1)车辆重量。车辆重量包括自重和乘客重量,车辆自重约占总重量的2/3~4/5。因车辆自重所消耗的用电量占有很大比重,故减少车辆自重,可降低列车耗电量。
2)车辆的启制动方式和特性。车辆采用VVVF交流牵引传动技术,通过调节电压及频率来调节电机转速,其调速性能和节能效果明显优于直流牵引传动系统,可以有效地节约能源。制动时采用电力再生技术回收电能,可节约电能15%左右。而车辆启动加速度大,可以减少用电时间、节约启动耗电;车辆制动减速度大,可以延长惰行时间,从而多利用车辆动能,节约制动耗电。另外,车辆本身的牵引电机和机械特性不同,会影响传动效率,降低或增加电能。
4)线路形式。线路形式不同,影响列车运行的附加阻力。在隧道中,运行的列车因要克服风洞阻力而增加用电量。列车横断面与隧道断面的比例越大风洞阻力也大,单线隧道的阻力又大于双线隧道的阻力。列车出站线路上坡比下坡要增加用电量。
6)牵引供电系统电压和馈电方式。一般而言,提高牵引电压,可以减少线路损失,节约用电量。在相同牵引电压下,采用钢铝复合接触轨授电要比采用架空网授电减少线路损失(因采用接触轨授电时牵引网电阻通常较小)。上下行并路馈电要比分路馈电节约用电,双边馈电要比单边馈电节约用电。
以上这些都是影响牵引用电量的因素,往往在方案选择和可行性论证中互相影响而不确定。其中,与牵引供电密切相关的是牵引供电系统电压和馈电方式,亦即牵引供电制式。
2)电压等级。城市轨道交通的发展历史比较长,而不同国家、不同时期所采用的电压等级也多种多样,但发展趋向是IEC的DC 600V、750V、1 500V三种,我国城市轨道交通直流牵引供电系统采用DC 750 V和DC 1 500V两个电压等级。采用DC1 500V供电,可以更大限度地发挥车辆的牵引功率,减小车辆重量和能量损耗。
具体选择哪种电压等级,需根据车辆、线路结构和电气设备水平而定。从经济角度看,选用DC 1 500 V较好,它可以增加牵引供电距离,减少牵引变电所数量,减少电能损失,节约投资和运行费用,同时还可以减少杂散电流。但是,在采用DC 1 500V电压等级时,必须提高牵引变电所和车辆直流电器电机设备的绝缘水平。
3)授流方式。在目前的城市轨道交通系统中,地铁的授流方式分为接触轨(俗称“第三轨”)、架空接触网、导向轨(橡胶轮车)三种。接触轨的电压范围是DC 600~1 500V,架空接触网一般采用DC 1 500V。传统认为架空接触网比较安全,但其系统可靠性较差、运营风险高、维护工作量大、运行费用高。而接触轨运行维护简便、工作量少、运行费用低,而且线路电能损耗小,可以充分利用隧道空间。相对架空接触网而言,接触轨系统的城市景观较好。
GB/T 10411—2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》规定:“向地铁电动客车供给电源的接触网,分为接触轨和架空接触网。架空接触网又可分为柔性接触和刚性接触,并以地铁的走行轨或专用回流轨作为牵引电流的回流电路。电压在DC 1 500V及以上的接触网宜采用架空形式。”我国近期修建的城市轨道交通,根据IEC标准和我国国家标准的规定,分为DC750V和DC 1 500V两个电压等级,接触轨一般采用DC 750V,架空接触网一般采用DC1 500V,并都采用走行轨回流方式。采用DC 1 500V供电,可以更大限度地发挥车辆的牵引功效,降低车重和能量损耗。
3 运行安全性
在运行安全性方面,刚性架空接触网悬挂安装架设在车辆上方,带电体远离人群日常活动的地方,发生触电的可能性小,适宜于地下线路,安全性高;接触轨沿轨道敷设,安装在轨道旁,如轨道旁边有人行走或检修,与人身接触、发生触电的可能性相对较大些。
对DC 1 500V接触轨系统,在采用下部授流方式之后,提高了带电体的防护范围,安全性较接触轨上部授流大大提高,但和架空刚性接触网相比安全性仍稍差,需要从维护管理制度以及疏导体系等方面进行严格管理和控制。在发生事故紧急疏散乘客时,架空接触网将给人们更大的安全性。在采取相应安全措施的情况下,接触轨的安全性可以得到保证。
1)接触轨采用防护罩,防护罩任何一点可承受10 kV电压。
