于我国采用的是两部制电价，选择过大载损耗两部分组成。其电能损失在整个电气化铁容 量的变压器在经济上是不可取的8。因此，在道的电能损失中占有很大比重,因此对牵引变压变压器容量的选择上,需要综合各方面因素,使其器采取相应的节能措施有利于整个电气化铁道的耗能最少,经济效益最优。节能减排。3.2降低负序 电流引起的损失(1)节能变压器。节能变压器的使用在电力单相牵引负荷会引起三相电力系统的不对称系统中已十分普遍,目前我国国家电网和南方电运行,在电力系统中产生负序电流,负序电流由于网都要求采用S11级及以上型号的变压器,其空其对电机、变压器等的影响造成了电能的损失。载损耗较之前下降20% , 负载损耗下降5%。但对发电机来说，负序电流的出现会导致发电机转在电气化铁道牵引变压器的相关标准中并没有规子产生附加损耗和过热,同时还会限制发电机的定其能耗等级,而牵引变压器的平均负荷率-般出力,降低发电效率,造成电能损失;对电动机来低于30% ,新建高铁更只有5% ~ 10% ,因此降低说,负序电流的出现导致电动机三相电流不平衡,变压器空载损耗是电气化铁道节能的有力措施。降低其运行效率,同时由于电流的不对称会使得目前，变压器节能有四条途径可供选择:定子和转子绕组局部过载，铜损增加,除此之外负①降低空载损耗。采用性能优良的硅钢片或序电流还会导致电动机转子产生涡流,引起铁损非晶合金片和阶梯接缝。改进铁心结构和工艺，增加。对电力变压器,负序电流的出现会使其容.降低工艺系数。不叠上铁轭、硅钢片不涂漆处理，量利用率下降,同时产生附加的电能损失;负序电剪切毛刺控制在0.03 mm以下。流还会增大电网损耗。②降低负载损耗。采用比电解铜导电率高的因此,降低负序电流对于电气化铁道的节能一66一电气化铁道节能技术探讨现代建筑电气MAD2014年增刊来说还是十分必要的，目前采取的普遍做法是牵和同轴电缆( Coaxial Cable, CC)供电方式。不同引变电所换接相序,就是指各相邻牵引变电所牵的供电方式能耗不同。直接供电方式结构简单、引变压器的原边各端子轮换接人电力系统中不同回路阻抗低,电压水平好,电能损失小; BT供电方的相，当然还可采用特殊接线的牵引变压器以及式由于在线路上装设了吸流变压器,导致接触网并联补偿装置。随着科技的不断发展,由西南交阻抗增加,电能损失也随之增大;AT供电方式由通大学所研制的同相供电系统在解决负序的问题于其电压等级提高了一倍,加之供电回路阻抗低，上将会有更大的优势,目前,该装置已经在眉山牵大大降低了接触网的电压损失和电能损失;CC供引变电所试运行,同相供电装置投人前系统负序电方式造价太高,限制了它的广泛应用。电压95%概率大值为0.61%,投人后降低为因此，在实际应用中,需要根据需要选择合适0.33% ,抑制负序效果明显,达到国标要求。的供电方式,使电能损失最小。但不论何种供电3.3 降低谐波及低功率因数造成的损失方式,其电能损失都与牵引负荷电流、牵引网单位谐波的出现同样会造成发电机、电动机以及电阻、供电臂长度等因素相关。变压器的附加损耗;而低功率因数则会导致电气4.2 选择合适的接触 线材料,降低接触网阻抗设备的效率降低,提高了发电和输变电的成本,同接触线材料引起电能损失不可避免，因为任时还会造成输电网络的电能损失。何导线在普通条件下都存在阻抗。因而,必然会目前，减少谐波影响及提高功率因数的措施引起电能损失。在这方面,线路阻抗大小就决定主要是在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装了电能损失的多少。因此,选择单位阻抗较小的置,这也是电网中常用的无功补偿方案[9。但是接触线将有助于电气化铁道的节能。由于电气化由于并联电容补偿模式,大都采用手工投切,存在铁道供电的特殊性,还要求接触线必须具有抗拉投切不及时、无功补偿效果不好等问题,且投切时强度高、耐热性能好、耐磨性能好、制造长度长等易出现很高的过电压，导致严重的供电故障。要性能,而这些性能之间往往又存在着矛盾,因此在从根本上解决问题,最好的方法是采用性能优良选择接触线时要综合考虑各方面因素,力求在满的动态无功补偿装置。静止型动态无功补偿装置足其他各性能的条件下选择阻抗最小的材料。SVC能够快速、平滑地调节无功功率，以实现动态4.3使用无磁化或低磁化金具补偿和快速电压调整,是一种较为实用的、基本符目前,在电力系统输配电线路的节能技术中合电气化铁道牵引供电系统特点和要求的无功补人们很重视对无磁化或低磁化金具的使用,这是偿装置,但SVC不可能做到瞬时无功控制。基于因为金具上产生的感应电动势与材料的相对导磁此,又研制出了静止无功功率发生器SVG,由于率成正比，在铁磁材料金具中,由于其相对导磁率经济和技术等方面原因，该装置目前尚未大规模高(可以达到250~1000),感应的电动势大,因应用,但随着造价的降低和技术的不断完善,其将此产生的涡流大。涡流在金具电阻上发热,从而成为未来无功补偿技术的发展方向101。