地铁列车制动电阻设置的探讨

地铁列车制动电阻设置的探讨都市快轨交通?第２２卷第２期２００９年４月一一ｄｙＢ＆Ｅｏ％－日目■■ａ■■■■■●■■＿《学术探讨●地铁列车制动电阻设置的探讨陈穗九（广州市地下铁道总公司广州５１００３０）摘要通过对国内目前地铁列车制动电阻设置的调查，结合地铁线路的实际运营情况，分析实测车辆再生回馈电量、制动电阻上的消耗电量，提出列车制动电阻设置的建议，并探讨进一步节能的措施。关键词地铁列车制动电阻节能ｌ问题的提出经粗略统计，２００８年全国各城市通过招标签订合同的地铁车辆就达１５００辆左右，未来１０年国内的需求将超过１万辆。因此，对车辆的每一项设备和技术都应该认真研究和精密计算。目前，节能减排已成为我国的基本国策。对城轨交通的主力地铁列车而言，应当以节能为己任。可喜的是，北京１、２号线的电阻车在奥运会前大多已经更新，上海１号线的直流车正在进行交流化改造，全国各条地铁线的车辆都采用了先进的交流传动技术，其优良的性能可使牵引电能的再生率达到４０％左右…，节能效果十分显著。然而，由于线路的行车密度等多种因素，正在线路上进行再生制动的列车能量并不一定能被完全吸收，此时巨大的能量得不到释放，将会使供电网的电压急剧上升。为此。在列车上设置斩波器和制动电阻，让电能通过电阻变成热能，使地铁列车能够充分使用电气制动，可避免摩擦制动。然而，制动电阻使用虽然方便，但也有缺点，如体量大、散热于洞内、使洞内温度逐年升高等，因此一直有所争议。下面从车上制动电阻的设置、不同的替代方案和节能措施等方面进行探讨，提供多种选择，以节省资金和能源。２制动电阻的沿革在大容量电力电子开关元件普遍运用之前，地铁车辆大多采用电阻器变阻调速，如北京地铁初期的车收稿日期：２００９‘０１－１６修回日期：２００９—０２—１３作者简介：陈穗九，男，教授级高级工程师，从事城轨车辆研究，ｃｈｅｎｓｕｉｊｉｕ＠１６３．ｃｏｍ辆。列车的电气制动没有再生能力，只能利用起动电阻进行电阻制动，但由于制动时的功率很大，电阻器的功率往往取决于制动。若列车最高速度为８０ｋｍ／ｈ，假设起动电阻切除时列车速度为４０ｋｍ／ｈ（实际３６ｋｍ／ｈ左右）。若使用全电阻制动，粗略计算可知，制动电阻的容量大约是起动电阻容量的４倍。随着大功率电力电子器件的普遍使用，国内地铁列车从２０世纪７０年代开始采用斩波调压电传动技术，至９０年代采用更为先进的交流异步电机变频调速技术。虽然列车启动不再使用电阻器而由先进的变流器所取代，但制动电阻作为再生制动的补充却依然存在。改革开放后，我国开始引进国外的先进技术，先进节能的斩波调压和交流变频的商用列车大多从国外进口。在技术合同谈判中，中方技术人员大多从安全、可靠的原则出发，沿袭了电阻车的概念，即要求外方在车上必须配备全功率的制动电阻器。当再生制动冈故失效时，列车凭借电阻制动可以在全线正常运行，而不必依靠机械制动。如前所述，这种全功率的电阻器容量不小。从上海地铁１号线和广州地铁ｌ号线车辆开始，国内Ａ型车的制动电阻一直以全功率配置。虽然各公司由于牵引电机特性不同、所配电阻参数有所不同，但其功率及质量大致相当。以广州地铁为例。ｌ号线制动电阻（每辆动车）参数为：２×１．８Ｑ，２Ｘ８１２．５ｋＷ＝１６２５ｋＷ（瞬时最大），质量３５８ｋｇ，风机功率１．４ｋＷ。８号线制动电阻（每辆动车）参数为：２Ｘ１．９６Ｑ，２Ｘｌ１２０ｋＷ＝２２４０ｋＷ（瞬时最大），质量３７６ｋｇ。２号线制动电阻（每辆动车）质量３７５ｋｇ。Ｂ型车在进口国外电牵引系统时，当初也是选用了全功率的制动电阻。但近几年来，北京地铁在运营中选择了合理、经济的电阻容量，以降低车辆的质量。其具体做法是：在车辆电气牵引招标文件中，规定制动电阻容量按制动初速５０ｋｍ／ｈ考虑，而不是８０ｋｍ／ｈ。，４。”８８一”““””。“”““＿’。。‘。≯’。ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ４７万方数据都市快轨交通?