電氣化鐵道節(jié)能技術(shù)探討現(xiàn)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: 近年來由于能源短缺和環(huán)境污染,節(jié)能減排越來越被人們所重視。作為耗能大戶的電氣化鐵道,探討其節(jié)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(jī)車中的節(jié)能技術(shù)。最后對電氣化鐵道未來的發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞:節(jié)能減排;電氣化鐵道;外部電源;牽引變電所;接觸網(wǎng);電力機(jī)車0引言上上能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)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(guī)劃綱要中就提出了電分相“節(jié)能減排”。2012年8月國務(wù)院印發(fā)了《節(jié)能減H4IH接觸網(wǎng)排“十二五”規(guī)劃》,作為指導(dǎo)和推動“十二五”節(jié)回流線列車能減排工作的綱領(lǐng)性文件。0060鋼軌因此,為了構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社圖1電氣化鐵道示意圖會,切實(shí)貫徹和落實(shí)國家關(guān)于節(jié)能減排的政策,全國各行各業(yè)都必須行動起來。鐵路在交通行業(yè)中算,內(nèi)燃機(jī)車牽引鐵路為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(jī)為44.1"。顯然，源的重點(diǎn)行業(yè),做好鐵路行業(yè)的節(jié)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(yùn)輸效益,對于緩解我國鐵路有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。我國當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境惡化等問題具有重要的戰(zhàn)略在2008年新修訂的《中長期鐵路規(guī)劃》指出,到意義。2020年底我國鐵路的電氣化率要達(dá)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km,躍居世界第一。然而，隨著電氣化鐵路電氣化鐵路,是指以電能作為牽引動力的一的快速發(fā)展,其用電量也在不斷攀升,作為節(jié)能型種軌道交通運(yùn)輸形式，主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)的交通運(yùn)輸方式,其能耗量還是比較高的。因此，和電力機(jī)車三大元件組成，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)生可觀的節(jié)引變電所從地方電力系統(tǒng)引人的110 kV或能減排效益。220 kV高壓,通過牽引變壓器降至適合電力機(jī)車運(yùn)行的27.5kV電壓，送至接觸網(wǎng),供給電力機(jī)車2外部電源節(jié)能技術(shù)運(yùn)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自電力系統(tǒng)，要包括饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線和大地回路，因此外部電源的節(jié)能須要鐵路部門和電力部門的接觸網(wǎng)是其核心,是電氣化鐵道的主要供電設(shè)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(jī)車供電。(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(xiàng)綜合、復(fù)雜的系統(tǒng)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(jié)能型交通運(yùn)輸方式。參照日本新干線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(nèi)有關(guān)資料，按人.km標(biāo)準(zhǔn)能耗計(jì)采用220kV。文獻(xiàn)[21指出,從全系統(tǒng)的角度來看，65 -MA現(xiàn)代建筑電氣電氣化鐵道節(jié)能技術(shù)探討2014年增刊將牽引供電系統(tǒng)看作電力系統(tǒng)的末端用戶,采用無氧銅桿拉拔的導(dǎo)線,提高導(dǎo)電系數(shù)。適當(dāng)降低220 kV進(jìn)線減少了電能的中間變換環(huán)節(jié),既節(jié)省電流密度,改善絕緣結(jié)構(gòu)、采用半油道、預(yù)制絕緣了輸變電設(shè)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、自粘紙,縮小絕緣體個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，減少國家的能耗是積、提高繞組填充系數(shù)、減小繞組尺寸來減小負(fù)載較為有利的。所以，單從節(jié)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(jié)構(gòu),以降升高會導(dǎo)致變電所造價(jià)增加,所以在電壓等級的低油箱等結(jié)構(gòu)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(jī)械的工作特性降低損耗[5]。