2)线路采用全封闭运行,且站台设有屏蔽门或安全门,可确保乘客安全。
3)夜间停运检修,接触轨也随之断电、挂地线,不存在对维修人员的安全威胁。
4)当列车在区间需要立即疏散乘客时,接触轨敷设在疏散平台下,车站控制室可对接触轨紧急停电,不会给乘客带来安全威胁。
5)事故发生时,各种措施(消防、行调、SACDA、保护等)已确保接触轨及时可靠断电。
4 牵引供电距离
客运量是决定城市轨道交通供电系统设备容量的主要依据。一般而言,客流量越大,高峰小时列车最小追踪间隔时分越小,列车编组数越大(即列车重量越大)。在牵引电压一定的条件下,列车的牵引电流与列车的重量成正比,列车重量大,则列车牵引电流大,牵引电压损失也大,供电距离小。在列车牵引功率一定的条件下,列车牵引电流与牵引电压的等级成反比,牵引电压等级高,则列车牵引电流小,牵引电压损失也小,供电距离长。在通常情况下, DC 750 V系统的供电距离为1~2 km,而DC 1 500V系统的供电距离为2~3.5 km。因此,采用DC 1 500V电压等级,可以较大比例地减少牵引电压损失,达到低能耗的标准。
5 全寿命周期成本
接触网的使用寿命,关系到其更新改造的再投资。在接触线允许磨耗方面,刚性悬挂允许磨耗为50%。架空接触网主要通过换线来实现接触网更新,根据国内外运行经验,列车在800弓架次/天通过时,架空接触线的使用寿命一般为10~15年,刚性接触线Π型部分为30~50年。
接触轨的特点是坚固耐磨,使用寿命长,在伦敦地铁有使用超过100年的接触轨。前几年,北京地铁曾对低碳钢接触轨磨耗状况进行过检测,经过20多年的运营,其磨耗量不到5%。按此推算,接触轨使用100年,其磨耗量也不到25%;即使出于安全考虑,接触轨的使用寿命按60年计算,也远比架空接触网的使用寿命要长很多。
接触轨支撑和防护系统的设备寿命主要由设备的材料所限制,地面线受紫外线影响通常为15年,地下线可以达到20年。在不同的行车对数和密度下,根据国内外相关的运行数据,钢铝复合导电轨的寿命可以达到50~70年以上。因此,从全寿命周期成本考虑,采用钢铝复合导电轨要明显优于刚性接触网,能达到节省资源的目的。
6 能量损耗
牵引供电系统的能量损耗分为电源系统损耗、牵引整流机组损耗和牵引网损耗。
对于DC 750V和DC 1 500V电压等级,可以认为电源系统的能量损耗不变。但在DC 750 V电压等级时,全线牵引整流机组的总安装容量较大,因而牵引整流机组的空载损耗大;牵引网上流过的电流大,所以其牵引网损耗也较大。
以深圳地铁3号线首期工程为例,4种牵引供电制式的能量损耗对比如表1所示,其中,刚性悬挂牵引网阻抗为0.028Ω/km,柔性悬挂牵引网阻抗为0.042Ω/km,钢铝复合接触轨牵引网阻抗为0.019Ω/km。
从表1可知,由于钢铝复合接触轨牵引网阻抗最小,采用DC 1 500V全线接触轨方案可以最大限度地减少能量损耗。相对于DC 750V接触轨,每公里线路每年可减少碳排放量约60 t,相对于DC 1500V架空接触网,每公里线路每年可减少碳排放量约36 t。
参考文献
[1]于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与运用[M].成都:西南交通大学出版社, 2008:113-119.
[2]刘卡丁,徐光强,杨波.深圳地铁3号线牵引供电授流制式适应性分析[J].都市快轨交通,2010,23(1):15-17.
[3]徐光强,江安,曹小相.直流1 500V接触轨系统创新设计[J].都市快轨交通,2010,23(1):18-20.
[4]于松伟,周菁,韩连祥,等.直流1 500V接触轨系统安全保护[J].都市快轨交通,2010,23(1):5-10.
[5] GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[6]广州地下铁道设计研究院 深圳地铁9号线工程设计文件及专题报告[R].深圳,2010.
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