地鐵供電系統節能降耗技術實踐探究

楊棟山

中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

據國家運輸部公布的數據顯示，截止2022年12月31日，我國31個省（自治區、直轄市）和新疆生產建設兵團共有53個城市開通運營城市軌道交通線路290條，運營總里程達9584公里，為城市中人們的出行提供極大便利，但這背后確是巨大的電能消耗。經統計，每年每個城市地鐵消耗電量約2億度，全國全年地鐵運營便需要消耗以百億度計電能，約為全社會總用電量的2%，在能源越發緊張的今天便更需要在地鐵供電系統中應用節能降耗技術，以減少運營地鐵期間的電能消耗。

1 地鐵運營耗電分析

1.1 牽引用電

地鐵牽引系統是地鐵運行的核心，是地鐵動力的來源，我國民用電力一般為220V交流電，但地鐵大多采用750V/1500V的直流供電系統，因此，地鐵運行所需電力，是有電廠將電能傳輸至牽引變電所，而后牽引變電所根據地鐵牽引的需要將電力轉換為不同標準，最后將電力輸送至地鐵運行網絡上空架設的電力接觸網，從而為地鐵的運行供給電力。

地鐵牽引供電系統是列車運行的動力來源，也是地鐵運營過程中耗電占比最大的部分，經數據調查，地鐵牽引用電占地鐵運營所耗電力的50%—60%，是當前開展地鐵供電系統節能降耗技術應用需要重點關注的部分，因牽引所需的巨大耗電量，一些基礎改動便能夠進一步提升地鐵運營節能降耗的標準[1]。

1.2 照明系統用電

照明系統是保證地鐵運營的基礎條件，城市軌道交通機車之所以被稱為，便是因城市軌道交通機車部分車站和線路處于地下，設立地鐵的初衷是為緩解城市交通壓力，機車在地下條件下運行，便能夠在不增加地上交通設施的同時，分攤地上交通的壓力。但在地下條件下運行，車站入口、行人通道、候車站臺等車站內設施必須保證照明條件，才能夠保證過往行人的舒適度和車站運行。

地鐵照明系統根據不同的用途和分布區域又分為公共區工作照明、公共區節點照明、電纜夾層照明、導向標志照明等，車站的規模越大，所需要的照明設施便越大，在當前城市建設快速成型的時代，為保障車站的照明需要，地鐵照明系統耗電已經成為車站總耗電的主要占比之一。地鐵車站的規模不同，照明耗電占比也不同，一般地鐵照明系統占總耗電占比的4%-7%，因此，照明系統的節能也是當前地鐵供電系統節能降耗工作的當務之急[2]。

1.3 辦公場所用電

為維護地鐵車站的安全、整潔，保障過往行人的出行舒適度，地鐵車站需要建立包括通信系統、信號系統、消防系統、給排水系統、無人售票系統、便民設施等各種設施，繁復設備也是地鐵運營耗電的一部分。

各項系統都是人們出行乘坐地鐵時必要的條件，具體如下：1.通信系統。地鐵作為當前人們在城市中出行的主要設施之一，在斷則數分鐘、長則數十分鐘的地鐵乘坐時間里，若離開通信系統的支持，會導致人們的生活、工作受到影響，這也導致通信系統是當前地鐵車站必備的運營條件。2.信息系統。為便于行人等候，使人們在機車進站時能夠原理停車區域，車站的等候信息公布設施也是必備的。除此之外，機車位置信息也是控制運營的關鍵，通過信息系統傳遞的機車信息，地鐵調度控制中心能夠更好的開展管理工作。3.消防系統。消防是公共場所必須建設的基本運營條件，據中國城市軌道交通協會公布的數據顯示，2022年我國各城市的軌道交通全年客運量達194億人次，龐大的數據下若隱藏消防風險，所造成的安全事故將不可估量。消防系統又包括煙霧報警設施、火災報警系統、消防泵、滅火系統、消防通風設施等，為保證消防系統始終處于高標準工作狀態，必須全工作時段供電，所耗電力也是地鐵能耗占比的重要部分[3]。4.給排水系統。給排水系統是保證地鐵車站工作人員飲用水、清潔用水、污水排放等需要的保障性系統，給排水系統中的供水水泵和排水加壓設施是系統中耗費電能的主要因素，又因水資源是開展工作和保障工作人員日常生活的基本條件，需要保證全天候高標準工作狀態，其耗費的電能也是巨量的。5.無人售票系統。在過往的地鐵運行中，車票是由人工售查的，但隨著人們對地鐵需求的逐漸增加，人工售票、查票的方式已經不能滿足需求，在科學技術的支持下，地鐵售票、查票當前已經脫離人工的限制，由無人售票設施、自動查驗門閘、智能設備二維碼等方式進行售票、查票工作，但無人售、查票設施的運轉同樣需要電能的支持。6.便民設施。地鐵的設計是為方便全體民眾，部分殘障人群并不具備乘坐門梯、走樓梯的條件，因此，在地鐵站中還需要建設垂直式電梯、輪椅升降機等設施，實現地鐵為全民服務的目標[4]。