包括太陽能發(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一定風(fēng)險(xiǎn) ,加上電力市場獻(xiàn)[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(fù)載功率,大容量齊，鐵路部門應(yīng)該加強(qiáng)與供電單位的銜接,從源頭變壓器的負(fù)載損耗往往小于小容量變壓器。因此著手,加強(qiáng)電力質(zhì)量的管理,進(jìn)而逐步轉(zhuǎn)變用能結(jié)變壓器容量的選擇要根據(jù)其臨界負(fù)載系數(shù)確定,構(gòu),實(shí)現(xiàn)用能的多元、高效、清潔化[3-4)。使得其空載損耗和負(fù)載損耗相等時(shí)，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。文獻(xiàn)[7]指出變壓器容量的選擇要根據(jù)其臨界負(fù)3牽引變電所節(jié)能技術(shù)載決定:當(dāng)實(shí)際負(fù)載小于臨界負(fù)載時(shí),小容量變壓牽引變電所中可以采取的節(jié)能措施主要有兩器的功率損耗小于大容量變壓器;應(yīng)選擇小容量類:一類是降低由牽引變壓器引起的電能損失,另變壓器,當(dāng)實(shí)際負(fù)載大于臨界負(fù)載時(shí),小容量變壓一類是降低與負(fù)荷相關(guān)的負(fù)序、諧波、低功率因數(shù)器功率損耗大于大容量變壓器,應(yīng)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(jié)能界負(fù)載,并結(jié)合實(shí)際負(fù)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(fù)但由于我國采用的是兩部制電價(jià)，選擇過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(jì)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(yīng)的節(jié)能措施有利于整個(gè)電氣化鐵道的耗能最少,經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。節(jié)能減排。3.2降低負(fù)序 電流引起的損失(1)節(jié)能變壓器。節(jié)能變壓器的使用在電力單相牽引負(fù)荷會引起三相電力系統(tǒng)的不對稱系統(tǒng)中已十分普遍,目前我國國家電網(wǎng)和南方電運(yùn)行,在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)序電流,負(fù)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(jī)、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(fù)載損耗下降5%。但對發(fā)電機(jī)來說，負(fù)序電流的出現(xiàn)會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)在電氣化鐵道牽引變壓器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)子產(chǎn)生附加損耗和過熱,同時(shí)還會限制發(fā)電機(jī)的定其能耗等級,而牽引變壓器的平均負(fù)荷率-般出力,降低發(fā)電效率,造成電能損失;對電動機(jī)來低于30% ,新建高鐵更只有5% ~ 10% ,因此降低說,負(fù)序電流的出現(xiàn)導(dǎo)致電動機(jī)三相電流不平衡,變壓器空載損耗是電氣化鐵道節(jié)能的有力措施。降低其運(yùn)行效率,同時(shí)由于電流的不對稱會使得目前，變壓器節(jié)能有四條途徑可供選擇:定子和轉(zhuǎn)子繞組局部過載，銅損增加,除此之外負(fù)①降低空載損耗。采用性能優(yōu)良的硅鋼片或序電流還會導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和工藝，增加。對電力變壓器,負(fù)序電流的出現(xiàn)會使其容.降低工藝系數(shù)。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(fù)序電剪切毛刺控制在0.03 mm以下。流還會增大電網(wǎng)損耗。②降低負(fù)載損耗。采用比電解銅導(dǎo)電率高的因此,降低負(fù)序電流對于電氣化鐵道的節(jié)能一66一電氣化鐵道節(jié)能技術(shù)探討現(xiàn)代建筑電氣MAD2014年增刊來說還是十分必要的，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(jié)構(gòu)簡單、引變壓器的原邊各端子輪換接人電力系統(tǒng)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(dāng)然還可采用特殊接線的牽引變壓器以及式由于在線路上裝設(shè)了吸流變壓器,導(dǎo)致接觸網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償裝置。隨著科技的不斷發(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(tǒng)在解決負(fù)序的問題于其電壓等級提高了一倍,加之供電回路阻抗低，上將會有更大的優(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(yùn)行,同相供電裝置投人前系統(tǒng)負(fù)序電方式造價(jià)太高,限制了它的廣泛應(yīng)用。