城市軌道交通節能線路設計研究

李文波

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

城市軌道交通節能線路設計研究

李文波

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

在城市軌道交通中，能耗主要包括牽引能耗和動力能耗兩部分，影響牽引能耗的因素主要包括車型、車輛啟動和制動方式、車輛最高速度、線路條件、季節因素等。通過數據調查和牽引計算模擬，分析站間距、敷設方式、平曲線半徑、節能坡的坡度與坡長、節能坡與站臺端部的距離、節能坡組合方式等因素對列車牽引能耗的影響，提出節能線路設計的一般原則，并對節能坡的節能效果進行分析。

城市軌道交通;節能;線路設計;節能坡;牽引能耗

目前國內軌道交通建設規模越來越大，建設速度也越來越快。隨著運營里程的不斷增加，節約能源、降低運營成本的問題也越來越突出。

根據國內建成線路的運營經驗，20 km的軌道交通線路，年用電量約為6 000萬～1億kW·h。據此推算，若建成300 km的軌道交通線網，年用電量將達到9億～15億 kW·h［1］。例如，2009 年廣州和深圳兩市在軌道交通運營中的電費成本分別占總成本的20.5%和 23%［2］。

筆者從單條軌道交通線路著手，通過對站間距、敷設方式、線路平曲線、坡段長度和坡度等線路條件對牽引能耗的影響進行分析，提出了在線路設計過程中，為應對節能應該采取的設計方法和措施。

1 影響能耗的因素

城市軌道交通的能耗主要分為列車牽引能耗和動力照明能耗兩大部分。列車牽引能耗指列車在運行過程中消耗的電能，主要包括列車牽引系統、空調及附屬系統等設備能耗;動力照明能耗指車站在運營過程中消耗的電能，主要包括空調及通風、照明、給排水、電梯、自動扶梯、屏蔽門、弱電系統等設備能耗。

1.1 影響牽引能耗的因素

影響城市軌道交通系統牽引能耗的因素主要包括車型、車輛啟動制動方式、車輛最高速度、站間距、牽引供電系統電壓和饋電方式、季節因素、線路條件(平面曲線、縱坡、敷設方式等)和行車密度等。

1.2 影響動力能耗的因素

影響城市軌道交通系統動力能耗的因素主要包括車站敷設方式、車站的環控方式、車站規模、車站客流乘降量、季節及地域、車站出入口數量和自動扶梯數量等。

2 線路條件對牽引能耗的影響

軌道交通線路的敷設方式、站間距、平曲線半徑、縱斷面坡度和坡長均會對牽引能耗產生較大的影響。

在線路的規劃階段，應合理選擇敷設方式和站間距，以達到節能目的;在設計過程中，應盡可能優化平面曲線半徑，以減少車輛在行駛過程中因曲線阻力大而增加電耗;優化線路縱坡，采用“高車站低區間”的節能坡設計，使列車進站時上坡，將動能轉化為勢能，列車出站時下坡，再將勢能轉化為動能，有利于減少牽引能耗;在線路縱坡設計時，還應確定節能坡的變坡點離站臺端部的合理距離，以達到節約能源的目的。

以下模擬分析結果的前提條件均為6節4M2T編組的B型車，列車最高運行速度為80 km/h。

2.1 站間距

城市軌道交通線路的站間距應根據具體情況確定。站間距較小能夠方便步行到站的乘客，但會降低旅行速度，增加乘客出行時間和運營公司的配車數量;同時，由于多設車站也增加了工程投資和運營成本。站間距較大有利于列車的節能，但是容易讓步行到站的乘客感覺不便，并且會增加車站負荷。根據國內外城市軌道交通設計和運營的經驗，主要服務于城市中心地區的軌道交通線路平均站間距為1.0～1.2 km，市區以外有所增加。

軌道交通線路的站間距大小與牽引能耗有直接的關系，列車的牽引能耗在啟動和制動時消耗較大。站間距過小，列車啟動制動頻繁，牽引能耗較大;站間距過大，列車給電時間長，同樣不利于節能。

