铁路供配电系统节能设计

马晨鹏

（北京电铁通信信号勘测设计院有限公司，北京 100036）

目前，我国铁路网建设正进入前所未有的快速发展时期，据相关计划，2010～2012年，铁路平均每年将完成基建投资6 000亿元以上，到2012年，全国铁路营业里程将达到11万km，同时将有36条客运专线投入运营。而与此同时，铁路系统节能减排的压力越来越大，至“十一五”末，铁路单位运输收入降耗要达到20%以上，任务非常艰巨，因此节能的理念必须贯彻到铁路各个环节。作为能耗大户的供配电系统而言，尤为重要。

铁路供配电系统承担除牵引供电以外所有铁路负载的供配电任务，包括通信信号系统、铁路生产、生活以及车站用电等。供配电系统不仅直接保障铁路运输系统的正常安全运行，还关系到很多铁路职能部门的正常工作。因此，铁路供配电系统的节能必须根据其特点、要求等进行分析，方能满足铁路特色要求。

1 铁路供配电系统的特点

铁路供配电系统由于行业特殊性，在系统构成、功能等方面存在一些有别于地方电力系统的特点，主要体现在以下方面。

（1）电压等级低，变、配电所结构单一。铁路负荷属于终端负荷，直接面对最终用户，所以铁路供配电系统中大多数为10 kV配电所和35 kV变电所，个别枢纽站点有110 kV变电所。配电所电压等级主要取决于地方电源情况和铁路负载要求。

由于功能要求、应用范围基本一致，所以铁路供配电系统中的变、配电所主接线等构成基本相同，设备配置变化也不大。

（2）系统接线形式简单。铁路供配电系统是沿铁路敷设的线状辐射网，一般沿铁路两侧分别架设10 kV自动闭塞线路、10 kV电力贯通线路，相距40～60 km设变、配电所，相互连接，互为备用。其接线形式如图1所示。

（3）供电可靠性要求很高。铁路供配电系统虽然电压等级低，接线简单，但其负载中一、二级负荷所占比例较高，因此其供电可靠性的要求很高，相邻配电所倒闸作业允许中断供电时间仅0.6 s。

2 供配电系统能耗分析

供配电系统损耗由固定损耗和运行损耗两部分组成。固定损耗仅与电压有关，产生于线路、变压器及相关设备并联导纳上，如变压器的励磁损耗、架空线路的电晕损耗、信号转辙机空载损耗等，这部分损耗所占比例较小。运行损耗主要产生于线路、变压器、铁路各用电设备的串联阻抗上，与系统功率有关，所占比重较大。各类损耗计算如下。

（1）线路功率损耗（根据线路π形等值电路）

*阻抗上的功率损耗：

*线路首端导纳上的功率损耗：

（2）变压器的功率损耗（双绕组变压器）

（3）电能损耗

*系统电能损耗率：

*线路全年电能损耗：

*对于电压为额定值时，变压器全年电能损耗：

由上可见，系统节能要从降低固定损耗及运行损耗两部分分别入手，两者相辅相成，下面就这些问题进行探讨。

3 铁路供配电系统节能设计基本原则

在充分满足铁路各类用电负载功能要求的前提下，减少能源消耗，提高能源利用率，争取节约自然资源、社会资源、投资费用相统一。贯彻实用、经济合理、技术先进的原则，从使用期前、使用期和使用期后等不同角度进行统筹考虑，不因节能而过高增加投资及运行费用，由节能增加的投资应能在一定时间内通过运行费用的节省得到回收。同时，电气专业要与通信、信号、建筑、暖通、设备等相关专业密切配合，共同做好节能设计。

4 铁路供配电系统节能设计细则

4.1 电源电压及变、配电所位置选择

铁路供配电系统电源电压应根据负荷容量、电源线路长度、地方电网情况等因素综合比较确定，优先采用10 kV电源。35 kV及以上电源供电能力大，电价较低，可降低运营成本，故当电源线路较长（大于20 km）、负荷容量较大（大于6 300 kVA）时，优选35 kV或以上电源。

铁路负荷具有点多线长的特点，因此合理的变、配电所位置对提高供电质量、减少线损有重要意义。变、配电所位置根据电源分布、低压供电半径、方便检修等因素综合考虑，做到高压深入负荷中心，并满足电压偏差值的要求，设于铁路中小站或区间的变、配电所可根据实际采用箱式变电站。

