鐵路電力節(jié)能設(shè)計探究

周明

摘要：節(jié)約能源已成為我國的基本國策，為了有效響應(yīng)國家能源可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排政策的要求。鐵路及城市軌道交通行業(yè)亦應(yīng)將節(jié)能減排政策落實于鐵路建設(shè)過程中，特別是鐵路電力系統(tǒng)中，從建設(shè)的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失、制止浪費，從而實現(xiàn)電力能源節(jié)約發(fā)展。所以，本文從電氣設(shè)備的節(jié)能、變壓器經(jīng)濟(jì)運行的節(jié)能、照明系統(tǒng)的節(jié)能、控制和管理系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計著手，對鐵路電力節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了探究。

Abstract： Energy conservation has become China's basic national policy， in order to effectively respond to the requirements of the national energy sustainable development， energy conservation and emission reduction policies. The railway and urban rail transportation industry should also implement energy saving and emission reduction policies in the process of railway construction， especially in the railway power system， from all aspects of construction， to reduce consumption， reduce losses， and stop waste， so as to achieve the development of power energy conservation. Therefore， this article starts with the energy-saving design of electrical equipment， the economical operation of transformers， the energy-saving design of lighting systems， the energy-saving design of control and management systems， and explores the energy-saving design of railway power.

關(guān)鍵詞：鐵路;電力節(jié)能;節(jié)能設(shè)計

Key words： railway;power saving;energy saving design

中圖分類號：TM92;U221? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0151-02

0? 引言

在現(xiàn)代社會不斷發(fā)展的過程中，促進(jìn)了能源消耗的增加，能源逐漸枯竭，從而使我們對各行業(yè)提出了節(jié)能要求，鐵路總公司響應(yīng)國家節(jié)約資源的基本國策，相應(yīng)了印發(fā)了相關(guān)的節(jié)能規(guī)劃，要求各鐵路單位貫徹執(zhí)行。鐵路運輸耗電高、用電量大，節(jié)點潛力也大，抓好各建設(shè)鐵路工序的節(jié)電是節(jié)約能源的關(guān)鍵，而設(shè)計是鐵路建設(shè)的龍頭，新版《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》（TB 10008-2015）也相應(yīng)的增加了“電氣節(jié)能與環(huán)保”的章節(jié)。所以，作為鐵路電力設(shè)計人員，在設(shè)計過程中要重視電力的節(jié)能設(shè)計。

1? 電氣設(shè)備的節(jié)能設(shè)計

電氣設(shè)備的節(jié)能主要是指在配電系統(tǒng)中的應(yīng)選用國家推廣的高效、低損耗的節(jié)能型電力變壓器。《鐵路工程節(jié)能設(shè)計規(guī)范》（TB 10016-2016）第7.1.7-1條以及《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》（TB 10008-2015）第14.4.1條均要求三相配電變壓器的選擇應(yīng)符合《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052）以及《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB24790）的要求。

變壓器的損耗主要有空載損耗及負(fù)載損耗兩大部分，其次還有介質(zhì)損耗和雜散負(fù)荷損耗。由于介質(zhì)損耗和雜散負(fù)荷損耗其值很小，故可忽略不計。[1]

變壓器的空載損耗（鐵損）為Po=KcPcGc? ? （1）

式中，Po-空載損耗，W;

Kc-工藝系數(shù);

Pc-鐵芯材料的單位損耗，W/kg;

Gc-鐵芯質(zhì)量，kg。

根據(jù)式（1），如果使Po降低，必須使Kc、Pc、Gc均降低，可以得出空載損耗與鐵芯的磁通密度、材料性能、芯片厚度、加工工藝都有關(guān)系。

變壓器的負(fù)載損耗（銅損）為Pk=KmJ2Gm? ? （2）

式中，Pk-負(fù)載損耗，W;

Km-與導(dǎo)電率有關(guān)的系數(shù);

J-電流密度，A/mm2;