将线路电能大量转化为热能消耗掉。鉴于此,通过采用无(低)导磁率的材料如铝或铜合金或低4接触网节能技术磁钢来制造线路金具是节能的一种有效手段"。牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触因此,借鉴电力系统的经验,同样可以在电气化铁网,牵引接触网的电能损失是牵引供电系统电能道中采用无磁化或低磁化的金具。损失的重要组成部分,因此做好牵引接触网的节4.4其他节 能措施.能是电气化铁路的一项重要运营指标，具有很重为了减少接触网的电能损失,一般还可以采要的经济意义。取以下措施:4.1供电方式与 能耗(1)限制供电臂的长度。供电臂的长度除了电气化铁道的供电方式主要包括直接供电方对其末端最低电压水 平有较大影响之外,还对牵式吸流变压器( Booster-Transformer, BT)供电方引接触网电能 损失有较大影响。过长的供电臂，式、自耦变压器( Auto-Transformer, AT)供电方式将 使牵引接触网电能损失急剧增加。因此，在满一67一MAE现代建筑电气电气化铁道节能技术探讨2014年增刊足行车要求的前提下要适当限制供电臂的长度。列大型的铁路机车生产公司也在其所生产的电力(2)增设加强导线。从经济方面考虑,如果机车中大量应用再生制动节能技术。我国于20增设加强导线的一次投资费用,可以在近期内被世纪80年代后期开始在铁路中试用这一技术。减少的牵引接触网电能损失费用所补偿,则增设目前随着再生制动技术的逐步完善,开始在铁路加强导线是有意义的。运输中广泛应用。(3)在具备条件的情况下，接触网应尽可能结语采用双边供电方式。(4)在双线区段,采用上、下行线路接触网并随着现代社会的不断发展,人们对能源的需联供电,可减少接触网电能损失。求量越来越大,能源危机也越来越近,节能减排成为人们普遍关注的话题。我国电气化铁道正处于5电力机车节能蓬勃发展时期，探讨其节能技术对于实现“十二电力机车中提供动能的装置为牵引电动机，五 ”规划的节能减排目标具有重要意义。探讨了同时作为将电能转化为机车运行动能的能量装电气化铁道不同组成部分的节能技术可以在一-置,其地位显得尤为重要。目前，随着客货运高定程度上缓解其电能损失,然而真正要实现电气速、重载的发展,牵引电机必然长时间工作在大功化铁道 的节能减排还需要不断探寻。率运行状态下,就必将消耗大量电能。因此若能[参考文献]采用节能型牵引电动机,将会节省大量电能。现阶段对节能型牵引电动机的研究主要有变频调速[1] 周新军.高速铁路与能源可持续发展[J].中国能节能和再生制动节能[12]。源,2009(3):24-27.(1)变频调速节能。在国内,对变频调速在[2]黎亮.电气化铁路供电电源电压等级的研究[D].电机节能方面进行了定性的研究，分析变频调速成都:西南交通大学,2007.电机及其节能原理,提倡应用变频调速技术节电。[3]杜成刚， 曹基华,林一,等.电力节能降耗技术措施分析[J].中国电力,2007(9) :4648.变频调速应用于牵引电机传动系统，当负载变化[4]唐培嘉,次仁卓嘎.迎合低碳理念,探讨我国铁路运时,传统的调节方法改变电动机的通电时间所占输的节能方向[J].科技传播,2010(9) :88-89.比例(占空比),电动机会频繁制动和起动,消耗[5]姚磊， 姚志松.节能变压器结构和特点[J].中国电大量的能量,如采用变频调速来调节驱动电源的力,2007(9) :49-53.电压和频率,平滑调节电机转速,根据负载情况改[6张犁.配电变压器容量选择的技术分析[J].陕西电变输出功率，将节约大量电能。在国外变频调速力,2006(5):23-25.技术已经大量应用于交流牵引电机传动系统中。[7]谭福太.变压器经济运行方式的探讨[J].能源技(2)再生制动节能。目前被广泛采用的机车[8]贺建闽,黄治清.牵引变压器容量的合理选择[J].术,2008(2): 106-109.节能技术是再生制动节能技术。再生制动就是，电气化铁道,2005(6):1-5.一方面将车辆的动能转化为电能回收利用，节约[9]孙忠国铁路运输节能减排技术[M].北京:化学工能源;另一方面提高机车的用电经济性,减轻机械业出版社,2009.摩擦制动产生的磨损，增加摩擦制动器的寿命。[10]焦剑扬，刘明光牵引变电所无功补偿方式综述当列车实施再生制动时,异步电机处于发电机工[J].电气开关,2006(6);14.况,列车的动能(机械能)经过齿轮传动,输出到[11]张晓娟.浅谈电力输配电线路中的节能降耗技术异步电机的转子,并将机械能转化为交流电能,再;[J].中国新技术新产品,2012(22) :136.经相应的整流、逆变通过牵引变压器受电弓反馈[12]王建华.关于电力机车电机传动系统节能问题的回牵引网。研究[D].吉林:吉林大学,2008.在日本已经将较为成熟的再生制动节能技术收稿日期:2014-08-13应用于电力机车。像法国的阿尔斯通公司等一系68 -