電壓95%概率大值為0.61%,投人后降低為因此，在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)需要選擇合適0.33% ,抑制負(fù)序效果明顯,達(dá)到國標(biāo)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(shù)造成的損失方式,其電能損失都與牽引負(fù)荷電流、牽引網(wǎng)單位諧波的出現(xiàn)同樣會造成發(fā)電機(jī)、電動機(jī)以及電阻、供電臂長度等因素相關(guān)。變壓器的附加損耗;而低功率因數(shù)則會導(dǎo)致電氣4.2 選擇合適的接觸 線材料,降低接觸網(wǎng)阻抗設(shè)備的效率降低,提高了發(fā)電和輸變電的成本,同接觸線材料引起電能損失不可避免，因?yàn)槿螘r(shí)還會造成輸電網(wǎng)絡(luò)的電能損失。何導(dǎo)線在普通條件下都存在阻抗。因而,必然會目前，減少諧波影響及提高功率因數(shù)的措施引起電能損失。在這方面,線路阻抗大小就決定主要是在牽引變電所牽引側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電容補(bǔ)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)中常用的無功補(bǔ)償方案[9。但是接觸線將有助于電氣化鐵道的節(jié)能。由于電氣化由于并聯(lián)電容補(bǔ)償模式,大都采用手工投切,存在鐵道供電的特殊性,還要求接觸線必須具有抗拉投切不及時(shí)、無功補(bǔ)償效果不好等問題,且投切時(shí)強(qiáng)度高、耐熱性能好、耐磨性能好、制造長度長等易出現(xiàn)很高的過電壓，導(dǎo)致嚴(yán)重的供電故障。要性能,而這些性能之間往往又存在著矛盾,因此在從根本上解決問題,最好的方法是采用性能優(yōu)良選擇接觸線時(shí)要綜合考慮各方面因素,力求在滿的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。靜止型動態(tài)無功補(bǔ)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(diào)節(jié)無功功率，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)4.3使用無磁化或低磁化金具補(bǔ)償和快速電壓調(diào)整,是一種較為實(shí)用的、基本符目前,在電力系統(tǒng)輸配電線路的節(jié)能技術(shù)中合電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)和要求的無功補(bǔ)人們很重視對無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)無功控制?；谝?yàn)榻鹁呱袭a(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與材料的相對導(dǎo)磁此,又研制出了靜止無功功率發(fā)生器SVG,由于率成正比，在鐵磁材料金具中,由于其相對導(dǎo)磁率經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面原因，該裝置目前尚未大規(guī)模高(可以達(dá)到250~1000),感應(yīng)的電動勢大,因應(yīng)用,但隨著造價(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,從而成為未來無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向101。將線路電能大量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。鑒于此,通過采用無(低)導(dǎo)磁率的材料如鋁或銅合金或低4接觸網(wǎng)節(jié)能技術(shù)磁鋼來制造線路金具是節(jié)能的一種有效手段"。牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和接觸因此,借鑒電力系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),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(tǒng)電能道中采用無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(jié)4.4其他節(jié) 能措施.能是電氣化鐵路的一項(xiàng)重要運(yùn)營指標(biāo)，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(jì)意義。取以下措施:4.1供電方式與 能耗(1)限制供電臂的長度。供電臂的長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。過長的供電臂，式、自耦變壓器( Auto-Transformer, AT)供電方式將 使?fàn)恳佑|網(wǎng)電能損失急劇增加。因此，在滿一67一MAE現(xiàn)代建筑電氣電氣化鐵道節(jié)能技術(shù)探討2014年增刊足行車要求的前提下要適當(dāng)限制供電臂的長度。列大型的鐵路機(jī)車生產(chǎn)公司也在其所生產(chǎn)的電力(2)增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線。從經(jīng)濟(jì)方面考慮,如果機(jī)車中大量應(yīng)用再生制動節(jié)能技術(shù)。我國于20增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線的一次投資費(fèi)用,可以在近期內(nèi)被世紀(jì)80年代后期開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(fèi)用所補(bǔ)償,則增設(shè)目前隨著再生制動技術(shù)的逐步完善,開始在鐵路加強(qiáng)導(dǎo)線是有意義的。運(yùn)輸中廣泛應(yīng)用。