在停站次數相同時，站間距對列車運行能耗的影響主要表現在對惰行時間的影響。為了獲得相同的技術速度，在站間距較小時，列車需要不斷推高手柄位，而站間距較大時，可以延長在較高速度時的惰行工況時間。惰行工況下單位距離能耗小于牽引工況。

在運行距離相同的情況下，站間距對運行能耗的影響主要是因為頻繁制動導致的動能損失。列車在平直道上牽引時，牽引電能在轉化為列車動能的過程中存在電氣損耗和列車運行的基本阻力損耗，雖然列車在制動過程中，將一部分動能回饋牽引網，但這一部分難以彌補制動造成的動能損失［3］。

圖1為不考慮平面曲線和線路縱坡的情況下，不同站間距的牽引能耗模擬分析結果。

圖1 不同站間距牽引能耗對比分析(節能牽引模式)

從圖1可以看出，整個區間每公里牽引能耗隨站間距的增大而減小，而牽引總能耗在站間距為500～1 000 m時，隨站間距的增大而不斷增加。但在站間距為1 000～3 000 m時，站間距的增大對區間的牽引總能耗影響并不大，這主要是因為在模擬計算中，列車采用的是“牽引—惰行—制動”運行模式，即列車牽引時間相當，惰行時間增加，牽引總能耗變化不大，但區間運行時間明顯增加。若為了減小運行時間，在長大區間(站間距2 000～3 000 m)的列車需要采用“牽引—惰行—牽引—制動”的二次牽引運行模式，因增加了列車牽引時間，牽引總能耗顯著增加，如圖2所示。

圖2 不同站間距牽引能耗對比分析(二次牽引模式)

從圖1和圖2可以看出，站間距小于1 000 m時，站間距越小，每公里牽引能耗明顯增加，站間距每減小100 m，每公里牽引能耗增加約4.5%，且旅行速度明顯降低;站間距大于2 000 m時，站間距越大，每公里牽引能耗的降低和旅行速度的增加放緩。

綜上分析，站間距采用1 000～2 000 m較為合理。

2.2 敷設方式

城市軌道交通敷設方式有高架、地面和地下3種，地下線的坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力一般要比地面線和高架線大，另外采用地面或高架線還可減少通風設備、排水設備、車站和隧道照明等設備的耗電。因此，線路的敷設方式對牽引能耗有影響。表1和圖3分別為部分城市軌道交通線路的敷設方式與牽引能耗對比分析結果［4］。

圖3 各線路換算單位車公里牽引能耗排序

從表1和圖3可以看出，由于地面和高架線相對于地下線，其曲線和坡度的設計條件一般都會比地下線好，而且車體內照明用電量也要小，地面和高架線的耗電要比地下線小，但也存在以下一些特殊情況。

1)對于北方的嚴冬季節，由于車內采暖設備耗電量大的影響，地面和高架敷設方面的優勢不是非常明顯，如長春輕軌、津濱輕軌。

2)重慶單軌采用的橡膠輪胎，摩阻力較大，也會導致牽引能耗的增加。

3)有些地面或高架敷設方式的坡度起伏較大，因列車較為頻繁地爬坡與制動，牽引電耗相較于純地下線路來講，并未有很大的電耗優勢，如滬4號線、重慶單軌。

2.3 線路平曲線

線路平面曲線是線路條件的重要組成部分，曲線半徑與線路的定位及等級、車輛性能、行車速度、地形地物條件等有關。列車在曲線上運行產生離心力，這會影響旅客的舒適度，因此通常會設置外軌超高來產生向心力，以達到平衡離心力的目的。當曲線半徑一定時，速度越高，要求設置的超高就越大。

曲線半徑對牽引能耗的影響主要表現在以下兩方面:

1)由于存在平面曲線，列車運行時會產生曲線單位附加阻力，從而導致牽引能耗增加。曲線附加阻力與曲線半徑、列車速度、曲線外軌超高以及軌距加寬、列車車輛的軸距等許多因素有關，很難用理論方法推導其解法，一般的經驗公式為［5］

