城市軌道交通電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

摘要： 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，城市軌道交通也逐漸發(fā)展起來(lái)，給人們的出行帶來(lái)了很大的便利。但在此過(guò)程中，城市軌道交通運(yùn)行中也存在很大的能源消耗問(wèn)題，急需通過(guò)節(jié)能手段進(jìn)行控制?；诖?，本文對(duì)軌道交通電氣節(jié)能設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；電氣；節(jié)能設(shè)計(jì)

西安地鐵三號(hào)線大雁塔站為三號(hào)線和四號(hào)線“T型”換乘站，土建同步實(shí)施，總建筑面積37402平方米，是西安地鐵目前為止面積最大的車站，站臺(tái)寬度16米，共設(shè)有6個(gè)出入口，5組風(fēng)亭，在電氣設(shè)計(jì)中充分考慮了節(jié)能環(huán)保的措施，節(jié)能效果顯著，下面對(duì)大雁塔站的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1 牽引供電節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1牽引供電設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

大雁塔站牽引供電系統(tǒng)主要是由外部電源、軌道交通主變電所或電源開(kāi)閉所、電力網(wǎng)、站內(nèi)牽引降壓變電所（高壓開(kāi)關(guān)柜、整流變壓器、直流開(kāi)關(guān)柜、牽引網(wǎng)、動(dòng)力降壓變壓器等）、雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

牽引供電系統(tǒng)是通過(guò)主變電站從地方電力系統(tǒng)引入110kV高壓交流電源并降壓成軌道交通供電系統(tǒng)使用的35kV交流電，送至站內(nèi)35kV高壓開(kāi)關(guān)柜后再由：1）35kV高壓開(kāi)關(guān)柜出線進(jìn)入整流變壓器，通過(guò)整流變壓器將高壓交流電源降壓整流為直流1500V電源，再將1500V直流電通過(guò)沿線敷設(shè)的牽引網(wǎng)不間斷地供給運(yùn)行中的車輛； 2）35kV高壓開(kāi)關(guān)柜出線進(jìn)入動(dòng)力降壓變壓器將35kV交流電降壓成220/380V交流電，供給低壓配電系統(tǒng)使用。

1.2 牽引供電的節(jié)能設(shè)計(jì)方案

1.2.1 牽引變電所。結(jié)合西安地鐵三號(hào)線的實(shí)際情況，對(duì)大雁塔站的牽引變電所與前后站變電所的數(shù)量、間距等進(jìn)行了科學(xué)設(shè)置。牽引供電系統(tǒng)優(yōu)先選用雙邊供電，降低牽引系統(tǒng)損耗。需要注意的是，牽引變電所容量應(yīng)該根據(jù)近期負(fù)荷來(lái)配置[1] ，但預(yù)留遠(yuǎn)期容量擴(kuò)充的條件。

1.2.2 線路方案。在大雁塔站牽引系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)和線路專業(yè)的不斷溝通協(xié)調(diào)，科學(xué)地設(shè)置坡度，各站點(diǎn)間選用最短路徑進(jìn)行連接，使得線路的選擇較為合理，減少了列車的牽引能。

1.2.3 車站選址方案。大雁塔站選址接軌條件好，便于行車組織，使運(yùn)營(yíng)效率得到有效提升，以此縮短列車空走距離，降低能耗。另外，選址也同時(shí)綜合考慮了市政規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保等因素。

1.2.4 行車交路。行車節(jié)能也從配線、客流、運(yùn)營(yíng)情況等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，從而選擇了最佳的設(shè)計(jì)方案，在滿足客流需求的情況下，分時(shí)段進(jìn)行運(yùn)行交路的設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)裂成的承載率，以避免空車或者是乘客比較少的情況下，車輛在運(yùn)行時(shí)牽引用電量[2]。

2 低壓配電節(jié)能設(shè)計(jì)

大雁塔站由于是換乘站，其站內(nèi)各系統(tǒng)設(shè)備非常多，三號(hào)線各系統(tǒng)設(shè)備配合、三四號(hào)線設(shè)備系統(tǒng)資源共享的要求非常高，對(duì)低壓配電的安全可靠性提出了更高的要求。

2.1低壓配電設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

地鐵動(dòng)力負(fù)荷中設(shè)置有很多的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，如隧道風(fēng)機(jī)、車站排熱風(fēng)機(jī)、孔田與冷水機(jī)組、各類水泵設(shè)備等等，這些設(shè)備都由相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

