城轨交通系统地面吸能装置应用分析

2018-05-07韩凤喜

机电工程技术 2018年3期

祖健，韩凤喜，高雪

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000；2.青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000）

0 前言

国内城轨交通线路的大力发展，以其安全、舒适、环保、准时、运量大等诸多优点，对改善出行、解决道路拥堵、减少空气污染、加快调整城市布局效果显著。城轨车辆在制动时会产生大量能量，该能量往往被传统车辆上携带的制动电阻所消耗。车载制动电阻的方式，既阻碍列车的轻量化和运动性能，又不符合节能环保的发展趋势。现阶段已有诸多城市线路在地面设置了地面吸能装置，进而取消车载制动电阻，提高了车辆性能、改善隧道环境并降低车辆成本。甚至可将车辆制动能量反馈公共电网以达到能量回收利用的作用。地面吸能技术日趋成熟，但也存在不可忽视的问题。文献[1-2]介绍了地面制动电阻和深圳地铁2号线工程再生电能吸收装置方案，凸显了地面制动电阻具有结构简单、易于维护以及可靠性高等优点，提出合理解决制动电阻的通风散热问题是方案关键。文献[3]介绍了几种地面吸能技术和原理，并以北京地铁10号线应用为例，研究了其能量回馈效果和供电品质。文献[4]以广州地铁4号线地面制动电阻为例，介绍了牵引变电所地面制动电阻的原理和技术参数，提出其控制要适应列车制动特性和行车要求。本文介绍了国内城轨交通系统设置地面吸能装置的应用情况，介绍了工作原理和不同吸能方式的优势与存在问题，为国内地铁车辆设计和使用提供参考。

1 城轨交通系统地面吸能应用情况

通过实地考察了国内若干城市，了解到城轨交通系统设置地面吸能装置相关应用情况，同时梳理了车辆设置车载制动电阻的情况。

1.1 北京

北京地铁自5号线（2007年10月8日开通）以后的线路开始，已全部取消车载制动电阻，主要包括4、8、14、15、16号线和昌平线二期，车辆上仅保留用于“削峰”的小容量过压保护电阻。其中，15号线西段关庄至清华东路7站中每隔一站安装一台地面能馈装置（共4个站），中间站安装地面吸收电阻（3站），截至2017年1月1日已运营两年。昌平线二期，全线安装地面能馈装置，已运营两年。北京16号线，全线安装地面能馈装置，已运营近1年。详细信息如表1所示。

表1 北京地铁取消车载制动电阻及地面能馈应用情况

1.2 重庆

重庆地铁正在运营的4条线路均不设车载制动电阻，车辆上仅保留小容量的过压保护电阻。2号线全线安装地面电阻吸收装置，已运营12年。1号线、3号线和6号线全线安装地面能馈/电阻混合吸收装置，已分别运营6年、4年和2年。详细信息如表2所示。

1.3 郑州

郑州地铁正在运营的3条线路均不设车载制动电阻，车辆上仅保留尺寸较小的过压保护电阻。1号线一期全线安装地面能馈/电阻混合吸收装置，已运营4年，二期全线安装地面能馈装置，预计2018年开通。2号线全线安装地面电阻吸收装置，已运营1年。城郊线安装地面能馈装置，于2017年开通。详细信息如表3所示。

表2 重庆地铁取消车载制动电阻及地面能馈应用情况

表3 郑州地铁取消车载制动电阻及地面能馈应用情况

1.4 青岛

目前，青岛地铁3号线已正式运营，4条线路正在建设，其中13号线全线设置地面能馈装置，3号线在汇泉广场站设置了1套地面能馈装置，在延安三路站设置了一套超级电容储能装置。详细情况见表4。

表4 青岛地铁应用现状

1.5 其他城市

通过其他方式，调研了广州、南京、天津、昆明、长沙、成都等城市地铁取消车载制动电阻及地面能馈应用情况。广州4、5、6号线因为使用直线电机取消了车载制动电阻，使用地面吸收装置；长沙和成都在建线路有取消车载制动电阻的趋势，其中长沙使用地面能馈装置。其他城市都保留了车载制动电阻，使用能馈装置处于试验阶段。其他城市调研情况见表5。

表5 其他城市取消车载制动电阻及地面能馈应用情况

2 吸能方式比较分析

不设置车载制动电阻，车辆制动过程中所产生的电制动能量主要通过以下几种方式进行吸收，具体情况如下。

2.1 仅地面电阻吸收方式

重庆1号线、郑州2号线采用了这种吸收方式。该方式控制简单，可以取消车载制动电阻，降低车辆投资，提高列车动力性能；能够降低隧道温度、优化隧道环境，减小散热和通风设备的压力；国内产品成熟，成本较低。

再生制动能量直接通过地面电阻吸收集中发热消耗掉，无法进行再利用；地面电阻散热会引起环境温度上升，如果装置设置在地下变电所内，电阻柜需单独放置，并安装通风装置散热；若电阻设置在地面上，散热、噪音问题会影响周围环境。从节能环保的角度，不代表再生制动能量吸收技术的发展方向。

图1 地面纯电阻吸收

2.2 仅地面能馈装置吸收方式

北京16号线、昌平线二期，郑州1号线二期、城郊线采用了这种吸收方式。该方式可以最大限度的将线路上车辆无法吸收，多余的再生制动能量，进行回收再利用，且不产生高热。从绿色环保的角度来看，这是未来再生制动能量吸收技术的发展方向，目前受产品材料、电力电子器件及技术成熟度的制约，全面推广还存在一些困难。

