ZER7型雙動力電傳機車在城市軌道交通中的應用前景分析

堵建中

(南京地鐵運營有限責任公司，210012，南京//高級工程師)

隨著地球上化石能源的日益枯竭以及人類居住環境的日益惡化，節約化石能源和開發新能源已成為國家可持續發展的重大戰略課題。

目前，我國城市軌道交通行業承擔基地調車作業和正線作業牽引的機車均為內燃機車，其通過燃燒柴油實現動力輸出的方式不可避免地造成環境污染[1]，已不符合我國建設資源節約型社會的要求。雙動力電傳機車具有綠色、環保和節能的技術優勢，可取代內燃機車為城市軌道交通行業調車作業使用。

1 雙動力電傳機車的發展

雙動力機車[2]具有兩個獨立電力來源共同為機車提供電力，即在機車工作時，既可以用A電源供電，也可以用B電源供電。國內雙源制則多采用接觸網供電和蓄電池儲電模式(以下簡稱“儲電型”供電)，即機車在無電區時，蓄電池向機車提供電力維持機車運行；進入有電區后，機車升受電弓改由接觸網供電運行，同時蓄電池進入充電狀態。南京城市軌道交通與株洲電力機車廠共同研制的的ZER7型雙動力電傳機車，采用的是車載柴電機組替代蓄電池的設計，即機車在無電區運行時啟動柴油發電機組向機車供電，進入有電區后機車升受電弓由接觸網供電。

2 ZER7型雙動力電傳機車

2.1 主要技術參數

ZER7型雙動力電傳機車的主要技術參數如表1所示。其牽引特性曲線和電制動特性曲線如圖1～2所示。

圖1 ZER7型雙動力電傳機車牽引特性曲線

名稱參數電傳機車外形尺寸14 910 mm×2 760 mm×3 750 mm兩轉向架中心距/mm7 060固定軸距/mm2 200接觸網供電電壓/VDC 1500輪周功率/kW400(接觸網)/200(柴油發電機組)最小通過曲線半徑/m150車鉤型式13B號車鉤軸列式Bo-Bo整備質量/t≤56電傳機車速度/(km/h)80制動方式再生制動、電阻制動、空氣制動及停車制動

2.2 主要系統

(1) 牽引傳動系統。牽引系統采用VVVF(變電-變頻)逆變器，其是由異步牽引電動機構成的交流電傳動系統，為架控方式。牽引系統主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。接觸網受流模式下輸入DC 1 500 V直流電，牽引逆變器將其變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，并向異步牽引電動機供電。柴油發電機組供電模式下發出的AC 690 V

圖2 ZER7型雙動力電傳機車電制動特性曲線

三相交流電經三相整流為DC 880 V后輸入到牽引逆變器。圖3為ZER7型雙動力電傳機車的雙電源供電圖。由圖3可知，ZER7型雙動力電傳機車裝有4臺交流異步牽引電機，按架控進行配置。其中，電氣傳動系統采用VVVF交流調速方式，鼠籠型三相異步牽引電動機是以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)為主元件的功率模塊，其控制方式為直接轉矩控制或矢量控制模式。

(2) 混合電制動系統。電力電傳機車采用接觸網供電時，其在電制動過程中主要向電網反饋能量，且僅在電網不能接受時將該能量消耗在制動電阻上；電力電傳機車采用柴油發電機組供電時，電制動能量將由制動電阻吸收。電力電傳機車采用DK-1制動系統，能夠實現空電聯合制動。

(3) 輔助供電系統。輔助逆變器將輸入的直流電轉變為三相交流電，通過輔助變壓器變壓后為工程維護車的負載提供三相AC 380 V/50 Hz和單相AC 220 V/50 Hz交流電源，同時亦可為三相輔機、空調、控制蓄電池充電機、工務用電等提供電源。輔助逆變器既可以在接觸網供電DC 1 500 V(1 000 ～1 800 V)模式下工作， 也可以在柴電機組供電模式下工作。

圖3 ZER7型雙動力電傳機車的雙電源供電圖

(4) 柴油發電機組。柴油發電機組通過采用恒速控制來提供穩定的電源電壓和頻率；且由負載功率變動引起的發電機電壓波動由其自帶的勵磁調節系統AVR(自動電壓調節器)完成調整，機組轉速波動則由柴油機的電噴控制ECM(發動機的電控模塊)控制。