式中:ωr——曲線單位附加阻力，N/t;

A——試驗常數，標準軌距取值600;

R——曲線半徑，m;

g——重力加速度，m/s2。

城市軌道交通的軌距同樣符合標準軌距，可以采用下式來計算:

在曲線長度相等的情況下，曲線半徑越小，則曲線轉角越大，曲線附加阻力會越大，一般會導致牽引能耗增加。

有研究成果對站間距為1 km，曲線半徑取100～1 000 m，兩種類型列車分別在限速40 km/h、50 km/h和60 km/h進行了列車牽引能耗的模擬計算［6］;研究結果表明，平曲線上的曲線附加阻力對牽引能耗的影響不是很明顯，半徑減小200 m，區間牽引能耗增加值不超過4 kW·h。

2)曲線半徑與允許列車通過的速度有關，列車通過曲線的速度按下式計算［7］:

式中:h——超高值。

從上式可以看出，曲線半徑越小，列車限速越小。列車限速小，會導致列車運行速度低，區間運行時間增加。由于列車運行速度低，所以會導致單位時間牽引能耗的降低。

圖4為對站間距1.2 km的運行區間，在區間中部設置不同半徑的曲線時，不同平曲線半徑的牽引能耗模擬分析結果。

圖4 不同曲線半徑對牽引能耗的影響

從圖4可以看出，對于城市軌道交通常用的250～450 m限速曲線半徑，區間運行時間隨半徑的增大而減少，牽引能耗隨半徑的增大而增加，能耗增加較為明顯;半徑超過450 m的曲線對區間運行時間和牽引能耗影響并不大;在曲線半徑小于450 m時，雖然曲線半徑越小，牽引能耗也越小，但是區間運行時間增加，小半徑曲線會惡化線路條件，加速車輪和鋼軌的磨耗。因此，小半徑曲線不能作為一種降低牽引能耗的措施，有條件時應盡量采用半徑大于450 m的曲線。

2.4 線路縱斷面

列車在線路上運行時，受到牽引力、基本運行阻力、曲線阻力、風阻力和坡度阻力5種力的作用，其中基本運行阻力、曲線阻力及風阻力與列車運行方向相反，而坡度阻力的方向是變化的。當列車上坡時，坡道阻力與列車運行方向相反，使列車減速;當列車下坡時，坡道阻力與列車運行方向相同，使列車加速運行。

在軌道交通線路縱斷面設計中，將車站設置在凸形坡段上，使列車進站時上坡，將動能轉化為勢能，列車出站時下坡，再將勢能轉化為動能，這樣有利于減少能量消耗，達到節能的目的。這種設計也叫做節能坡設計，如圖5所示。

圖5 典型節能縱斷面設計案例

節能坡要達到節能的目的，必須合理選擇節能坡的坡度、坡長、位置以及緩坡連接方案，才能達到較優的節能效果。

2.4.1 坡度對牽引能耗的影響

圖6為兩車站標高相同，站間距為1.2 km時，區間的牽引能耗模擬結果。區間設計成“節能坡—緩坡—緩坡—節能坡”的V字坡形式，緩坡的坡長和坡度分別取250 m，3‰，節能坡坡長取250 m，坡度分別取3‰，4‰，6‰，8‰，10‰，…30‰。

圖6 不同坡度下的牽引能耗

從圖6可以看出，在運行距離和限速條件一致的情況下，牽引能耗隨節能坡坡度的增大而減小，利用最小二乘法對數據進行線性擬合，得出在該模擬條件下，牽引能耗(y)與節能坡坡度(x)的函數關系為