图2 地面能馈装置吸收

2.3 地面电阻与能馈装置共同吸收方式

重庆2、3、6号线，北京15号线，郑州地铁1号线一期采用这种吸收方式。地面能馈/电阻混合吸收方式能够将部分再生制动能量，进行回收再利用，实现节能环保。其他特点同仅地面电阻吸收方式描述。此种方式在工程应用中需要处理好地面能馈装置与吸收电阻的容量匹配关系。

图3 地面电阻和地面能馈装置共同吸收

2.4 地面电容装置吸收方式

电容吸收方式由快速断路器、电压传感器、蓄能电容等构成。电容并联在电网上，若列车处于再生制动使电网电压抬高时，电容通过开始吸收该部分能量（电网向电容充电）。电容吸收方式主电路原理见图4所示。

由于电容频繁处于充、放电状况，电容的使用寿命短；由于短时吸收功率大，组合电容多，设备占地面积大、维护工作量繁重；而且提高了运营成本。蓄能电容吸收率一般在50%～60%，如果要应用在制动能量比较大的线路，蓄能电容充满电后将无法吸收更多电能，还必须增加电阻吸收。因此电容吸收方式应用很少。

3 地面吸能装置优势

3.1 车辆优势明显

3.1.1 车辆减重

传统城轨车辆一般配置4台车载制动电阻，约300～500千克/台。取消后单列车车重降低约1.2～2吨，降低车辆约2%的供电能耗，增加车辆动力性能，增加25人的运载能力。

3.1.2 降噪

车载制动电阻发热严重，需要大功率风机散热，噪音较大，取消制动电阻和散热风机会使车辆噪音降低，改善车辆的环境质量。

3.1.3 降低隧道温升

车载制动电阻发热会使隧道和车站环境温度升高，根据测量数据，制动电阻运行温度约200℃，工作时出风口1米处的温度可以达到130℃，隧道内环境温度会显著升高。取消车载制动电阻可以降低隧道温升，改善隧道环境，降低散热通风设备的能耗，环控负荷可降低约50%。

3.1.4 提升车辆可靠性和安全性

取消车载制动电阻可以简化牵引系统，提升系统可靠性，减少车辆维护的工作量；降低车辆火灾隐患，提升运营的安全性。

3.1.5 降低车辆采购成本

降低车辆的一次采购成本，每列车制动电阻总造价约40万元，可削减此部分费用；制动电阻数量不会随车辆配置数同步增加，节省投资。

3.2 地面能馈装置情况

3.2.1 能馈装置的类型

目前能馈装置主要分为低压能馈装置和中压能馈装置，低压能馈装置将再生制动能量回馈到AC400V低压交流网侧，如重庆地铁2、3、6号线；中压能馈装置将再生制动能量回馈到10 kV或35 kV中压环网上，如北京地铁15、16号线，昌平线二期，郑州地铁1号线、城郊线。低压能馈和中压能馈装置特点如下。

低压能馈装置将再生制动能量回馈到AC400V低压交流网侧，供动力照明使用，由于动力照明系统消耗能量有限，因此低压回馈装置普遍容量不高，一般在1 MW以下，需配合地面吸收电阻使用，能量主要还是通过热能形式消耗。

中压能馈装置将再生制动能量回馈到10 kV或35 kV中压环网，通过中压供电网络，由相邻站的车辆、动力照明系统使用其电能，达到最大的能量回收再利用效果。目前国内使用的中压能馈装置的容量最大可到4 MW左右。

3.2.2 能馈装置可靠性

由于电子器件更多，控制更复杂，能馈装置的故障率略高于地面吸收电阻。故障后设备会自动从电网中切除，相对较多的故障包括IGBT短路击穿、过流、过压故障等。由于线路上其他车辆和能量吸收装置的存在，单个能馈装置故障切除不会影响车辆日常运营。地铁用户普遍反映：上线列车数量越多，能馈装置使用率越低，故障率相应减少。能馈装置在投入使用前，需要先单独完成调试，再与车辆进行配合试验，确保相关参数设置匹配和性能最优。

3.2.3 能馈装置检修维护

地面能馈装置的日常维护主要是清扫工作，与变电所内其他电气设备一同大修。一般来说10～13年需要大修一次，检修时切除单站的能馈装置，完成检修后重新挂网运行，再检修下一站。3.2.4能馈装置成本和效益

受线路条件、车辆密度、能馈装置类型和容量等条件的影响，不同城市能馈装置的节电数据差异较大。北京10号线使用中压能馈装置，年节约电能65万度；14号线使用中压能馈装置，年节约电能80万度；郑州地铁1号使用中压能馈装置，线年节约电能35万度；重庆地铁1、3、6号线使用低压能馈装置，年节约电能10～20万度。可见中压能馈装置节能效果更好。根据本次调研的数据，单套中压能馈设备价格在200万左右，以北京10号线为例，年节约电能65万度，一度电的价格为0.8元左右，每年节省电费50万元，4～5年即可收回设备成本。能馈装置寿命大概为10年。

3.2.5 能馈装置可以双向运行

能馈装置一般作为能量回馈装置使用，实际具备整流供电功能，可以为牵引网提供电能。长沙1号线即开启了能馈装置的供电功能，在牵引网电压低于阈值时，主动开启稳定牵引网电压。双向供电是能馈装置未来的趋势，可以部分或完全替代二极管整流机组。

3.3 能量回收

能馈吸收方式则是利用电力电子器件构成逆变器，将车辆再生制动产生的电能逆变成工频交流电馈送交流35 kV电网、10 kV电网，或380 V交流电与车站内380 V电网并网，消耗在站内电梯、通风、照明等用电设施上。采用能馈吸收方案有利于能源的综合利用，实现节能。实测郑州某一牵引供电所单日回收发电量800～1 000 kWh，如表6。