3 ZER7型雙動力電傳機車的優勢

3.1 與傳統內燃機車的比較

(1) 節能減排。目前，南京城市軌道交通已開通的7條線共配置內燃型機車33臺，2015年4月共消耗燃油11.438 t，由此計算可得污染物SO2、NOx和煙塵的排放量分別為4.57 t、0.718 t和0.017 t，從而預計2015年污染物SO2、NOx和煙塵全年的排放量分別為54.84 t、8.616 t和0.204 t，且隨著線路數量的持續增加，上述污染物的排放總量將會同比增加。ZER7型雙動力電傳機車在城市軌道交通線網接觸網覆蓋率較大的情況下，使用車載柴電機組的時間占比很小，排放量可忽略不計。因此全面推廣使用雙動力電傳機車可產生巨大的環境效益和社會效益。

(2) 改善作業環境。經現場測量，內燃機車在隧道內作業時噪聲可達91 dB,同時內燃機車排煙會在隧道內聚集，造成空氣質量下降，影響員工的身體健康；而雙動力電傳機車在隧道內進行接觸網供電模式作業時產生的噪聲分貝僅為65 dB，且可實現無煙塵工作環境。

(3) 操縱性能好。雙動力電傳機車與液力傳動內燃機車相比，在高速運行中其動力輸出有很大的優越性，如圖4所示。ZER7型雙動力電傳機車在裝車功率小于10%且運行速度超過20 km/h的情況下，其牽引力較傳統內燃機車平均高30%以上。這種動力輸出的優勢在進行網軌或限界檢測作業以及在對機車運行速度要求較高的作業中尤其明顯。

圖4 ZER7型雙動力電傳機車牽引特性對比曲線

(4) 全壽命成本低。表2為ZER7型雙動力電傳機車與內燃調車機車的全壽命成本對比。由表1可知，雙動力電傳機車在能源成本、運用條件、日常維護及全壽命周期等方面，均比內燃調車機車更具優勢。文獻[3]中，據中車株洲電力機車有限公司向新加坡出口的雙動力電傳機車測算,其全壽命成本比傳統內燃調車機車節約700萬元。

(5) 作業范圍廣、安全性高。雙動力電傳機車可實現對傳統內燃調車機車的功能覆蓋，同時雙源制動力來源可互為備用，大大提高了機車使用的安全性。

表2 ZER7型雙動力電傳機車與內燃調車機車的全壽命成本對比

3.2 與“儲電”型雙動力電傳機車的比較

ZER7型與儲電型雙動力電傳機車的區別在于柴油發電機組供電和蓄電池供電。現針對此不同點進行比較：

(1) 機車整體設計：目前國內蓄電池模式設計方案已基本成型；柴油發電機組模式較蓄電池模式除需增加1套交-直逆變電路外，還需對柴油發電機組的布置進行必要的設計以滿足機車整體的安全性要求[4]，這在某種程度上增加了設計的難度和費用。

(2) 技術成熟度和產品供給：柴油發電機組技術發展已經非常成熟，其產品供給和維保市場競爭很充分；傳統蓄電池維保市場相對成熟,但目前尚存在一些環保技術方面的問題，在一定程度上影響了其競爭力。

(3) 日常維護費用：柴油發電機組日常維護包括油水和皮帶等易損件的更換，每年費用約5 000元；蓄電池日常維護費用較少，但需配套專門的充放電設備。

(4) 遠期維修費用：柴油發電機組大修時間為20 000 h，按每年2 000 h計算，約10 a年進行1次大修，費用約30萬元；蓄電池壽命為5 a，更換費用70～80萬元，若機車壽命按20 a計算，兩者維護費用相差140萬元。

(5) 價格：目前“儲電”型雙動力電傳機車單臺價格約為600萬元，ZER7型雙動力電傳機車單臺價格為800萬元(含研制費用)。當設計固化進行量產后，后者價格將會與前者大致持平。

4 結語

ZER7型雙動力電傳機車在繼承傳統內燃機車方便靈活、持續牽引能力強等優點的基礎上，更具高效、節能、低排放的特點，值得推廣應用。

然而，ZER7型雙動力電傳機車是新型機車，目前在我國城市軌道交通公司中的運用數量較少，其設計制造標準尚未建立，每臺機車均以業主的要求單獨設計制造，這種現狀造成制造成本上升；此外，各個單位的運用標準也不盡相同，沒有統一的運用標準和規范。

這將成為該類機車推廣的主要障礙。因此，應盡早統一設計規范，制定相關的使用標準，使雙動力電傳機車得到更廣泛的應用。