高速铁路牵引供电系统能耗计算及节能评估

杨 璠

（中交铁道设计研究总院有限公司 机电设计分院，北京 100088)

高速铁路动车组列车功率大、发车间隔小、行车密度高，因而导致高速铁路耗电量巨大。通常高速铁路牵引用电负荷占其总耗能的80% ～ 90%左右[1-2]，其余为辅助生产能耗占比。在当前我国建设资源节约型社会的背景下，开展节能设计和评估显得尤为重要。为此，从系统节能设计的理念出发，通过全面分析和计算高速铁路牵引供电系统各个环节的能耗，提出一种针对牵引供电系统的节能评估流程和方法，并结合案例进行节能评估分析。

1 高速铁路牵引供电系统及节能评估现状

高速铁路牵引供电系统由牵引变电所(主要耗能设备为牵引变压器)、自耦所(主要耗能设备为自耦变压器)、牵引网等构成，其作用是将电能从地方电网安全可靠地输送到动车组上，为动车组高速运行提供持续强大的电能。电能输送过程中95%的电能都由动车组列车消耗，另有5%的电能损失由高压输电线路、牵引变压器、自耦变压器及接触网的有功和无功损耗组成。由于动车组列车采用再生制动方式，当列车制动时，一部分电能可以反馈回接触网，被线路上的其他列车吸收。牵引供电系统能量流向如图1所示。

图1 牵引供电系统能量流向Fig.1 Schematic diagram of the energy flow direction of traction power supply system

目前高速铁路节能评估只是提供各类能耗设备种类和数量清单、年用电量和需用功率计算等内容，缺乏系统性和完整性。体现在以下方面：①节能评价对终端设备(动车组列车)的耗电量比较关注，但对电能损失环节的节能措施和节能效果的评估重视不足；②动车组列车及牵引供电系统能耗数据缺少应有的计算过程，主要技术标准及设计方案的确定很少从节能角度进行方案比选；③新工艺、新技术与常规设备相比，节能效果缺乏量化评估手段[3]。

2 高速铁路牵引供电系统节能评估

高速铁路牵引供电系统节能评估主要包括牵引供电系统能耗计算、系统方案节能设计评估、节能措施及效果评价等主要环节。牵引供电系统节能评估流程如图2所示。

图2 牵引供电系统节能评估流程Fig.2 Flow chart of energy-saving evaluation for traction power supply system

2.1 牵引供电系统能耗计算

对高速铁路牵引供电系统主要设备能耗进行计算是节能评估的前提和基础。牵引供电系统能耗计算主要包括动车组能耗计算，以及牵引网、牵引变压器、自耦变压器电能损失计算等内容[4]。

（1）动车组能耗计算。动车组运行耗电量计算公式如下。

式中：Qy1为动车组能耗，kW·h；Uw为受电弓处网压，V；Ip为时间间隔内动车组的平均有功电流，按动车组手柄位速度取值，A；Ip0为自用电有功电流，A；t为相应工况时间，min。

（2）牵引供电系统电能损失。牵引供电系统的电能损失由牵引网电能损失、牵引变压器电能损失及自耦变压器电能损失组成。根据《牵引供电系统电能损失的计算条件和方法》(TB/T1653-1996)，牵引供电系统电能损失计算公式如下。

①牵引网电能损失计算。双线区段AT供电方式牵引网电能损失计算公式如下。

式中：ΔAj为牵引网电能损失，kW·h；I为供电臂内列车平均电流，A；L为供电臂长度，km；Ni为各种类型列车对数，对/d；tgi为列车通过供电臂的带电时分，min；RL为牵引网长回路等值单位阻抗的有效电阻，Ω/km；RL′为牵引网AT段中等值单位阻抗的有效电阻，Ω/km；n为供电臂内的AT段数；P为AT段的平均带电概率；D为AT段的平均长度，km；T为计算时间，min；V为列车类型数。

②牵引变压器电能损失计算。牵引变压器的损耗包括空载损耗、负载损耗2部分。空载损耗主要为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗与频率成正比，与最大磁通密度磁滞系数的次方成正比；涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片厚度三者的积成正比。负载损耗主要为负载电流通过绕组时在电阻上的损耗，一般称铜损。负载损耗大小随着负载电流而变化，与负载电流的平方成正比，用标准线圈温度换算值来表示。负载损耗还受变压器温度的影响，同时负载电流引起的漏磁通会在绕组上产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。牵引变压器空载损耗计算公式如下。