Gm-導(dǎo)線質(zhì)量，kg。

根據(jù)式（2），如果使Pk降低，在保證變比的前提下，提高必須匝間電壓用來減少高低壓線路匝數(shù)，使電流密度與導(dǎo)線質(zhì)量適當(dāng)降低，還可以從改變絕緣結(jié)構(gòu)縮小絕緣體積，提高填充系數(shù)，減小線圈尺寸來達(dá)到降低負(fù)載損耗的目的。

低損耗的電力變壓器是采用較高導(dǎo)磁的優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片和先進(jìn)制造的新系列節(jié)能變壓器，具有損耗低、效率高、質(zhì)量輕等特點。低損耗變壓器在節(jié)省電能、運行費用方面已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效果。日前設(shè)計過程中，已有多數(shù)路局設(shè)備管理單位要求選用非晶合金鐵芯的變壓器，型號為一級能效的SH16、二級能效的SH15型，其主要特點空載損耗非常低，一般只有采用普通硅鋼片變壓器的30%左右，選用低損耗的變壓器既運行經(jīng)濟(jì)合理，又節(jié)省了能源，符合國家的節(jié)能政策。

2? 照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

照明節(jié)能所遵循的原則是在保證照明質(zhì)量，為生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)和生活創(chuàng)建良好的光環(huán)境前提下，盡可能節(jié)約照明用電。

鐵路房屋照明節(jié)能設(shè)計中，電氣設(shè)計人員必須要遵守《鐵路照明設(shè)計規(guī)范》（TB 10089—2015）以及《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013）的要求，同時還要注意選用燈具的型號和布置方式。

2.1 合理選擇照明燈具光源

照明節(jié)能一般采用照明的照明功率密度值（LPD）作為評價指標(biāo)[3]。所以，在設(shè)計時應(yīng)保證鐵路生產(chǎn)、生活用房室內(nèi)照明功率密度值低于規(guī)范值，同時使用高效燈具、高光效、高效燈具附件也是不容忽視的問題。

近年來，LED光源已成為節(jié)能產(chǎn)品的主流光源，本章建議針對鐵路站場、室內(nèi)公共區(qū)照明設(shè)計等擴(kuò)大使用LED光源。LED照明的特點有壽命長、起動性能好、可調(diào)光、光利用率高、耐振、適用低溫環(huán)境、降低視覺疲勞、無閃爍等優(yōu)勢。

表1為LED燈與熒光燈的性能參數(shù)指標(biāo)，通過表1可以看出來，在相同照度要求下，LED燈具的功率比較低，使用LED燈照明效果比既有照明光源要好。

2.2 照明系統(tǒng)控制的設(shè)計

照明系統(tǒng)控制主要分為自動控制和手動控制兩大類，自動控制包括光控、時控、聲控、紅外線控制、智能控制等。上訴類型控制其目的就是通過合理控制燈具開關(guān)以節(jié)約電能。設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)合理劃分控制單元，滿足功能分區(qū)或分組、不同場景的節(jié)能要求。

公共建筑和車間、廠庫的走廊、樓梯間、門廳、電梯廳等公共場所的照明，宜按建筑使用條件和自然采光狀況采用分區(qū)、分組控制措施。其中，需要分時段、有規(guī)律長明的上述場所，可采用集中控制方式或夜間定時降低照度的自動控制裝置;適宜就地控制的照明場所，宜采用延時自動熄滅或降低照度的開關(guān)[4]。

鐵路旅客站房內(nèi)宜使用智能照明控制系統(tǒng)。充分考慮照明區(qū)域的客觀需求，實現(xiàn)站房照度傳感器位置的合理布置，對各個區(qū)域照度調(diào)節(jié)信息實時掌握，利用客運服務(wù)信息系統(tǒng)和照明系統(tǒng)信息的集成，在售票廳、候車室等區(qū)域，以站內(nèi)人員密度、季節(jié)、地域等因素，利用智能場景控制的配置實現(xiàn)自動開關(guān)、調(diào)光[5]。

在辦公室區(qū)域中，通過熱、光、聲等移動檢測集中控制燈光系統(tǒng)，合理通過照明設(shè)備，使照明系統(tǒng)與運營方式結(jié)合設(shè)置，調(diào)節(jié)控制程序，以模擬計算結(jié)果使場景模式、預(yù)設(shè)時間等實現(xiàn)照度調(diào)節(jié)，對區(qū)域照明燈具進(jìn)行智能化的關(guān)閉、開啟，使不同場合、時段的需求得到滿足，從而實現(xiàn)節(jié)能、舒適的目的。

