日本旨在降低铁路供电损耗的超导技术应用

1 引言

在能源供应日趋紧张的国际大背景下，节能降耗成为铁路技术发展的重要目标。目前，铁路电力传输过程中产生的能量损失约占铁路运营总能耗的5%，对于现存的规模庞大的世界铁路线网而言，其能耗量十分可观，因此铁路供电技术在节能方面有巨大的提升空间。

超导技术是利用物质在低温下呈现出的超导电（电阻变为0）性质而开发的高新技术，其自诞生以来就在节能降耗方面被赋予极大期望。适用于铁路系统的超导技术涉及供电领域的变压器、电流馈通装置、限流器，电磁领域的超导电机等，如表1所示。其中，专门针对节能降耗的技术包括超导磁储能装置和超导电缆。

表1 适用于铁路系统的超导技术

日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）将上述2项超导技术引入铁路供电领域，旨在降低铁路供电时的能源损耗，达到节约能源的目标。文章将介绍其相关的研究成果。

2 超导磁储能装置

能够提高再生制动效率、平衡电力负荷的储能装置是目前铁路技术领域的研发热点。为解决作为常用存储介质的锂离子电池在急速充放电方面存在的诸多问题，铁道综研正在开发一种可以快速充放电的超导磁储能装置（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES），如图1所示。这是一种可将电能转化为磁能并直接存储于超导线圈中的设备，由于超导线圈具有零电阻的特点，允许电流在其中无损耗地持续流动，因此该设备可在需要进行能量转换时实现高速率的充放电。不同于锂离子电池将电能存储为化学能的特性，SMES是直接将电能存储为磁能，因此具有高效率、长寿命、大电流输入/输出的优点。

图1 超导磁储能装置应用示意图

由于近年来氦资源耗竭问题日益严重，因此铁道综研正在研发新一代以二硼化镁 （MgB2）为材料、无需进行液氦冷却的超导线圈。此种超导线圈的冷却方式有2 种：其一，不使用制冷剂，仅利用冷冻机进行传导冷却；其二，使用液氢进行冷却。

3 超导电缆

日本铁路线路多采用低压直流供电，面临的电力传输损耗、接触网电压下降等问题较为突出。而超导电缆具有容量大、损耗低、节能环保等优势，利用其进行电力传输，可在解决上述问题的同时，提高列车运行稳定性。因此，铁道综研正在开发新一代铁路用超导电缆，目前已完成材料试验和系统设计，正在内部试验线和营业线路上进行验证性试验。

3.1 结构

超导电缆由芯管型材以及分层螺旋缠绕芯管型材的超导线材、绝缘层构成，其结构如图2所示。其中，芯管型材作为骨架，是支撑外围材料的中空管道；超导线材由高温超导体材料制成，用于传输电力；绝缘层具有良好的绝缘特性，可保护电缆免受机械损伤和化学腐蚀。

3.2 应用

图3展示了超导电缆用于铁路牵引供电的模型示例。该示例中将牵引变电所（以下简称“变电所”）之间的部分常规馈线替换为超导电缆，以解决变电所之间供电臂末端区段存在的接触网电压下降问题。当然，引入超导电缆的方法不仅限于此，还可替换区间全部馈线或分支馈线等，可按需选用。若所有变电所之间的馈线都采用超导电缆，则可显著抑制接触网电压的下降，并实现各个变电所间电力的互相调剂，从而有效减小单一变电所输出的峰值电流及各变电所之间的负荷差；此外，列车再生制动时产生的电能也可以更容易地经由接触网和馈线输送到远处，供其他运行的列车使用。

图3 利用超导电缆替换变电所之间部分常规馈线示例

为定量评估超导电缆的电力传输效果，铁道综研以一条普通铁路线路为例，模拟分析其引入超导电缆后的日耗电功率。评估结果显示，该线路的日耗电功率可从常规的10 856 kW降低到10 318 kW，实现约5%的节能效果（表2）。

表2 采用超导电缆和常规电缆线路的日耗电功率对比 kW

3.3 相关测试

3.3.1 超导电缆测试

为评估超导电缆在不同状态下的导电性能，铁道综研不仅测试了超导电缆卷曲盘绕时的机械应力，以了解电缆在弯曲状态下的载流能力，而且对其进行了施加磁场的通电测试，以确定超导电缆自身在通电时产生的磁场对流过电缆的电流值的影响。根据上述测试，铁道综研制定了超导电缆设计指南，为制造超导电缆提供指导依据。

3.3.2 超导电缆供电环境下的行车试验

为促进超导电缆的实际应用和推广，铁道综研在营业线路上进行了超导电缆供电的基础技术验证，以及超导电缆供电环境下的行车试验。试验人员将1段输电电压1 500 V、电流容量2 000 A、长度6 m的超导电缆设置在变电所输出端与常规馈线输入端之间，构成如图4所示的简单供电回路；超导电缆两端设置可读取回路中电流值的检测终端，即电流端子A和B；通过操作断路器可在既有传统馈线与超导电缆间进行切换和选择。上述设施共同构成超导供电试验系统。电动车组的加减速通过加减速控制手柄的档位调节来实现，旨在测试超导电缆在列车加减速导致电流急剧变化的情况下是否会产生电力传输损耗。超导电缆敷设及行车试验的情况如图5所示。

图4 超导电缆供电回路

图5 超导电缆敷设及行车试验实图

超导电缆的冷却采用液氮浸渍方法。图6展示了从超导电缆B端向A端填充液氮进行冷却的效果。由图可知，在填充开始约80 min后，超导电缆两端均达到液氮温度。

在冷却完成后，电动车组开始进行行车试验。通过安装在电动车组上的相关仪表，可以测得车辆运行过程中供电电流及相应车速的变化。行车试验的结果如图7所示。由图可知，超导电缆为从修善寺站开往田京站（里程约5.6 km）的电动车组（每列3节编组）提供的最大电流约880 A。其间，因列车在车站启停而导致的超导电缆内电流的急剧变化并未引起其发热超标（见图6）。由此可知，超导电缆没有因电流急剧变化产生明显的电力损耗。

图6 超导电缆冷却及供电过程温度变化示意图

图7 超导电缆供电环境下的行车测试结果

3.3.3 超导电缆输电测试

为进一步研究超导电缆的节能效果，铁道综研使用1条长度为408 m的超导电缆进行输电测试。测试中，超导电缆与既有常规馈线平行敷设，从变电所向停放在车辆段内的10 列电动车组（每列10节编组）输电。列车的空调、照明等系统全部开启，由此产生约1 250 A的电流消耗。图8展示了采用超导电缆与常规馈线输电时电压下降的比较结果。由图可知，采用常规馈线输电时，测得的电缆两端电压下降值达到9.41 V；采用超导电缆输电时，其两端（起点端子和终点端子）的电压几乎保持一致，仅有0.02 V的下降。通过采用超导电缆输电，可在408 m的测试区间内将输电线路的耗电功率减小约7 kW。

图8 采用超导电缆与常规馈线输电时电压下降比较