節能坡坡度每增加 1‰，牽引能耗會減少0.21 kW·h。因此，利用城市軌道交通線路縱斷面V字坡的設計，使列車進站時上坡將動能轉化為勢能，列車出站時下坡將勢能轉化為動能，從而達到節能的目的。但是，節能坡的坡度也不宜過大，列車在過大的坡度上運行時，操縱方式稍不合理便引起較大的能源消耗;有研究表明，節能坡的坡度大小設置為22‰～26‰較為合理［8］。

2.4.2 坡長對牽引能耗的影響

圖7為兩車站標高相同，站間距為1.2 km時，區間的牽引能耗模擬結果。區間設計成“節能坡—緩坡—緩坡—節能坡”的V字坡形式。節能坡坡長分別取190，200，210，…350 m，坡度取 24‰;緩坡坡長依次縮短，分別取 305，295，285，…145 m，坡度取 26‰。

圖7 不同坡長下的牽引能耗

從圖7可以看出，在運行距離和限速條件一致的情況下，牽引能耗隨節能坡坡長的增大而減小，利用最小二乘法對數據進行線性擬合，得出在該模擬條件下，牽引能耗(y)與節能坡坡長(x)的函數關系為

節能坡坡長每增加10 m，牽引能耗會減少0.16 kW·h;采用250 m和350 m的坡長比采用200 m的坡長分別節能約4.5%和14%。

可見，在理想情況下節能坡的坡長應盡可能長，但并不是節能坡越長越好。通過對模擬條件下的速度—距離曲線和電流—距離曲線分析后發現，坡長在260～300 m時，列車運行至1/3坡段時停止牽引并轉為惰行，列車利用剩下2/3坡段的坡道下滑力進行加速至最大運行速度，以達到牽引能耗最小化，但這種方式對列車的操縱要求非常高。

2.4.3 節能坡離站臺端的距離對牽引能耗的影響

圖8為節能坡的豎曲線端部離站臺端的距離分別為0，2，4，6，…100 m 時，區間的牽引能耗模擬結果。站間距為1.2 km，區間設計成“節能坡—緩坡—緩坡—節能坡”的V字坡形式，節能坡的坡度24‰，坡長250 m。

圖8 V字坡區間節能坡位置對牽引能耗的影響

從圖8中可以看出，牽引能耗隨節能坡與站臺距離的增大而增加，利用最小二乘法對數據進行線性擬合，得出在該模擬條件下，牽引能耗(y)與節能坡位置(x)的函數關系為

(x為節能坡的豎曲線端與站臺距離)

若考慮到車站設計和施工的便利，將節能坡移出車站范圍，即節能坡豎曲線端與站臺距離由10 m增加至50 m時，牽引能耗增加約0.24 kW·h，按近期日開行列車200對來計算，僅1個區間1年增加牽引能耗約17 520 kW·h。由此可見，節能坡在有條件的時候應該盡量貼近站臺設置，這樣節能效果更好。

2.4.4 節能坡與緩坡組合的能耗對比分析

表2為站間距為1.2 km，兩車站軌面高差分別為6.5，8.7，10.7，12.7 和 14.7 m，區間采用單個坡段和2個坡段組合時的牽引能耗對比分析模擬結果。

表2 單個坡段與組合坡段的牽引能耗對比

坡段拆分原則是，將單個坡段拆分成1個坡長250 m的節能坡和1個緩坡的組合(由于受豎曲線不能進入有效站臺范圍的控制，單個坡段拆分成2個坡段的組合時，區間坡段總長稍有變化)，如表2所示。

從圖9可以看出，坡度為6‰，8‰和10‰時，拆分成節能坡和緩坡的組合后，牽引能耗有明顯的減少;坡度為6‰時，拆分后牽引能耗減少約11%;坡度為8‰和10‰時，拆分后牽引能耗減少約3%。

圖9 單個坡段與組合坡段的牽引能耗對比

坡度超過10‰時，拆分成節能坡和緩坡的組合后，對牽引能耗幾乎沒有影響，而且拆分后的節能坡坡度分別達28%和30%，拆分后的坡度過大，反而對運營不利，拆分的必要性不大。