第２２卷第２期２００９年４月通过简单计算对比，前者容量只有后者的４０％左右。按此设计制动电阻，其体积和质量将会明显降低，经济意义很大。这一理念在Ｂ型车的应用范围内得到了推广、取得了成效，但Ａ型车用户似乎仍未响应。究其原因，是对地铁列车在实际运行中究竟再生了多少电力、制动电阻又承担了多少电气制动的份额心中无底，不敢贸然降低电阻容量。３制动电阻的作用国内大城市的地铁干线运营渐入正轨，行车间隔不断缩短，为列车运行的技术经济统计提供了条件。为此，广州地铁也在２００６－－２００７年运量较大的１号线进行了两次较为全面的测试。虽不能作为权威的测试和根据，但从中看到的规律和得到的数据仍然可以给同行提供参考。广州地铁１号线全长１８．４８ｋｍ，共设１６站，平均站距约１．２３ｋｍ，使用６辆Ａ型车编组（４动２拖）的列车。第一次测试的数据见文献［１］，测试在一列车上进行，在行车高峰期（列车间隔３ｍｉｎ４５Ｂ）和低峰期（７ｍｉｎ３０ｓ）各运行了一个往返，记录了各区间列车上牵引系统输入电能、再生制动馈入电网电能及制动电阻能耗。按文献［１］定义：再生率＝再生制动馈入电网电能／列车牵引系统输人电能，列车实际牵引电能＝列车牵引系统输入电能一再生制动馈入电网电能，电阻制动耗能比率＝制动电阻能耗／列车实际牵引电能。这次测试结果表明，高峰期上下行再生率为０．５２４和０．４９６，低峰期为０．４７和０．４２，平均再生率为０．４８，可见再生效果相当理想、节能效果显著。对全国的同类型车来讲，再生能力都比较强，在３０％一５０％之间，这与车辆制动特性、供电结构、行车密度、列车运行图都有关。从能量Ｉｎｌ馈的角度看，列车编组４动２拖比３动３拖优越。另一项测试结果表明，两个往返中总的制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率是２．９％，相当低。这次测试为今后各地铁线采取制动策略提供了数据，但可惜只进行了两个往返测试，尚不够准确、全面。因此，测试组在前一次测试的相同条件下又进行了一次全天测试，从早上５：５１开始至晚上２３：１２回库，共运行了１７ｈ２０ｍｉｎ、１４个往返。测试数据表明，１４圈平均再生率为４２．０８％，最小３５．１％，最大４６．９％。制动电阻消耗占牵引系统能耗的比例是：１４圈平均１２．０７％，最小７．１％，最大１７．２％。电阻上全天耗电槲＿ｎＨ∞”＿＿ｗ”‰∞‘＿ｑｑ－＿Ｂ＿“＂”＂ｈ～４８ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ／，６０８ｋＷ－ｈ【２Ｉ。由于是全天测试，且行车密度较高，因此具有较高的参考价值。从以上的几次测试可以看出：首先，进入正规运营的各城市地铁线路使用了交流传动带再生制动的列车，其再生回馈电力在４０％左右，节能效果非常可观。其次，由于平均站距、供电网结构、列车运行图编制等多种原因，再生率在各区段会有不同。总的趋势是行车密度越高，再生率越高，但不成正比，这与电网功率吸收的仿真计算结果相印证Ｌ３ｌ。如在同一区段，制动的列车正好碰上一列肩动的列车，则再生率最高。可见，运行图编制对节能有很大影响，但因区间长短不一，最理想的运行图并不易得到。当然，在行车间隔缩小到３ｍｉｎ以下时，重合几率大，再生效果会更好。再次，制动电阻在全天的运营中，仍有一定的实用价值，因为大多数线路总会有行车的高峰期和低峰期，对于新开通的线路或规划引导型线路，其列车开行间隔长的情况会持续很长一段时间。４制动电阻的设置４．１是否要设置制动电阻对此问题。一直有不同的看法。例如，日本的地铁列车大多不在车上设制动电阻，但有些线路也会在牵引变电所设再牛吸收电阻或逆变回收装置，而在单轨车和直线电机车辆的运行线路上更是如此。根据文献［２］，一列列车全天运转在制动电阻上的耗电为６０８ｋＷ?ｈ，如２０多列列车全部上线则数量可观。