式中：ΔAC为牵引变压器年空载电能损失 ，kW·h；ΔPCN为变压器额定空载损耗，kW。

牵引变压器负载损耗计算公式如下。

式中：ΔAt为变压器额定负载电能损失，kW·h；It为牵引变压器负荷有效电流，A；I2N为牵引变压器二次侧绕组额定电流，A； ΔPtN为变压器额定负载损耗，kW。

③自耦变压器电能损失计算。自耦变压器负载损耗公式如下。

式中：ΔAatt为自耦变压器额定负载电能损耗 ，kW·h；Iat为自耦变压器负荷有效电流，A；INat为自耦变压器二次侧绕组额定电流，A；ΔPatN为自耦变压器额定负载损耗，kW。

自耦变压器空载损耗公式如下。

式中：ΔAatc为变压器额定空载电能损失，kW·h；ΔPacN为自耦变压器额定空载损耗，kW。

④牵引供电系统电能损失。牵引供电系统电能损失等于牵引网、牵引变压器、自耦变压器电能损失之和。需要说明的是，按照现行《牵引供电系统电能损失的计算条件和方法》，牵引供电系统按全年365 d不间断运行时间即8 760 h计算，参考高速铁路运输组织计划，每天均有4 h的天窗时间，因此，实际计算中，一条高速铁路全年不间断运行时间按7 300 h计算[5]。

2.2 牵引供电系统节能评估

从动车组列车选型、供电方式、供电电压、牵引变电所的分布方案、牵引变压器选型、牵引变压器安装容量等方面对高速铁路牵引供电系统进行节能评估。

（1）动车组列车选型。动车组列车由于采用了交直交传动技术，其功率因数更高、谐波含量更小，在动车组满负荷运行时，其功率因数与1相近，因而无需添加任何无功补偿装置。功率因数较高，可大幅度减小供电系统运行过程中的电能损耗，从而减少无功电能的产生，进一步提高牵引变电所的功率因数，降低牵引网的电压损失和功率损耗。此外，交直交型动车组列车采用再生制动方式，下坡时优先采用再生制动，此种制动装置可以将电能反馈至接触网，从而被正在取流的动车组利用。由于通常情况下高速铁路紧坡地段长且连续设置，下坡地段时列车基本为制动状态，因此再生制动产生的电能被上坡取流的动车组所使用，相比传统电阻制动或机械制动类机车来说，其节能效果更为明显。动车组列车选型节能评估应符合《铁路工程节能设计规范》的要求，从速度目标值、牵引功率、牵引定数和能耗分析综合考虑，设计方案所推荐的动车组应有利于节约能源[6]。

（2）供电方式。设计应从节能角度进行牵引网供电方式的比选。设计所推荐的牵引网供电方式应有效降低牵引供电系统各个环节的电能损失。

（3）牵引变电所的分布方案。牵引变电所分布方案在满足供电能力基础上应充分考虑地方电源输电线长度，牵引变电所应靠近负荷中心设置并尽量靠近电源点，以减少电源线路损耗；供电臂长度适宜，减少牵引负荷在牵引网上的电能损失；牵引变压器总安装容量较低，可有效降低基本电费支出及变压器电能损失等。

（4）供电电压。供电电压节能评估内容包括供电电压具备较强的功率传输能力和负序谐波承受能力，能更好地适应供电需要；符合地方电网现状与规划，满足高速铁路项目主要技术标准和运输需求，同时有利于减少输电线路损耗。

（5）牵引变压器选型。牵引变压器类型的空载损耗、负载损耗应满足《电气化铁路牵引变压器技术条件》(TB/T3159)有关规定，评估项目选用的设备宜为同类产品中达到先进水平的低损耗、高能效设备。

（6）牵引变压器安装容量。根据目前国家对电气化铁路的两部电价政策，牵引变压器安装容量小，可以节省基本电费支出，有利节能。牵引变压器安装容量节能评估应符合《铁路工程节能设计规范》6.0.7条“ 牵引变压器安装容量应按交付运用后第5年的运量确定，并应充分利用其过负荷能力”的要求。

