直流1500V接触轨节能研究

1、摘 要 结合深圳地铁3号线工程设计成果及工程实践，从城市轨道交通牵引授 流制式在节约能源、节省资源和减少碳排放等方面的优势进行阐述，充分证明直流1 500V钢铝复合接触轨授流方式是城市轨道交通的发展方向。关键词 牵引授流制式直流1500V架空接触网钢铝复合接触轨节约能源节省资源低碳环保 能源是国民经济和社会发展的根本。目前,我国是一个能源供应紧张而又浪费严重的国家，虽然能源开发与节约工作取得了重大进展，能源效率有所提高 但与发达国家相比，我国的能源效率和水平依然偏低，节能、环保是时代的主题。 为此，城市轨道交通工程也应从长远考虑节能、环保的问题，正确处理城市轨道交通与城市自然环境的关系，通过资

2、源的高效利用、合理配置和有效保护，实现城市 可持续发展是城市轨道交通建设及发展的现代理念。1影响城市轨道交通牵引用电量的因素城市轨道交通牵引用电量随不同线路和运输规模而不同，影响牵引用电量大小的因素很多。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 2/34/5。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

3、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。3）线路坡度和曲线半径。线路坡度 大、曲线半径小,用电量相应增加。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。5）车站站距。车站站间距离小、列车启动次数多、惰行时间短，用电量大。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

4、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。7）列车最咼速度。列车运行最咼速度与耗电量几乎成平方关系，列车运行速度高，列车动能大，启动电流强，用电时间长。 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牵引供电制式 城市轨道交通牵引供电制式主要是指电流制、电压等级和授 流方式等，它制约着城市轨道交通牵引变电所的形式及规模

5、。1）电流制。城市轨道交通系统的牵引供电制式宜采用直流制。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

6、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 6001 500V架空接触网一般采用 DC 1500V。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 104112005城市轨道交通直流牵引供电系统规定：向 地铁电动客车

7、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

8、，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

9、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

10、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12 km,而DC 1 500V系统的供电距离为23.5 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1015年，刚性接触线n型部分为3050年。接触轨的特点是坚固耐磨， 使用寿命长，在伦敦地铁有使

11、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5070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

12、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0.028 Q/km柔性悬挂牵引网阻抗为0.042 Q/km, 钢铝复合接触轨牵引网阻抗为 0.019 Q/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

13、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 to人的身体也是一个风水宝地。你的心念，你的所想所思，内在的情志，从你的外在，展现的淋漓尽致。你内心是不安，还是从容，都会从你的言语和行为中展现出来，所以人身体的本身就是一个风水场，它又是一个强大的磁场，吸引和抵御着好与坏的事物。人身体内在的机体，在儒家思想里以仁、义、礼、智、信来表述。佛家的思想中被阐述为，地、 水、火、风。老子；以道、天、地、王来表述。你的四大平稳和合，你身体的风水就为上乘风水，散发的都是好的能量，你的四大不合，就为差风水，散发出来的就是坏的能量。真正的好风水，好人生，其实就是我们内心的高贵。