这部分能量如果由闸瓦磨损来消耗，会对地铁环境带来一定的负面影响。笔者认为，作为电气牵引的地铁列车，应将充分发挥电气制动的优势放在首位，不得已才转为摩擦制动。国内某大城市一条繁忙的地铁线路，由于车辆的高速段电制动能力不强，致使频繁使用摩擦制动，列车闸瓦每年更换２次，不仅增加维护费用３００多万元，更使大量闸瓦粉尘充斥隧道，污染环境，导致电气设备故障，甚至造成列车下线，影响正常运营。为此，近年来欧洲及日本部分车辆供货商推出全电制动概念，即从最高速度到制停全程使用电制动，避免摩擦制动【４Ｊ。列车电气制动的优劣在于高速特性，对比８０ｋｍ／ｈ和８ｋｍ／ｈ时的制动能量，两者相差１００倍。如果列车高速电气性能差，大量动能需摩擦发热消耗，效果自然很差。电阻制动简单可靠，造价低廉，易为用户所接受。根据对节能装置的研究【３Ｉ，即使采用飞轮储能，仍希望附加电阻制动，以吸收脉冲尖峰能量，确保电网供电安全。对不同的地铁线路，可以有如下不同的对策。万方数据地铁列车制动电阳设置的探讨（１）如果一条新线开通后，在极短的时间内客流即达到很大，行车间隔缩短至３ｍｉｎ以内，原则上可以不考虑车上设制动电阻，但低峰期仍会使用摩擦制动。从绿色环保角度出发，可考虑在变电所设小功率吸能装置【５Ｊ。但是，除特殊情况外，任何一条线路不可能一天总处在高密度状态运行。（２）如果一条线路客流一般，行车间隔在４ｍｉｎ以上，或者是一条规划引导型线路，客流偏少会持续较长时间，列车可设置一定容量的制动电阻，但绝不是全功率的制动电阻，可以考虑按全功率的４０％设置。以后。可根据线路的运营情况再予降低。（３）国内的Ａ型车町根据上述线路情况设置制动电阻，但容量需参照Ｂ型车适当降低，如按全功率的４０％考虑，这在当前是现实町行、立竿见影的节约措施。尽管笔者从安全环保的角度出发，倾向于设置制动电阻，但电阻设于车上或集中设置在变电所还值得研究。４．２制动电阻的设置方式制动电阻可以设于车上，也可以集巾设于牵引变电所。设于牵引变电所的制动电阻，也称为再生吸收电阻。比较两种没置方式的利弊，可决定取舍。４．２．１电阻集中设置的好处（１）节省投资。在每辆动车上设制动电阻、斩波器，投资多、重量大。从车辆投标报价大致测算，Ａ型车一台电阻器及斩波器约１５万～２０万元。随着客流增长，列车数量增加，投资在不断增长。以广州１号线为例，如要达到２ｍｉｎ的行车间隔。共需３７列车在线运行，车载电阻没备价值２５００万～３０００万元。而设置于变电所的电阻和斩波器全线只有几处，单体容量并不比一列车的制动电阻大多少，且不会随行牟密度的增加而增加，所以它的使用效率高。广州地铁１号线有８个牵引变电所，都用吸收电阻时总价约１５００万元。此外，列车上为防止电阻发热引起火灾而增设的防火、隔热材料可以取消。（２）减轻车辆质量。如前所述，每辆车的制动电阻质量为３７０ｋｇ左右，加上斩波器、材料等，总重接近５００ｋｇ，每列车（４Ｍ２Ｔ）增加质鼍达２ｔ。据香港地铁技术人员介绍，列车每增加１ｔ，全年耗电约增加ｌ万ｋＷ?ｈ。一条线几十列列车，节电数量可观。以广州地铁１号线为例，远期每年节电约７４万ｋＷ－ｈ。（３）减少风机耗电。车载制动电阻如果自冷，则体积、质量大。例如，Ｂ型车将制动电阻容量降到全功率的４０％左右，由于是白冷，质量仍达３６６ｋｇ，与Ａ型车电阻质量相近。但若采Ｊ｝｝ｊ强迫风冷，风机的耗电量不容小视。以广州地铁１号线为例，风机功率１．４ｋＷ，每天丁作１７ｈ２０ｍｉｎ，每列车４个，远期３２列车上线，每年耗电＝１．４Ｘ１７．３３Ｘ４Ｘ３２×３６５＝１１３万ｋＷ?ｈ。（４）防止地铁洞内温度逐年上升。国内外地铁数据显示，地铁洞内温度在逐年上升。列车制动在洞内散发出的热嚣最多，除改进车辆制动性能、提高列车再牛率外，将制动电阻搬出洞外是最有效的方法，这样可以减少环控设备的建设投资。据粗略估算，一条１７ｋｍ的地铁线可冈此节省约５０００多万元垆Ｊ。（５）为其他节能没备预留空间。电阻将电能转化为热能，散逸了大气，未能再牛利用。