(3)在具備條件的情況下，接觸網(wǎng)應(yīng)盡可能結(jié)語采用雙邊供電方式。(4)在雙線區(qū)段,采用上、下行線路接觸網(wǎng)并隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展,人們對能源的需聯(lián)供電,可減少接觸網(wǎng)電能損失。求量越來越大,能源危機(jī)也越來越近,節(jié)能減排成為人們普遍關(guān)注的話題。我國電氣化鐵道正處于5電力機(jī)車節(jié)能蓬勃發(fā)展時(shí)期，探討其節(jié)能技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)“十二電力機(jī)車中提供動能的裝置為牽引電動機(jī)，五 ”規(guī)劃的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。探討了同時(shí)作為將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)車運(yùn)行動能的能量裝電氣化鐵道不同組成部分的節(jié)能技術(shù)可以在一-置,其地位顯得尤為重要。目前，隨著客貨運(yùn)高定程度上緩解其電能損失,然而真正要實(shí)現(xiàn)電氣速、重載的發(fā)展,牽引電機(jī)必然長時(shí)間工作在大功化鐵道 的節(jié)能減排還需要不斷探尋。率運(yùn)行狀態(tài)下,就必將消耗大量電能。因此若能[參考文獻(xiàn)]采用節(jié)能型牽引電動機(jī),將會節(jié)省大量電能?，F(xiàn)階段對節(jié)能型牽引電動機(jī)的研究主要有變頻調(diào)速[1] 周新軍.高速鐵路與能源可持續(xù)發(fā)展[J].中國能節(jié)能和再生制動節(jié)能[12]。源,2009(3):24-27.(1)變頻調(diào)速節(jié)能。在國內(nèi),對變頻調(diào)速在[2]黎亮.電氣化鐵路供電電源電壓等級的研究[D].電機(jī)節(jié)能方面進(jìn)行了定性的研究，分析變頻調(diào)速成都:西南交通大學(xué),2007.電機(jī)及其節(jié)能原理,提倡應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)電。[3]杜成剛， 曹基華,林一,等.電力節(jié)能降耗技術(shù)措施分析[J].中國電力,2007(9) :4648.變頻調(diào)速應(yīng)用于牽引電機(jī)傳動系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載變化[4]唐培嘉,次仁卓嘎.迎合低碳理念,探討我國鐵路運(yùn)時(shí),傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法改變電動機(jī)的通電時(shí)間所占輸?shù)墓?jié)能方向[J].科技傳播,2010(9) :88-89.比例(占空比),電動機(jī)會頻繁制動和起動,消耗[5]姚磊， 姚志松.節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[J].中國電大量的能量,如采用變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)驅(qū)動電源的力,2007(9) :49-53.電壓和頻率,平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,根據(jù)負(fù)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(jié)約大量電能。在國外變頻調(diào)速力,2006(5):23-25.技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于交流牽引電機(jī)傳動系統(tǒng)中。[7]譚福太.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的探討[J].能源技(2)再生制動節(jié)能。目前被廣泛采用的機(jī)車[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(jié)能技術(shù)是再生制動節(jié)能技術(shù)。再生制動就是，電氣化鐵道,2005(6):1-5.一方面將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能回收利用，節(jié)約[9]孫忠國鐵路運(yùn)輸節(jié)能減排技術(shù)[M].北京:化學(xué)工能源;另一方面提高機(jī)車的用電經(jīng)濟(jì)性,減輕機(jī)械業(yè)出版社,2009.摩擦制動產(chǎn)生的磨損，增加摩擦制動器的壽命。[10]焦劍揚(yáng)，劉明光牽引變電所無功補(bǔ)償方式綜述當(dāng)列車實(shí)施再生制動時(shí),異步電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工[J].電氣開關(guān),2006(6);14.況,列車的動能(機(jī)械能)經(jīng)過齒輪傳動,輸出到[11]張曉娟.淺談電力輸配電線路中的節(jié)能降耗技術(shù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子,并將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(yīng)的整流、逆變通過牽引變壓器受電弓反饋[12]王建華.關(guān)于電力機(jī)車電機(jī)傳動系統(tǒng)節(jié)能問題的回牽引網(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節(jié)能技術(shù)收稿日期:2014-08-13應(yīng)用于電力機(jī)車。像法國的阿爾斯通公司等一系68 -