ZER7型双动力电传机车在城市轨道交通中的应用前景分析

堵建中

(南京地铁运营有限责任公司，210012，南京//高级工程师)

随着地球上化石能源的日益枯竭以及人类居住环境的日益恶化，节约化石能源和开发新能源已成为国家可持续发展的重大战略课题。

目前，我国城市轨道交通行业承担基地调车作业和正线作业牵引的机车均为内燃机车，其通过燃烧柴油实现动力输出的方式不可避免地造成环境污染[1]，已不符合我国建设资源节约型社会的要求。双动力电传机车具有绿色、环保和节能的技术优势，可取代内燃机车为城市轨道交通行业调车作业使用。

1 双动力电传机车的发展

双动力机车[2]具有两个独立电力来源共同为机车提供电力，即在机车工作时，既可以用A电源供电，也可以用B电源供电。国内双源制则多采用接触网供电和蓄电池储电模式(以下简称“储电型”供电)，即机车在无电区时，蓄电池向机车提供电力维持机车运行；进入有电区后，机车升受电弓改由接触网供电运行，同时蓄电池进入充电状态。南京城市轨道交通与株洲电力机车厂共同研制的的ZER7型双动力电传机车，采用的是车载柴电机组替代蓄电池的设计，即机车在无电区运行时启动柴油发电机组向机车供电，进入有电区后机车升受电弓由接触网供电。

2 ZER7型双动力电传机车

2.1 主要技术参数

ZER7型双动力电传机车的主要技术参数如表1所示。其牵引特性曲线和电制动特性曲线如图1～2所示。

图1 ZER7型双动力电传机车牵引特性曲线

名称参数电传机车外形尺寸14 910 mm×2 760 mm×3 750 mm两转向架中心距/mm7 060固定轴距/mm2 200接触网供电电压/VDC 1500轮周功率/kW400(接触网)/200(柴油发电机组)最小通过曲线半径/m150车钩型式13B号车钩轴列式Bo-Bo整备质量/t≤56电传机车速度/(km/h)80制动方式再生制动、电阻制动、空气制动及停车制动

2.2 主要系统

(1) 牵引传动系统。牵引系统采用VVVF(变电-变频)逆变器，其是由异步牵引电动机构成的交流电传动系统，为架控方式。牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路。接触网受流模式下输入DC 1 500 V直流电，牵引逆变器将其变换成频率、电压均可调的三相交流电，并向异步牵引电动机供电。柴油发电机组供电模式下发出的AC 690 V

图2 ZER7型双动力电传机车电制动特性曲线

三相交流电经三相整流为DC 880 V后输入到牵引逆变器。图3为ZER7型双动力电传机车的双电源供电图。由图3可知，ZER7型双动力电传机车装有4台交流异步牵引电机，按架控进行配置。其中，电气传动系统采用VVVF交流调速方式，鼠笼型三相异步牵引电动机是以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为主元件的功率模块，其控制方式为直接转矩控制或矢量控制模式。

(2) 混合电制动系统。电力电传机车采用接触网供电时，其在电制动过程中主要向电网反馈能量，且仅在电网不能接受时将该能量消耗在制动电阻上；电力电传机车采用柴油发电机组供电时，电制动能量将由制动电阻吸收。电力电传机车采用DK-1制动系统，能够实现空电联合制动。

(3) 辅助供电系统。辅助逆变器将输入的直流电转变为三相交流电，通过辅助变压器变压后为工程维护车的负载提供三相AC 380 V/50 Hz和单相AC 220 V/50 Hz交流电源，同时亦可为三相辅机、空调、控制蓄电池充电机、工务用电等提供电源。辅助逆变器既可以在接触网供电DC 1 500 V(1 000 ～1 800 V)模式下工作， 也可以在柴电机组供电模式下工作。

图3 ZER7型双动力电传机车的双电源供电图

(4) 柴油发电机组。柴油发电机组通过采用恒速控制来提供稳定的电源电压和频率；且由负载功率变动引起的发电机电压波动由其自带的励磁调节系统AVR(自动电压调节器)完成调整，机组转速波动则由柴油机的电喷控制ECM(发动机的电控模块)控制。