如何加以利朋，综合国内外报导，在变电站设置超级电容、电感、逆变器、蓄电池和飞轮的都有。除轻轨车将电容设置在车上外，地铁车辆基本不将节能装置载于车上。因此，业主如果有进一步节能的打算，可预装制动电阻于变电站，预留空间供今后设置先进的节能装置用。（６）减少维修Ｉ：作量，提高运营安伞性。制动电阻在车上容易受到灰尘、油污的侵染，而车七的振动冲击使其容易受损，经常维修费川高；将其移至变电所，可以无人值守，维修也较方便。此外，制动电阻最高温度可达６００℃，隔离不当易引发火灾，如将其移至变电所静止放置，则较易处理。４．２．２电阻置于变电所的问题和争议（１）变电所的散热通风需要加强。由于电阻换位，发热源从列车搬到了变电所，给车站设备房和供电、环控带来麻烦。其实，热量都需要驱散，只不过从洞内的分散热源转到变电所的集中热源应该更好处理。对于地面和高架车站这并不是问题，可直接排出。地下变电所可将电阻置于隧道风井处，由活寒风排出，并不需增加额外的通风设备，这在广州地铁４号线已成功实现。此外，由于再生率的进一步提高，电阻室的通风功率并不如想像的那么大，这在已运行线路的电阻室内可以检测到。电阻设有温度保护，室温不超过５０℃，电阻室与其他机房隔离即可。当温度保护动作时，再生列车立即转入摩擦制动，并无安全问题。因为列车行车密度太高或太低都不会使制动电阻过载，所以电阻容量并不需要太大或增加。（２）制动电流通路较远，有线路压降。线路压降是客观存在的，这与再生ｌｎｌ馈电路相似，制动的列车要向一列启动的列车馈电，也要经过一段电路。这样会７ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ的万方数据都市快轨交通?第２２卷第２期２００９年４月使制动列车受电弓上的电压升高，供电网上也会有一定的损耗。但只要系统设置合理，其节能效果还是屁著的。当然，电压降的客观存在，使得ＤＣ１５００Ｖ系统更有利于再生和吸收。从上面的比较可知，制动电阻设于变电所，从整体看利大于弊，但在现实Ｔ作中却很难推进。通常认为，制动电阻从来都是装在车上，为何又转到变电所来？这也说明为什么这一变革会从重庆单轨、广州和北京的直线电机系统开始，因为这两种系统都要求车辆质量轻，制动电阻必须置于变电所。也正是由于重庆轨道公司的决心，使国产自主知识产权的变电所再生电阻吸收装置得以研制成功，推广到广州地铁４号线及北京机场线。现在这几条线运行稳定，效果很好。电阻吸收在车辆减速至３ｋｍ／ｈ时仍能Ｔ作，对于Ａ型车和Ｂ型车同样有效。这说明，一条线路只有总体设计明确后，才能推进各专业的协作，达成一致。５节能措施的完善电阻的成本低、简单可靠，但列车再生的电力白白消耗在电阻上总不能令人满意。世界各国的技术人员都在想方设法地回收这些能鼍，各种方案和试验还在不断进行Ｌ４Ｊ。（１）从全世界或全国的角度看，对于不同城市和同一城市的不同等级的轨道交通线而言，除有效回收的再牛电能外，仍然有相当数量的能量没有同收，它要么消耗在制动电阻上，要么消耗在闸瓦和轮盘的摩擦发热上。（２）２１世纪的人类更珍惜自己的生活环境，绿色环保的观念不断增强，不会冈为省一点钱而破坏环境，粉尘的增多和温度的上升都要防止。５．１各种节能方案如果其他列车不能吸收列车再生的电力，最好的方式是将这部分电能储存起来，构成储能环节，然后再供给主牵引电网或其他用电设备，有以下几种方案Ｉ３｜。５．１．１超级电容、特种蓄电池、飞轮等这些储能装置在国外都有试验和应用，但都未得到推广。在国内，因技术要求高、国产化困难、价格高，短时难以推广。５．１．２直一交逆变将列车再生的直流电，通过变电所逆变成高中压交流电，送Ｉ廿ｌ大电网。但由于逆变后的谐波及功率因数等原因，要人大电网实际上很难，各国都是如此。此外，由于制动能量呈脉冲状，逆变器功率大，耐压等级高，使用率低，经济上不合算。最近，又在此基础上研发出双向变流技术。