津?yàn)I輕軌供電系統(tǒng)節(jié)能性研究

王巖 郭明

（天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司 天津 300457）

津?yàn)I輕軌供電系統(tǒng)節(jié)能性研究

王巖 郭明

（天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司 天津 300457）

面對(duì)集成度高、能耗量大的津?yàn)I輕軌系統(tǒng)，濱海快速公司將節(jié)能降耗納入公司發(fā)展戰(zhàn)略，通過對(duì)供電系統(tǒng)功能分析、無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能分析、中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級(jí)的合理性分析，先后引進(jìn)無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、電力監(jiān)控等先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，著力為天津市民打造安全舒適、低碳經(jīng)濟(jì)的出行方式。

節(jié)能性分析；無(wú)功補(bǔ)償；諧波治理；電力監(jiān)控

津?yàn)I輕軌是承擔(dān)天津市區(qū)和濱海新區(qū)運(yùn)營(yíng)任務(wù)的城市軌道交通線路，全長(zhǎng)52.25km，共設(shè)19座車站、1個(gè)車輛基地和1個(gè)停車場(chǎng)。津?yàn)I輕軌系統(tǒng)主要消耗的能耗包括電、熱力、燃?xì)猓渲须姾恼急?9%。如何降低電力消耗、提高用電品質(zhì)、合理調(diào)度電力資源成為一個(gè)重要的研究課題。津?yàn)I輕軌通過對(duì)供電系統(tǒng)功能分析、無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能分析、中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級(jí)的合理性分析，先后對(duì)主變電所完成了無(wú)功治理、諧波治理，并在全線設(shè)立了電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），根據(jù)各方面節(jié)能性分析，制定了切實(shí)可行的節(jié)能措施。

1 供電系統(tǒng)的主要功能

津?yàn)I輕軌供電系統(tǒng)的電源取自三個(gè)主變電站，其中華北陶瓷主站及小東莊主站為110kV變電站，十一經(jīng)路主站為35kV變電站。目前輕軌供電系統(tǒng)包含 AC110kV、AC35kV、DC1500V、AC380V、AC220V等電壓等級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)由高到低的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)中安裝使用了不同類型的變壓器共計(jì)110余臺(tái)，其中4臺(tái)油浸式變壓器，其余均為干式變壓器。通過對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置分析，供電系統(tǒng)具備以下功能：（1）接受并分配電能功能；（2）降壓整流功能；（3）傳輸和供給直流電能的功能；（4）降壓變配電功能；（5）對(duì)供電設(shè)備實(shí)施電力監(jiān)控的功能；（6）對(duì)雜散電流進(jìn)行防護(hù)的功能。

2 供電系統(tǒng)運(yùn)行分析

2.1 中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級(jí)的節(jié)能合理性分析

根據(jù)城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)主要有35kV、20kV、10kV幾種形式，不同電壓等級(jí)中壓網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較如下表所示：

表1 不同電壓等級(jí)的中壓供電網(wǎng)絡(luò)比較表

從上表可以看出，35kV中壓網(wǎng)絡(luò)具有輸電半徑和輸電容量大、電能損失較小的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備體積較大、產(chǎn)品價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)大部分城市均采用這種形式；10kV中壓網(wǎng)絡(luò)輸電半徑和容量小、電能損失大、設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、設(shè)備體積較小、產(chǎn)品價(jià)格較低，國(guó)內(nèi)城市也有采用；20kV中壓網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)處于兩者之間，但國(guó)內(nèi)城市軌道交通尚未采用過。

由于電費(fèi)在城市軌道交通將來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本中所占比例很大，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，中壓供電環(huán)網(wǎng)的電壓等級(jí)宜首選較高的電壓等級(jí)。津?yàn)I輕軌中壓網(wǎng)絡(luò)采用35kV等級(jí)從節(jié)能角度考慮是合理可行的。

2.2 0.4kV線路損耗分析

0.4kV線路損耗包括運(yùn)營(yíng)期間損耗和運(yùn)營(yíng)后損耗，運(yùn)營(yíng)期間車站與區(qū)間設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，線路損耗較大；運(yùn)營(yíng)后只有少量照明、環(huán)控和弱電設(shè)備處于工作狀態(tài)，線路損失很小。根據(jù)輕軌每天運(yùn)營(yíng)18 h計(jì)算，年運(yùn)營(yíng)時(shí)間為6570 h，年停運(yùn)時(shí)間為2190 h。動(dòng)力照明用電負(fù)荷供電的線路加長(zhǎng)，電壓損失和線路損耗將加大。

