牵引供电系统在绿色城轨建设中关键问题的思考与建议

文：丁树奎｜中国城市轨道交通协会副会长

绿色城轨建设的关键在节能，节能的关键在牵引。为贯彻落实中国城市轨道交通协会印发的《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》，本文在分析能耗指标的基础上，提出牵引供电系统在绿色城轨建设中的发展机遇与牵引供电系统发展展望。

为贯彻落实中国城市轨道交通协会印发的《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》，2022年协会持续进行了一系列走进企业的宣贯活动，牵引供电系统成为调研活动中热点话题之一。绿色城轨建设的关键在节能，节能的关键在牵引，对此，本文提出牵引供电系统在绿色城轨建设中关键问题的思考与建议。

一、关键问题

在绿色城轨建设过程中，牵引供电大有作为。《绿色城轨行动方案》的关键词有三个：“聚人”“节能”“洁能”，这是协会深入分析城市轨道交通，绿色低碳方面的特点、关键提出的。因为城轨碳指标主要与能耗有关，国标对城轨能耗的考核指标是综合能耗和牵引能耗，所以将节能降耗增效行动规划为绿色城轨行动六大行动的行动二。能耗里面，牵引能耗占比是最高的，基本在50% 左右。2022 年全行业总电耗是227 亿度，牵引能耗113 亿度，占比49.65%，绿色城轨行动方案提出的指标中，唯一的约束性指标就是能耗指标，这是根据国务院行动方案中对交通系统的要求设定的——2025 年降低10%，2023 年降低15%。综合能耗和牵引能耗都是这个指标。

我们预计，对于新增线路的牵引能耗完成上述指标困难不大，但存量线路完成这个指标存在不小难度。指标是对所有线路的，新线降的幅度更大一些，才能把既有线指标分摊过来。

完成综合能耗指标，困难就更大一些，因为是人公里指标，受客流量影响较大，因而不确定性大，所以又需要在降低牵引能耗上有更大贡献，综合指标降低把握才能更大。所以说，从完成指标角度来说，对牵引供电降低寄予的希望大。

二、发展思考

（一）绿色城轨建设是牵引供电系统升级换代的机遇

在城轨设备的几个大系统中，牵引供电系统实现国产化、自主化是最早的，所用的装备依托行业自主开发，借力电力系统和国铁的供应链体系，发展得最成熟，但在这二十年中，相比车辆、信号、通信等系统，变化也是最小的，总体上没有升级换代的变化。

行业内在牵引供电系统方面的创新成果还是很多的。拿永磁电机来说，2011 年实现首次应用，到现在已经有4 家成熟的供应商具备能力，有20个城市装车应用。双向变流方面，宁波，重庆等已经投入运营，无锡即将投入运营。如果算上同类的能馈装置应用就更早、面更宽，目前能馈已经是标配。

专用轨回流方面，宁波实现了轮轨体系的专用轨回流，重庆、芜湖单轨天然就是专用轨回流。这几项虽然可能还存在待完善迭代的内容，但总体上可以说已经经过研发、试制、试用、批量应用、运营考核全过程，具备推广应用的基础。

从效果上看，各地数据可能有所不同，但永磁电机节能20% 以上是基本的，双向变流节能15% 以上是基本的，去用回流轨根治了杂散电流迷流是基本的。遗憾的是，由于种种原因，这些创新成果的应用总体上还停留在点上，还没有到面上，更没有形成标配。

目前，作为行业发展大目标大战略之一是推动绿色城轨建设，过程中必然要抓主要矛盾方面，或者按“二八定律”提示的，抓关键的少数以取得百分之八十的效果。绿色城轨的关键在节能，节能的关键在牵引，牵引的节能关键在永磁电机和双向变流，因此，可以说绿色城轨建设是牵引供电系统升级换代的机遇。这个认识准不准，大家可以讨论。装备的发展，踩好点很关键。

（二）用系统思维看待新一代牵引供电系统

首先从新一代牵引系统应用效果来看，节能是主要效果但只是其中的一个效果。电机方面从常规的异步电机转变到采用永磁材料的同步电机，使得车辆的控制，从车控，架控转变到轴控，实现了粘着资源的充分利用，因而动车配置数可以减少，动拖比可以进一步优化，动车单元损失导致列车退出运营的概率也可以大大降低。双向变流器和专用轨回流方面，从常规的二极管整流器转变到采用IGBT，实现的是能量转换从不可控制到可控的转变，从局部分段供电方式转向全线变电所的协同供电。从利用钢轨回流转变到利用专用轨回流，实现的是对杂散电流由“堵”转到“疏导”，从让社会分担杂散电流的危害，转到杜绝杂散电流对社会的危害。以上这些转变，我认为是模式上的转变，有“代”际升级的特征，可以说是牵引供电的新一代。

从“源- 网- 荷”回路系统来看，组合使用效果可能更佳。永磁电机、双向变流与专用轨回流，每一个独立使用都是有效果的。但如果从“源-网-荷”全回路看，组合使用可以有更大效果。所以为了好记，我提了个“三组合”“三件套”的提法，当然两组合，两件套，或者独立使用也是可以的。双向变流的使用，永磁电机再生能量利用效率肯定要高。专用回流轨的使用，对优化供电系统的配置肯定是有利的。

从全生命周期造价来看，采用永磁电机，架控变轴控，动车数量可以减少，对造价影响是显著的，4 动2 拖变3 动3 拖造价就持平了。采用双向变流，有的工程变电所的间距已经提高到5.27公里。北京已通车线路设置了411 个牵引所，牵引所间距平均只有1.95 公里，其中间距在1.5 公里以下的103 个，占25%。如果将间距提到3 公里，全线只要少设一个所，造价也就持平了。而且变电所间的协同供电，也为优化设备的备用配置提供了可能，能否从所内备用拓展到所间备用？双向变流器还可以实现整流、能馈、功率补偿、光伏接入等集成配置，专用轨回流可以减少屏蔽门的接地、取消排流网等，可以说是一个系统性的优化，也必然降低造价。

三、展望

一是期望行业内对牵引供电系统的升级换代给予更大的重视，我个人看，现在有需求、有基础、有优势、时机成熟。

二是齐心协力推动，升级换代。从现在的点、线的应用，尽快向面拓展。作为标配也是有可能的，《宁波轨道交通绿色城轨发展行动方案》明确在新线全面应用。广州已经在推动多达1700 多辆车采用永磁电机。协会在推动新技术应用方面是很慎重的，但对看准的，是持续推动并动员行业专家为大家提供咨询服务。我希望在新一代牵引供电系统的应用上，业主用户要大力推，设计院要主推，大学要进教材，厂家要大力研发，城轨已通车线路308 条，在建线243 条，市场规模足够大。

三是在推广中完善，在完善中推广。每一项技术装备的发展都不是一蹴而就的，一定还有很多待完善的。有问题是正常的，有问题着力解决问题，大家群策群力，就一定能解决。

四是协会将颁布《城市轨道交通电动客车牵引系统第10 部分：永磁同步牵引电动机》《城市轨道交通主动式牵引供电系统第1 部分：通用技术要求》《城市轨道交通主动式牵引供电系统第2 部分：双向变流装置》《城市轨道交通主动式牵引供电系统第3 部分：能量运控装置》《城市轨道交通专用轨回流供电系统设计规范》5 项团标，可以为新一代牵引供电系统的推广应用提供支撑。

注：本文摘选自丁树奎在“新一代牵引供电系统发展和标准专题研讨会”上的主旨演讲，标题为编者所拟。