它在牵引时作为整流器用，在制动时作为逆变器用，这应该是很理想的方案，国内外都在研发。但从上述数据看，回报率值得研究。５．２电阻逆变混合型节能装置【５Ｊ国内自主研制的电阻一逆变混合型节能装置，从２００７年１０月在天津地铁ｌ号线车辆段变电所挂网运行至今，已经一年有余。该方案运行情况稳定，有可见的节能效果，符合实际，切实可行。因为再生制动的电能是脉冲式的，如潮起潮落。在列车最高速度处瞬时功率最大，一般节能装置都不好处理。混合逆变的电阻吸收制动能量的脉冲峰值，其余能量逆变成交流低压电能。针对国家大电网难于进入的现状，将再生直流电能逆变成交流低压３８０Ｖ电能，供给车站或车辆段的辅助设备（如风机、水泵、照明、扶梯等）则更为现实，这就是电阻一逆变混合型再生制动能量吸收装置的基本技术思路。至于电阻是否可省略，可根据每条线路运营情况决定，以求最小。由于是自主研发的国产品，价格优势明显，只有进口电容吸收方案的１／３左右。对比前述的各种节能方案，笔者认为电阻一逆变混合的方案在当Ｉｊ｛『国内条件下最为现实可行。该方案防止了地铁列车制动节能方略走向的两个极端：要么全部取消制动电阻，要么全面采用极其昂贵的储能装置。６结论和建议６．１结论通过对国内地铁列车运行和采购各方情况的调查和分析，可得出如下结论（也适用于其他城轨车辆）。（１）制动电阻上的能耗随发车密度的增加将会减少，但每条线路都有高峰期和低峰期，也有客流的初、近、远期变化。为减少摩擦制动的负面影响，从环境保护出发，宜设制动电阻，但其容量要根据现时车辆再生率较高的情况而降低。（２）如设制动电阻，则安装在牵引变电所比安装在车辆上优点更多。６．２建议（１）Ａ型车的制动电阻容量可大幅降低，至少可向Ｂ型车靠拢，目前可按全功率的４０％考虑，今后各条线路可根据实际运营情况再降低。（２）选用变电所内的电阻一逆变混合型节能装置较为经济合理、现实可行，符合节能减排的政策，有利于建设绿色环保的地铁交通线。万方数据都市快轨交通?第２２卷第２期２００９年４月《学术探讨．．北京地铁９号线车站人性化设计张继菁１张建勋２（１．北京交通大学北京１０００４４；２．北京城市铁路股份有限公司北京１０００４４）摘要全方位地阐述北京地铁９号线车站的人性化设计，该设计不仅停留在“以人为本”的原则和概念上，更多地体现在细节的优化上，充分考虑站内乘客和运营管理人员、城市公共交通接驳和城市的整体规划．重点对换乘站和标准站的设计、全线公共设施采用标准的差别化、无障碍设施的系统化等进行阐述。关键词北京地铁９号线车站设计人性化设计换乘站标准站无障碍设施北京地铁９号线是继４、５、ｌＯ号线之后，北京轨道交通建设走在最前面的一条线。为不断提高北京轨道交通运营管理水平，完善轨道交通新线服务功能，体现轨道交通“以人文本、科技创新”的理念，在吸取北京轨收稿日期作者简介基金项目参考文献２００８。１０‘２９修回日期：２００８－１２－２４张继菁．硕士研究生，北京城建设计研究总院所总工程师，北京地铁９号线总体．主要从事轨道交通车站设计与研究。ｑｑ６３１５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ国家重点投资项目（发改投资［２００８】１４０１号）道交通多方建设经验和国内外同行经验的基础上，经过充分总结和分析比较，９号线在车站设计方面从人性化的角度进行了全方位的深入探讨，使轨道交通车站的人性化设计不仅仅停留在原则和概念上，更多地体现在设计细节上，为轨道交通车站的人性化设计提供了借鉴，对此本文进行了总结和阐述。１设计要点北京地铁９号线位于城市西部，线路主要分布在丰台、海淀两个行政区，整体呈南北走向（见图１），线路全长约１６．４ｋｍ，全部为地下线，共设车站１３座，其中有８座换乘站，占车站总数的６２％。轨道交通的车站是聚集和疏散乘客，并为乘客提供服务的场所；轨道交通车站又是站内工作人员日常工作和生活的地方，因此，轨道交通车站的人性化设计主要是指最大限度地满足站内乘客的人性化交