4.2 负荷计算

铁路负荷涉及专业多、种类繁、容量差别较大，以往设计中经常为了保证容量够用而使系统裕量过大，造成无谓浪费。因此准确、合理的负荷计算是系统设计、变压器容量、线缆截面等选择的基础，是进行配电系统节能优化设计的关键点。

初步设计阶段负荷计算可采用需要系数法或单位面积功率法，施工图设计阶段应采用需要系数法，同时与通信、信号、房建等相关专业密切配合，深入了解负荷分类、特点、用电要求，并把不同负载持续率下的额定功率换算为统一持续率下的设备功率，合理选择功率因数、需要系数，从而精确计算负荷容量。

4.3 变压器选择

在整个供配电系统中，变压器所占比重最大，因此优选变压器带来的经济效益非常明显。

设计中应根据汇总的负荷计算结果合理选择变压器容量和台数，使变压器经常性负载以在变压器额定容量的60%为宜，负荷率在75%～85%范围内，并保持三相负荷平衡分配。在TN及TT系统中应采用D，yn11结线组别，不应继续选用Y，ynO结线组别。同时在合理分配负荷的情况下，尽可能减少变压器的台数，选用大容量变压器。

S11变压器系列是目前广泛推广的低损耗变压器，其空载损耗较S9系列低75%左右，负载损耗与S9系列相当，应优先选用。

4.4 线缆选择

低压电力电缆通常按允许温升进行选择，并按允许电压损失、机械强度进行校验。铁路车站、站场低压供电半径大，线路总损耗相当可观。具体设计中，按以下措施降耗。

（1）减少配电级数

电缆截面规格受保护断路器整定电流值制约，保护选择性要求上、下级断路器整定值之间至少相差一级，若配电级数过多，则整定值将迅速上升，势必造成该回路电缆截面的迅速增大而不经济。因此，需减少配电级数。

（2）重要线路选用电导率较小的铜材，普通用电负荷配电线路，尤其是固定安装的较大规格配电母线或电缆，满足电压损失、机械强度以及动、热稳定条件时，应根据导体载流量、经济电流密度的要求，优先选用铝导体，并处理好铜、铝连接。

（3）线路尽可能短捷，避免迂回配线。

（4）合理选择导线截面，适当考虑经济电流密度指标。电缆在允许载流量前提下，其电流密度随截面增大而减小，因此一味选用大规格电缆并不合理。

4.5 功率因数补偿

提高功率因数措施主要有提高自然功率因数，进行无功补偿。

一般系统消耗无功功率中，线路约占10%、变压器约占20%，负载占70%，设计中应正确选择变压器等容量，以减少线路感抗，提高用电单位自然功率因数。

当自然功率因数无法满足，应采取无功功率补偿措施。铁路负荷分散，不同设备差别较大，优先采用配电所集中补偿方式，特殊设备就地补偿，保持变压器低压侧功率因数不低于0.95。

4.6 谐波抑制

随着计算机联锁、远动系统等非线性设备的大量使用，铁路供配电系统的谐波问题日益严重，其主要谐波源有：照明设备、电子计算机设备、整流设备和空调等。设计中应根据谐波源性质、谐波水平等综合比选补偿措施，包括：加装串联电抗器、改善三相不平衡度、加装有源或无源滤波器等。

4.7 绿色照明

照明节能是一项系统工程，要从提高整个照明系统每个环节效率来考虑，现将主要技术措施分述如下。

（1）正确选择照度标准

新国标GB50034-2004修订了原来低、中、高3档照度范围值，设计时应根据车站等级、功能和铁路生产等，对视觉的要求参照国标确定合理照度，贯彻“该高则高、该低则低”的原则。

（2）合理选择照明方式，尽量采用混合照明

（3）使用高光效光源

车站等营运时间几乎没有间歇，应考虑充分利用自然光、采用高光效光源，设计中应尽量减少白炽灯、高压汞灯使用量，一般室内优先采用T8或T5紧凑型荧光灯，并采用节能型镇流器，站场照明采用金属卤化物灯或高压钠灯，适当考虑采用发光二极管LED。

（4）采用节能灯具

（5）使用节能型镇流器

（6）车站、站场照明自动控制

根据建筑规模及功能要求，设置相应的智能自动控制系统，对不同时间不同环境的照度进行精确设置及管理，按需进行调光或降低照度，节电效果较明显。此外，还可改善灯具运行工作条件，从而延长灯具寿命，降低运维成本。

5 结束语

21世纪是节能、环保、低碳的世纪，设计人员应在节能减排等领域担负起时代责任，设计中合理采用节能技术、产品，优化设计方案，为建设资源节约型社会做出贡献。