2.3 其他节能措施及效果评估

高速铁路处于铁路技术领域前沿，随着新技术及新材料的不断涌现，牵引供电系统的设备材料选型存在更新换代的可能。因此，应进一步评估高速铁路牵引供电系统节能新技术及新材料的推广应用情况，论证新技术应用的可靠性和有效性。

3 案例分析

某高速铁路全长174 km，全线共设10个车站，设计动车组列车最高运行速度250 km/h。牵引供电系统正线采用2×25 kV(AT)供电方式，全线共设置4座牵引变电所，新建牵引变电所采用两路220 kV电源供电。接触网采用全补偿弹性链形悬挂，正线接触线采用150 mm2铜合金接触线，承力索采用120 mm2铜合金绞线。该高速铁路能耗计算及节能评估过程如下。

3.1 能耗计算

（1） 动车组列车能耗计算。结合运输组织需求，设 计 本 线 开 行CRH1型、CRH2-200型 及CRH5型动车组列车，采用《列车牵引电算软件2.5版》模拟计算得出不同型号动车组列车能耗。最高运行速度为250 km/h时，不同型号动车组列车能耗比较如表1所示。

表1 不同型号动车组列车能耗比较 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption for different models of EMU trains

（2）牵引供电系统电能损失计算。牵引供电系统各区段电能损耗如表2所示。

汇总牵引运行用电量及牵引供电系统损耗，牵引能耗汇总如表3所示。

表3 牵引能耗汇总Tab.3 Summary of traction energy consumption

考虑牵引动力设备的效率，可以估算出设备最终输出的有用功。设计综合考虑各类牵引动力设备效率，按85%计算，折合有效能耗为标煤26 450.14 t /a。

3.2 系统方案设计节能评估

（1）动车组类型。由表1可知，最高运行速度250 km/h时， CRH2-200型动车组能耗最低，其次是CRH1型和CRH5型动车组。经评估，采用CRH型动车组可以满足该线要求，符合《铁路工程节能设计规范》2.0.9条“ 机车宜采用交直交型和使用再生制动技术”的要求。从速度目标值、牵引功率、牵引定数和能耗分析综合考虑，最高运行速度250 km/h时，CRH2-200型动车组能耗比CRH1型和CRH5型动车组低。

（2）牵引网供电方式。该高速铁路牵引供电系统采用单相工频(50 Hz)交流制，接触网额定电压为25 kV，牵引网供电方式可以采用带回流线的直接供电方式或AT供电方式。2种供电方式技术特点比较如下：带回流线的直接供电方式供电可靠性高，施工方便，维修工作量小，一次性投资较低，单线区段单上回流线屏蔽系数可达0.7 ～ 0.8，复线区段可达0.4 ～ 0.5。该种供电方式接触网电压水平较高，电能损失较小，接触网结构较简单，在满足防干扰要求时宜采用。缺点是供电距离短，牵引变电所数量多，牵引网及牵引变压器损耗较大。AT供电方式对通信线路的干扰影响小，供电质量高，牵引变电所数量少，能减少电力系统的输变电工程，降低线路损耗，在要求供电质量高的繁忙干线、高速铁路及电力系统电源点较少区段，有充分的优越性[7]。但该种供电方式结构复杂，每隔一定间隔必须并入自耦变压器，增大了牵引供电系统的投资，供电设备要求高，运营维护困难。经过评估：该高速铁路在局部地段坡度较大，且开行16辆编组动车组列车，列车运行速度快，功率大，行车间隔小，牵引负荷较重，采用AT供电方式能显著减少牵引网电能损失，有利节能。由表3可知，推荐方案牵引网电能损失占牵引能耗的4.49%，节能效果较好。

（3）牵引变电所分布方案。结合高速铁路枢纽及地区供电方案，设计了4个全线供电方案进行技术经济综合比选。牵引变电所分布方案节能参数比较如表4所示。根据表4，从节能设计角度分析，方案3节能效果最好，其次是方案1。实际工程中，由于方案3的设所条件相当困难，枢纽内也不具备设置AT分区所的条件，故方案3无法实施。在可实施方案中，方案1在5年期的耗电量及电能损失为最低。因此，评估认为设计推荐的方案1能够较好地服务于该项目，同时利于节约能源。

