日本旨在降低鐵路供電損耗的超導技術應用

1 引言

在能源供應日趨緊張的國際大背景下，節能降耗成為鐵路技術發展的重要目標。目前，鐵路電力傳輸過程中產生的能量損失約占鐵路運營總能耗的5%，對于現存的規模龐大的世界鐵路線網而言，其能耗量十分可觀，因此鐵路供電技術在節能方面有巨大的提升空間。

超導技術是利用物質在低溫下呈現出的超導電（電阻變為0）性質而開發的高新技術，其自誕生以來就在節能降耗方面被賦予極大期望。適用于鐵路系統的超導技術涉及供電領域的變壓器、電流饋通裝置、限流器，電磁領域的超導電機等，如表1所示。其中，專門針對節能降耗的技術包括超導磁儲能裝置和超導電纜。

表1 適用于鐵路系統的超導技術

日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）將上述2項超導技術引入鐵路供電領域，旨在降低鐵路供電時的能源損耗，達到節約能源的目標。文章將介紹其相關的研究成果。

2 超導磁儲能裝置

能夠提高再生制動效率、平衡電力負荷的儲能裝置是目前鐵路技術領域的研發熱點。為解決作為常用存儲介質的鋰離子電池在急速充放電方面存在的諸多問題，鐵道綜研正在開發一種可以快速充放電的超導磁儲能裝置（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES），如圖1所示。這是一種可將電能轉化為磁能并直接存儲于超導線圈中的設備，由于超導線圈具有零電阻的特點，允許電流在其中無損耗地持續流動，因此該設備可在需要進行能量轉換時實現高速率的充放電。不同于鋰離子電池將電能存儲為化學能的特性，SMES是直接將電能存儲為磁能，因此具有高效率、長壽命、大電流輸入/輸出的優點。

圖1 超導磁儲能裝置應用示意圖

由于近年來氦資源耗竭問題日益嚴重，因此鐵道綜研正在研發新一代以二硼化鎂 （MgB2）為材料、無需進行液氦冷卻的超導線圈。此種超導線圈的冷卻方式有2 種：其一，不使用制冷劑，僅利用冷凍機進行傳導冷卻；其二，使用液氫進行冷卻。

3 超導電纜

日本鐵路線路多采用低壓直流供電，面臨的電力傳輸損耗、接觸網電壓下降等問題較為突出。而超導電纜具有容量大、損耗低、節能環保等優勢，利用其進行電力傳輸，可在解決上述問題的同時，提高列車運行穩定性。因此，鐵道綜研正在開發新一代鐵路用超導電纜，目前已完成材料試驗和系統設計，正在內部試驗線和營業線路上進行驗證性試驗。

3.1 結構

超導電纜由芯管型材以及分層螺旋纏繞芯管型材的超導線材、絕緣層構成，其結構如圖2所示。其中，芯管型材作為骨架，是支撐外圍材料的中空管道；超導線材由高溫超導體材料制成，用于傳輸電力；絕緣層具有良好的絕緣特性，可保護電纜免受機械損傷和化學腐蝕。

3.2 應用

圖3展示了超導電纜用于鐵路牽引供電的模型示例。該示例中將牽引變電所（以下簡稱“變電所”）之間的部分常規饋線替換為超導電纜，以解決變電所之間供電臂末端區段存在的接觸網電壓下降問題。當然，引入超導電纜的方法不僅限于此，還可替換區間全部饋線或分支饋線等，可按需選用。若所有變電所之間的饋線都采用超導電纜，則可顯著抑制接觸網電壓的下降，并實現各個變電所間電力的互相調劑，從而有效減小單一變電所輸出的峰值電流及各變電所之間的負荷差；此外，列車再生制動時產生的電能也可以更容易地經由接觸網和饋線輸送到遠處，供其他運行的列車使用。

圖3 利用超導電纜替換變電所之間部分常規饋線示例

為定量評估超導電纜的電力傳輸效果，鐵道綜研以一條普通鐵路線路為例，模擬分析其引入超導電纜后的日耗電功率。評估結果顯示，該線路的日耗電功率可從常規的10 856 kW降低到10 318 kW，實現約5%的節能效果（表2）。

表2 采用超導電纜和常規電纜線路的日耗電功率對比 kW

3.3 相關測試

3.3.1 超導電纜測試

為評估超導電纜在不同狀態下的導電性能，鐵道綜研不僅測試了超導電纜卷曲盤繞時的機械應力，以了解電纜在彎曲狀態下的載流能力，而且對其進行了施加磁場的通電測試，以確定超導電纜自身在通電時產生的磁場對流過電纜的電流值的影響。根據上述測試，鐵道綜研制定了超導電纜設計指南，為制造超導電纜提供指導依據。

3.3.2 超導電纜供電環境下的行車試驗

為促進超導電纜的實際應用和推廣，鐵道綜研在營業線路上進行了超導電纜供電的基礎技術驗證，以及超導電纜供電環境下的行車試驗。試驗人員將1段輸電電壓1 500 V、電流容量2 000 A、長度6 m的超導電纜設置在變電所輸出端與常規饋線輸入端之間，構成如圖4所示的簡單供電回路；超導電纜兩端設置可讀取回路中電流值的檢測終端，即電流端子A和B；通過操作斷路器可在既有傳統饋線與超導電纜間進行切換和選擇。上述設施共同構成超導供電試驗系統。電動車組的加減速通過加減速控制手柄的檔位調節來實現，旨在測試超導電纜在列車加減速導致電流急劇變化的情況下是否會產生電力傳輸損耗。超導電纜敷設及行車試驗的情況如圖5所示。

圖4 超導電纜供電回路

圖5 超導電纜敷設及行車試驗實圖

超導電纜的冷卻采用液氮浸漬方法。圖6展示了從超導電纜B端向A端填充液氮進行冷卻的效果。由圖可知，在填充開始約80 min后，超導電纜兩端均達到液氮溫度。

在冷卻完成后，電動車組開始進行行車試驗。通過安裝在電動車組上的相關儀表，可以測得車輛運行過程中供電電流及相應車速的變化。行車試驗的結果如圖7所示。由圖可知，超導電纜為從修善寺站開往田京站（里程約5.6 km）的電動車組（每列3節編組）提供的最大電流約880 A。其間，因列車在車站啟停而導致的超導電纜內電流的急劇變化并未引起其發熱超標（見圖6）。由此可知，超導電纜沒有因電流急劇變化產生明顯的電力損耗。

圖6 超導電纜冷卻及供電過程溫度變化示意圖

圖7 超導電纜供電環境下的行車測試結果

3.3.3 超導電纜輸電測試

為進一步研究超導電纜的節能效果，鐵道綜研使用1條長度為408 m的超導電纜進行輸電測試。測試中，超導電纜與既有常規饋線平行敷設，從變電所向停放在車輛段內的10 列電動車組（每列10節編組）輸電。列車的空調、照明等系統全部開啟，由此產生約1 250 A的電流消耗。圖8展示了采用超導電纜與常規饋線輸電時電壓下降的比較結果。由圖可知，采用常規饋線輸電時，測得的電纜兩端電壓下降值達到9.41 V；采用超導電纜輸電時，其兩端（起點端子和終點端子）的電壓幾乎保持一致，僅有0.02 V的下降。通過采用超導電纜輸電，可在408 m的測試區間內將輸電線路的耗電功率減小約7 kW。

圖8 采用超導電纜與常規饋線輸電時電壓下降比較