1.4 環控用電

地鐵車站的環境控制是營造過往行人舒適體驗的關鍵性保障，主要包括：車站溫度調解設備、車站空氣流通設備等，在建筑施工的概念中被統稱為暖通工程。首先，車站中央空調作為溫度調解的重要設備，其對電力的消耗難以想象的，但地鐵車站大部分建立在地下條件中，其溫度調節難度較地面條件更為苛刻，使得空調成為當前地鐵、車站耗費電力的主要因素之一。其次，地鐵車站是為城市全體民眾服務的，每年車站進站人數難以估量，以客運量最多的廣州地鐵為例，2022年全年廣州地鐵進站量人數達127332.2萬人，海量的人數在擁擠的車站中來往，導致地鐵車站、車內的二氧化碳濃度激增，且在車內相對密閉、車站多數處于地下的條件基礎上，為保證來往行人的舒適度和人身安全，車站和機車內必須建設空氣流通設施[5]。

通風空調的耗能巨大，為將車站、車內溫度控制在人們的舒適條件下，車站、車內的暖通工程耗電量便要占地鐵運行消耗電力總量的25%-35%，因此，在環控耗電的海量條件下，降低地鐵暖通工程的耗電量將是地鐵供電系統節能降耗工作的主要突破方向之一。

1.5 門梯用電

地鐵車站和候車點多處于地下，一般地鐵深度處于20m-30m之間，且最深的重慶地鐵車站深度可達94m，若過往人們只能通過步梯的方式進出車站，將會嚴重影響車站的日常運營效率，因此，地鐵車站門梯同樣是車站重要的設施之一。與其他設施不同，門梯因造價問題，在每個車站門口少則1個，多則3個，不會設置過多的門梯，但即使1人進出車站，門梯也許進入工作狀態，在此條件下，門梯的耗電量會因不同時段的發生急劇變化[6]。

門梯的耗電量占地鐵運行總耗電量的2%-5%，作為車站主要耗電設施之一，門梯的節能降耗工作同樣不可忽視。

2 地鐵供電系統的節能設計

2.1 主變電所設置

主變電所是地鐵整條線路的總變電所，是承擔地鐵運營期間電能轉換與輸送的重要設施，主變電所的職能是將城市電網中的高壓電轉換為牽引變電所適用的電壓等級，而后輸送給牽引變電所，是整個地鐵供電系統的源頭。為開展地鐵供電系統的節能減耗工作，主變電所設計便必須重視，首先，主變電所作為整個地鐵供電系統的源頭，其重要性不言而喻，而保證主變電所功能性的各項設備價格自然居高不下，因此，主變電所應設置在兩條地鐵運營線路的中間點，使同一主變電所能夠保障兩條地鐵線路的運營供電需要，在共享設備的前提下，減少地鐵運營投入[7]。其次，供電系統的各個節點增加，會加劇電能在傳輸過程中的消耗以及設備投入，在設計主變電所時，應在保證地鐵線路供電需求的基礎上，盡可能減少供電節點的設置，從而減少電能損耗，達成地鐵供電系統節能降耗的目的。

2.2 選擇適合的中壓網絡

中壓網絡是連接主變電所、牽引變電所和降壓變電所的媒介，通過中壓網絡的布置才能夠實現電力的傳輸，從而構建地鐵供電系統。中壓網絡的接線形式主要包括放射式、環網式兩種，首先，放射式接線的可靠性較高，采用放射式接線的中壓網絡各供電線路相對獨立，單條線路發生故障時不會影響其他線路的正常工作，但放射式接線需要消耗較多的有色金屬，導致中壓網路建設的造價提升，一般適用于大型設備或負荷性質重復條件下的供電。其次，環網式供電較為靈活，其結構較為清晰，采用環網式供電建設的中壓網絡在正常運行條件下，其最大負荷能夠達到線路允許載流的50%，因此，其單挑線路的可靠性較放射式接線更高[8]。