3 ZER7型双动力电传机车的优势

3.1 与传统内燃机车的比较

(1) 节能减排。目前，南京城市轨道交通已开通的7条线共配置内燃型机车33台，2015年4月共消耗燃油11.438 t，由此计算可得污染物SO2、NOx和烟尘的排放量分别为4.57 t、0.718 t和0.017 t，从而预计2015年污染物SO2、NOx和烟尘全年的排放量分别为54.84 t、8.616 t和0.204 t，且随着线路数量的持续增加，上述污染物的排放总量将会同比增加。ZER7型双动力电传机车在城市轨道交通线网接触网覆盖率较大的情况下，使用车载柴电机组的时间占比很小，排放量可忽略不计。因此全面推广使用双动力电传机车可产生巨大的环境效益和社会效益。

(2) 改善作业环境。经现场测量，内燃机车在隧道内作业时噪声可达91 dB,同时内燃机车排烟会在隧道内聚集，造成空气质量下降，影响员工的身体健康；而双动力电传机车在隧道内进行接触网供电模式作业时产生的噪声分贝仅为65 dB，且可实现无烟尘工作环境。

(3) 操纵性能好。双动力电传机车与液力传动内燃机车相比，在高速运行中其动力输出有很大的优越性，如图4所示。ZER7型双动力电传机车在装车功率小于10%且运行速度超过20 km/h的情况下，其牵引力较传统内燃机车平均高30%以上。这种动力输出的优势在进行网轨或限界检测作业以及在对机车运行速度要求较高的作业中尤其明显。

图4 ZER7型双动力电传机车牵引特性对比曲线

(4) 全寿命成本低。表2为ZER7型双动力电传机车与内燃调车机车的全寿命成本对比。由表1可知，双动力电传机车在能源成本、运用条件、日常维护及全寿命周期等方面，均比内燃调车机车更具优势。文献[3]中，据中车株洲电力机车有限公司向新加坡出口的双动力电传机车测算,其全寿命成本比传统内燃调车机车节约700万元。

(5) 作业范围广、安全性高。双动力电传机车可实现对传统内燃调车机车的功能覆盖，同时双源制动力来源可互为备用，大大提高了机车使用的安全性。

表2 ZER7型双动力电传机车与内燃调车机车的全寿命成本对比

3.2 与“储电”型双动力电传机车的比较

ZER7型与储电型双动力电传机车的区别在于柴油发电机组供电和蓄电池供电。现针对此不同点进行比较：

(1) 机车整体设计：目前国内蓄电池模式设计方案已基本成型；柴油发电机组模式较蓄电池模式除需增加1套交-直逆变电路外，还需对柴油发电机组的布置进行必要的设计以满足机车整体的安全性要求[4]，这在某种程度上增加了设计的难度和费用。

(2) 技术成熟度和产品供给：柴油发电机组技术发展已经非常成熟，其产品供给和维保市场竞争很充分；传统蓄电池维保市场相对成熟,但目前尚存在一些环保技术方面的问题，在一定程度上影响了其竞争力。

(3) 日常维护费用：柴油发电机组日常维护包括油水和皮带等易损件的更换，每年费用约5 000元；蓄电池日常维护费用较少，但需配套专门的充放电设备。

(4) 远期维修费用：柴油发电机组大修时间为20 000 h，按每年2 000 h计算，约10 a年进行1次大修，费用约30万元；蓄电池寿命为5 a，更换费用70～80万元，若机车寿命按20 a计算，两者维护费用相差140万元。

(5) 价格：目前“储电”型双动力电传机车单台价格约为600万元，ZER7型双动力电传机车单台价格为800万元(含研制费用)。当设计固化进行量产后，后者价格将会与前者大致持平。

4 结语

ZER7型双动力电传机车在继承传统内燃机车方便灵活、持续牵引能力强等优点的基础上，更具高效、节能、低排放的特点，值得推广应用。

然而，ZER7型双动力电传机车是新型机车，目前在我国城市轨道交通公司中的运用数量较少，其设计制造标准尚未建立，每台机车均以业主的要求单独设计制造，这种现状造成制造成本上升；此外，各个单位的运用标准也不尽相同，没有统一的运用标准和规范。

这将成为该类机车推广的主要障碍。因此，应尽早统一设计规范，制定相关的使用标准，使双动力电传机车得到更广泛的应用。