3? 控制和管理系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

鐵路電力用戶具有用電負(fù)荷點分散和供電可靠性要求高等特點，人工發(fā)現(xiàn)故障和檢修費時、費力，若沒有實時有效的監(jiān)控管理手段，很難及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)隱患或故障。同時，鐵路的電力消耗也是行業(yè)運營成本的重要組成部分，如沒有及時細(xì)致的管理分析系統(tǒng)，很難做到有針對性地節(jié)能降耗。《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》（TB 10008-2015）第14.5條要求鐵路供配電系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)充分利用能源管理系統(tǒng)等控制和管理系統(tǒng)技術(shù)提高節(jié)能效果。

能源管理系統(tǒng)通過是對建筑物整體和局部實時能耗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、趨勢分析、指標(biāo)追蹤，提供報警信息并輸出日報、月報、年報、統(tǒng)計和報表，為企業(yè)提供能源設(shè)計、運行、維護(hù)使用的全生命周期的管理建議和方案，從而實現(xiàn)能源管理水平的提升。能源管理系統(tǒng)應(yīng)合理劃分采樣分組和采樣點，當(dāng)設(shè)有聯(lián)動控制功能時應(yīng)與工程實際相適宜，力求系統(tǒng)最簡，效率最高[6]。能源管理系統(tǒng)具有為節(jié)能提供數(shù)據(jù)支撐、發(fā)現(xiàn)鐵路用電能源浪費問題、設(shè)備管理單位可根據(jù)能源管理系統(tǒng)制定節(jié)能行動策略、驗算鐵路用電節(jié)能效果等優(yōu)點。

近年來，隨著鐵路行業(yè)智能化的理念不斷深化，鐵路的一些大型的站房開始啟動能源管理系統(tǒng)，如上海虹橋、南寧東站等。設(shè)計人員可結(jié)合設(shè)備管理單位的意見選擇本地能源管理系統(tǒng)或者遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)：本地能源管理系統(tǒng)由三層架構(gòu)組成，從上而下分別為能源管理及控制層-網(wǎng)絡(luò)通信層-現(xiàn)場設(shè)備層;遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)在本地的基礎(chǔ)上增加了遠(yuǎn)程能源管理層。現(xiàn)場設(shè)備層包括各類子系統(tǒng)，如冷熱源管理系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)、、配電監(jiān)控系統(tǒng)、引導(dǎo)顯示等。

能源管理系統(tǒng)為大型站房、大型鐵路樞紐、大型動車段提供了更加精細(xì)的能源管理措施，對于各路局管理單位節(jié)能降耗、降低運營成本具有重要意義。

4? 結(jié)束語

作為鐵路電力的設(shè)計人員，在進(jìn)行鐵路電力設(shè)計時，應(yīng)充分考慮電氣節(jié)能的設(shè)計，應(yīng)符合國家節(jié)能減排政策的要求并與鐵路規(guī)劃的有關(guān)要求相結(jié)合，還應(yīng)積極推進(jìn)采用成熟、經(jīng)濟(jì)適用的節(jié)能和環(huán)保新技術(shù)、新設(shè)備。配電系統(tǒng)的設(shè)計要做到合理選低損耗的變壓器，并使其經(jīng)濟(jì)運行，合理選擇照明燈具的光源及控制方式，大型樓宇及站房選用能源管理系統(tǒng)，通過以上設(shè)計手段使得供配電系統(tǒng)的節(jié)能達(dá)到最優(yōu)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[D].北京：冶金工業(yè)出版社，2014：289.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10008-2015，鐵路電力設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2016：60.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50034-2013，建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：41.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10089-2015，鐵路照明設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2016：40.

[5]廖芳芳.鐵路行業(yè)電氣節(jié)能的設(shè)計與應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報，2017（8）：101.

[6]中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊[D].北京：中國電力出版社，2016：1622.