2.4.5 節能坡的節能效果分析

圖10為站間距為1.2 km，區間分別采用人字坡(525 m3‰，525 m－3‰)、一般 V 字坡(525 m－3‰，525 m3‰)和節能 V 字坡(250 m－24‰，245 m－3‰，245 m3‰，250 m24‰)時的牽引能耗對比分析模擬結果。

從圖10可以看出，坡度大小采用3‰時，V字坡相對于人字坡節能效果一般，而且還需增設區間泵站。

將3‰的坡段拆分成24‰和3‰的組合后，區間坡段設計為“250 m－24‰，245 m－3‰，245 m3‰，250 m24‰”的V字節能坡。從圖10可以看出，V字節能坡的設計相對于人字坡和一般的V字坡節能效果很明顯，分別節能約26%和21%。

圖10 節能坡的節能效果分析

按近期日開行列車200對來計算，僅1個節能坡段1年節約牽引能耗約16.5萬kW·h;按1個區間左右線同樣采用節能坡的設計，1個區間1年節約牽引能耗66萬kW·h。

3 結論

筆者通過收集資料、數據調查和模擬計算，針對線路敷設對牽引能耗的影響進行了研究，具體結論如下:

1)從每公里牽引能耗和旅行速度兩方面考慮，站間距采用1～2 km較為合理。

2)一般情況下，地下線的坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力一般要比地面線和高架線大，而且車體內部照明用電也會增加，因此牽引能耗一般也會比地面線和高架線大。

3)平曲線對牽引能耗的影響表現在不同半徑下的曲線附加阻力和曲線限速對牽引能耗的影響。同等長度的曲線，曲線半徑越小，曲線附加阻力越大，牽引能耗也越大;對B型車而言，在曲線半徑小于450 m的情況下，曲線半徑越小，限速越低，牽引能耗也越低，但小半徑曲線會惡化線路條件，加速車輪和鋼軌的磨耗，并不能作為一種降低牽引能耗的措施。

4)在坡長一定的情況下，牽引能耗隨節能坡坡度的變化成相應的線性變化;在坡度一定的情況下，牽引能耗隨節能坡坡長的變化成相應的線性變化。節能坡坡度和坡長分別采用22‰～26‰和250 m左右較為合適。

5)在設置節能坡的區間，節能坡在有條件的時候應該盡量靠近站臺設置，這樣節能效果更好。

6)在地勢條件允許、兩車站埋深合理的前提下，若區間為單個坡段，且坡長較長，坡度大小為6‰～10‰時，將其拆分成1個大坡和1個緩坡的組合，其節能效果更好，而且減小了列車進站的坡度;坡度超過10‰時，拆分反而會惡化線路條件，不建議進行拆分。

7)區間在采用標準的V字節能坡設計后，節能效果明顯，單個坡段比不采用節能坡設計的坡段節能約21%，按近期日開行列車200對來計算，僅1個區間1年節約牽引能耗66萬kW·h。

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［6］王玉明.城市軌道交通系統能耗影響因素的量化分析［D］.北京:北京交通大學，2011.

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Design of Energy-Saving Route of Urban Rail Transit

Li Wenbo
(Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:Energy consumption in urban rail transit consists of train traction，power and lighting.Factors affecting traction energy consumption include vehicle type，speed limit，conditions of line and seasonal climate.Through data investigation and train traction simulation，factors influencing traction energy consumption，such as station distance，laying mode，radius of horizontal curve，energy-saving slope gradient and length，distance between energy-saving slope and station and the combination of energysaving slopes were analyzed，the basic principles for energy-saving route design were advanced，and the energy-saving effect of energy-saving slope was also elaborated.

Key words:urban rail transit;energy-saving;route design;energy-saving slope;traction energy consumption

U231+.2

A

1672-6073(2013)02-0008-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.003

收稿日期:2012-08-16

2012-09-21

作者簡介:李文波，男，大學本科，高級工程師，長期從事城市軌道交通線路規劃與設計研究工作，liwb@buedri.com

(編輯:曹雪明)