表4 牵引变电所分布方案节能参数比较Tab.4 Comparison of energy saving parameters of traction substation distribution scheme

（4）供电电压。该项目外部电源进线选择220 kV，其供电可靠性、供电能力和电能质量较采用110 kV电压等级有很大提升，同时具备了更强的功率传输能力和负序谐波承受能力，能更好地适应线路供电需要。沿线220 kV电网总体较发达，220 kV变电站较多，符合地方电网现状与规划，满足项目主要技术标准和运输需求，同时有利于减少输电线路损耗，节约能源。牵引供电系统接入短路容量大的公共电源点，公共连结点的短路容量大于2 500 MVA，公共连结点处的电压不平衡度满足国家标准的要求。评估认为：该供电电压符合《铁路工程节能设计规范》6.0.5条“牵引变电所进线电源电压，客运专线铁路正线应采用220 kV及以上电压等级”的要求，有利于节约能源。

（5）牵引变压器选型。根据目前国家对电气化铁道的两部电价政策，对牵引变压器的安装容量按月收取基本电费。该线采用单相变压器以及三相Vv结线牵引变压器(由2台单相牵引变压器构成Vv结线方式)可有效提高变压器容量利用率，有利节能。此外，该项目采用优质进口硅钢片制作铁芯可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。推荐采用的卷铁芯牵引变压器改变了传统叠片式铁芯结构，硅钢片连续卷制，铁芯无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了60% ～ 80%[7]；充分利用硅钢片的取向性，空载损耗降低20% ～ 30%，提高了功率因数，降低了电网线损。该项目选用的牵引变压器主要技术指标及损耗水平如表5所示，自耦变压器主要技术指标及损耗水平如表6所示。

表5 牵引变压器主要技术指标及损耗水平Tab.5 Main technical indexes and loss level of traction transformers

表6 自耦变压器主要技术指标及损耗水平Tab.6 Main technical indexes and loss level of autotransformers

综合以上分析，该项目采用的新型卷铁心牵引变压器，其产品均可满足《电气化铁路牵引变压器技术条件》(TB/T3159)有关规定，选用的设备为同类产品中达到先进水平的低损耗、高能效设备。

（6）牵引变压器安装容量。该项目牵引变压器容量是根据交付运营后第5年需要通过能力、动车组类型、列车牵引质量和追踪间隔等条件计算，并按4 min追踪平行图进行校验，充分利用牵引变压器过负荷能力确定校核容量，牵引变压器过负荷倍数取为2.0。由表3可知，牵引变压器、自耦变压器的电能损失分别占牵引能耗的1.74%，0.28%， 取得了较好的节能效果。评估认为：该项目牵引变压器容量及自耦变压器选择合理，有利于节约能源。

（7）其他措施和相关设备节能评估。该项目各新建AT分区所及AT所两供电臂上、下行间采用双极断路器相联，实现上、下行并联供电。220 kV断路器采用成熟可靠、故障率小的SF6型断路器。2×27.5/27.5 kV断路器采用户外真空断路器，并配弹簧储能操动机构，有利于降低操作功率。接触网采用全补偿弹性链形悬挂，相较其他线路采用全补偿简单链形悬挂和载流承力索，可减少单位阻抗、降低牵引网电能损失，减少能耗[8]。接触线采用镁铜合金接触线，承力索采用铜合金绞线，符合《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009-2016)中“接触线宜采用铜合金接触线、承力索宜采用铜合金绞线”的规定。镁铜合金接触线抗拉强度高、耐高温性能好，为我国速度300 km/h及以上的高速铁路接触网主流产品，能够减少运营维护工作量，延长大修周期，间接减少能耗[9]。

4 结束语

从动车组列车的选型、牵引供电方式、变压器容量及类型、牵引变电所布点方案、主要供电设备及接触网选型等方面对高速铁路牵引供电系统的节能效果进行评估，为工程节能设计及项目节能管理提供依据。在供电方案选择和主要技术标准的确定过程中，应以节能效果为主要考虑因素，将节能设计理念渗透至设计全过程，从而最大限度地降低牵引供电系统的电能损耗，以适应我国高速铁路向绿色节能发展的需求。