2.3 牽引供電系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外輕軌供電系統(tǒng)的電壓制式主要有DC750V和DC1500V兩種。根據(jù)車輛的受流方式，輕軌的牽引網(wǎng)安裝形式主要有接觸軌和架空接觸網(wǎng)兩種，由于津?yàn)I輕軌均采用架空接觸網(wǎng)授流方式，下面主要針對(duì)DC1500V和DC750V兩種電壓等級(jí)進(jìn)行分析。

DC750V架空接觸網(wǎng)授流方式應(yīng)用廣泛，具有非常成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)備的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化較好，牽引變電所內(nèi)的單體設(shè)備投資略有降低。

與DC750V電壓等級(jí)相比，DC1500V電壓等級(jí)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）牽引變電所數(shù)量可以顯著減少，降低了供電系統(tǒng)的投資。（2）在同一個(gè)供電區(qū)間行車密度足夠大時(shí)，較長(zhǎng)供電臂長(zhǎng)度吸收、利用列車再生能量。（3）電能損耗較小，節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

因此津?yàn)I輕軌采用DC1500V電壓等級(jí)節(jié)能效果高于DC750V電壓等級(jí)。

2.4 機(jī)車內(nèi)部運(yùn)行供電

津?yàn)I輕軌系統(tǒng)采用的是日本進(jìn)口的新型機(jī)車，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車前進(jìn)。其工作原理是機(jī)車經(jīng)受電弓將接觸網(wǎng)網(wǎng)上的直流1500V電源引到車上，一部分經(jīng)過隔離開關(guān)、高速斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器后送給直流牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車；另一部分經(jīng)過二極管整流橋后經(jīng)過隔離開關(guān)、SIV逆變器后變?yōu)榻涣麟姡┙o機(jī)車的控制系統(tǒng)、門電機(jī)等輔助設(shè)備。

3 系統(tǒng)節(jié)能措施分析

3.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置節(jié)能量分析

運(yùn)營(yíng)初期，根據(jù)觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)，輕軌每月有功電量在8× 104kW·h左右，而無(wú)功電量為4×104kWh左右，功率因數(shù)僅為0.25，造成了電能的極大浪費(fèi)。為了改善供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行條件，降低線路無(wú)功電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件，公司對(duì)主變電所進(jìn)行了無(wú)功改造。這樣不僅提高了電力系統(tǒng)的效率，降低電客車的運(yùn)行成本，也有效的保障了客運(yùn)系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的運(yùn)行。

輕軌華北陶瓷變電站供電系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率很低（10%～20%），35kV單芯電纜數(shù)量多、距離長(zhǎng)，相對(duì)電纜充電功率較大，出現(xiàn)35kV電壓偏高的問題。2004年4月試運(yùn)營(yíng)之后，其容性無(wú)功倒送系統(tǒng)的問題更加突出表現(xiàn)出來(lái)。鑒于輕軌客流及其負(fù)荷情況的不確定性，安裝了感性無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC），可實(shí)時(shí)按照供電系統(tǒng)的負(fù)荷情況進(jìn)行功率因數(shù)調(diào)節(jié)，使供電系統(tǒng)達(dá)標(biāo)。投入運(yùn)行后，使輕軌主站35kV供電系統(tǒng)功率因數(shù)由原來(lái)的低于0.3全部調(diào)節(jié)至0.99，超過國(guó)家電網(wǎng)0.96的水平。無(wú)功電量減少了80%以上，改造前每度有功電量消耗間接造成無(wú)功損耗達(dá)4.33kvarh,改造后單位有功電量與無(wú)功比例僅為1：0.16，由于無(wú)功電量減少，使功率因數(shù)大大提高，有效節(jié)約了電能的消耗，也解決了無(wú)功倒送的問題，并且每個(gè)月為公司節(jié)約電費(fèi)80萬(wàn)元～100萬(wàn)元。