采用高壓電力傳輸是因電壓越大傳輸損耗越小的特性，而中壓網絡作為地鐵供電系統中變電所之間的連接媒介，選擇合適的中壓網絡能夠更好的完成電力傳輸，但電力傳輸損耗越小的中壓網絡造價便越高，在選擇中壓網絡時應綜合地鐵項目運行需要，不應過于糾結于造價或后期使用效果等片面因素。

2.3 牽引、降壓變電所的設置

首先，在牽引變電所的工作流程中，主要通過直流快速斷路器來保證上下行接觸網的供電需求，為地鐵的運行提供電能，為開展地鐵供電系統的節能減排工作，牽引變電所應進行相應的更改設置。牽引變電所應改變傳統供電方式，采用雙牽引整流機組進行供電，兩套設備同系統、同時運轉，能夠降低電力在傳輸過程中的損耗。整流機組運行期間應做到負載平衡，降低阻抗電壓的不平衡度，以保證雙牽引整流機組的正常運行[9]。

其次，降壓變電所能夠將10kV、35kV的中壓轉換為地鐵運行所需的750V或1500V電壓，進而將符合地鐵運行需要的電壓輸送至接觸網。但電壓越小在傳輸的過程中損耗的電力便越多，因此，為實現降壓變電所的節能目標，在設計降壓變電所是，應盡量選擇靠近負荷中心的位置，從而減少配電電纜的長度，以達到減少在傳輸電力的過程中損耗電能的設計目的。

2.4 合理敷設電纜

電纜是地鐵傳輸系統中電力傳輸的主要媒介，無論是高壓、中壓、低壓用電設備和變電站之間都需要電纜的連接，合理的敷設電纜能夠將地鐵供電系統的節能降耗工作效果最大化。

首先，當前中壓網絡的電纜敷設一般采用三芯電纜，在電力傳輸的常識中，電纜長度的增加會提高電力傳輸的損耗，但在使用單芯電纜的進行敷設時，電纜線路會產生電抗，從而增加電力傳輸的損耗，因此，敷設單芯電纜時應呈品字形排列，能夠有效降低線路電抗，防止渦流的形成，保障電力傳輸的效率和安全。

其次，電纜敷設方式需要根據地鐵現場情況選擇，主要包括架空、地下、水底、墻壁和隧道等多種方式，在不同的條件下選擇符合電纜的方式也需要進行調整，具體選擇需要根據實際情況進行判斷[10]。

2.5 時段性節能改動

地鐵的全天客流量根據地鐵周邊工作時間、學校周邊時間等規律分為高峰時段和非高峰時段兩部分，時段性節能改動便是將地鐵中用電設備在非高峰時段的功率降低以實現節能降耗的目標。可以應用時段性改動的耗電系統包括照明系統、電梯系統、無人售票系統、空調通風系統等，在非高峰時段地鐵車站的進出客量與高峰時段地鐵車站的進出客量相差巨大，以2023年4月7日的廣州東站進出客量為例，廣州東站全天進客量約8.4萬人次，出客量約7.5萬人次，其中早06：00-09：00與晚17:30-20：00的早晚高峰便約占據全天進出客量的70%，此時所有設備都應高功率運行，一般保障過往行人的舒適度。與之相反，在非高峰時段時，可以通過關閉50%照明設備、降低暖通空調功率、關閉部分電梯的方式進行節能降耗[11]。

3 可再生能源的利用

可再生能源是當前節能降耗的主要方式之一，為提高車站環節車站供電系統的電能消耗壓力，應通過可在能能源的利用產生電力，降低地鐵、車站各設備對電力的消耗。

首先，可再生能源的第一目標便是太陽能，大部分地鐵車站的周邊都有較大空地，且地鐵入口上也能夠安放太陽能設備，進而通過太陽能設備發電，為車站提供電能。

其次，可再生能源的第二目標便是風能，一般風能發電裝置占地較大，因此，風能發電設施不便設置在城市中，但地鐵建設時可在城市郊外設立風能發電設備，通過電纜的連接為車站設施供電。

最后，地熱能同樣是近年來可再生能源的代表，通過挖掘地熱井到達地表深處，能夠獲取超過150℃的地熱能，從而用于發電環節車站的用電能耗問題。

可再生能源的發電效率較車站、地鐵消耗的海量電能相比微乎其微，但可再生能源的可再生、無副作用特點，能夠緩解一部分地鐵運營的電能消耗壓力，進而實現節能降耗的目的[12]。

4 結束語

綜上所述，地鐵是現代人們在城市出行的主要交通保障，但地鐵機車極其附屬設施消耗的電能極其龐大，為保障城市的可持續發展，相應國家節能減排的號召，相關工作人員應積極應用節能降耗技術，為地鐵的未來發展指明方向。