照明系統(tǒng)種類繁多，可以分成正常、應(yīng)急及值班照明幾種。其中，正常照明包含：工作照明、區(qū)間、導(dǎo)向照明等等；應(yīng)急照明包含：疏散及備用照明等等。除掉就地控制以外，站臺(tái)、標(biāo)志照明等都應(yīng)必須要在照明配電室進(jìn)行控制。

2.2 低壓配電設(shè)計(jì)的節(jié)能方案

2.2.1 低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

電動(dòng)機(jī)可以使用低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置。該裝置主要是對(duì)軟件進(jìn)行更新升級(jí)，從而能夠完成很多通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的功能，簡(jiǎn)化裝置硬件設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了裝置的適用范圍，緩解了工作人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)的壓力。并且，該裝置的硬件部分使用單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算等。面板數(shù)值的顯示及輸出都由單片機(jī)來(lái)完成。

2.2.2設(shè)備系統(tǒng)配電的控制設(shè)計(jì)

在對(duì)設(shè)備系統(tǒng)配電的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合其具體的設(shè)備工況特點(diǎn)，制定出最科學(xué)有效的控制模式，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）大雁塔站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：根據(jù)時(shí)間、季節(jié)、溫度、濕度、熱敏數(shù)據(jù)等變化，其自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。

2）大雁塔站照明系統(tǒng)：根據(jù)時(shí)間、客流強(qiáng)度（工作日早、晚高峰、節(jié)假日）、情景模式等變化，其自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。

3）大雁塔站自動(dòng)扶梯系統(tǒng)：根據(jù)使用人數(shù)和需求采用變頻智能控制，即乘客較少或者是無(wú)人乘坐時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)營(yíng)速度，節(jié)約能耗。

2.2.3 低壓智能化和BAS須協(xié)調(diào)配合

大雁塔站要將低壓智能化系統(tǒng)和BAS將的關(guān)系協(xié)調(diào)好，必然離不開(kāi)各項(xiàng)設(shè)備的完美配合，其接口關(guān)系是由通風(fēng)空調(diào)電控柜、照明電源裝置等構(gòu)成。表1為通風(fēng)空調(diào)電控柜的物理接口。

在本站低壓電氣設(shè)備中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用，其在電動(dòng)機(jī)控制、開(kāi)關(guān)保護(hù)等智能化設(shè)備運(yùn)用中得到了廣泛運(yùn)用。要將其優(yōu)勢(shì)全面發(fā)揮出來(lái)，就需要與BAS系統(tǒng)界面進(jìn)行劃分，以此保證各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。為此，提出了以下方案，如圖1所示。

3 設(shè)備產(chǎn)品的選用

在大雁塔站電氣節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，高效節(jié)能設(shè)備的使用是非常重要的。在設(shè)備選用時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則來(lái)選型，禁止使用不合格的產(chǎn)品。

3.1 車輛。在軌道交通運(yùn)行中，車輛是牽引能耗的使用者，選用科學(xué)的車輛，對(duì)牽引節(jié)能的作用是很大的。車輛的型號(hào)、材料會(huì)對(duì)其自重產(chǎn)生影響，如果車體選用的是鋁合金輕型材料，車輛的自重也會(huì)減少，牽引能耗也會(huì)隨之降低。在達(dá)到動(dòng)力要求的情況下，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行科學(xué)選擇，讓牽引動(dòng)機(jī)保持在最佳的運(yùn)行狀態(tài)，也能達(dá)到降低牽引能耗的作用[4]。

3.2 供電設(shè)備。本站供電設(shè)備（變壓器、電纜線等）的合理選擇，應(yīng)該嚴(yán)格依據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度要求進(jìn)行科學(xué)選型，也能達(dá)到了節(jié)能降耗的作用。

3.3 照明。本站科學(xué)選擇光源，選用環(huán)保節(jié)能光源，如，將高效節(jié)能光源運(yùn)用到設(shè)備區(qū)、公共區(qū)、出入口的照明設(shè)計(jì)中。選用壽命長(zhǎng)、性能好、耗電小節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。站內(nèi)照明設(shè)備的選擇，按照各功能區(qū)的具體要求來(lái)設(shè)置，從而達(dá)到更好地節(jié)能降耗效果。

4 新技術(shù)的使用

4.1 逆變—再生制動(dòng)裝置的使用。從現(xiàn)在的情況看，城市軌道交通系統(tǒng)主要使用的是電制動(dòng)方式包含再生自動(dòng)、電阻制動(dòng)兩種。前一種制動(dòng)裝置最大的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)能，當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，借助這一裝置，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，返回于接觸網(wǎng)被列車吸收，大大提升了能量的利用率，但通過(guò)該裝置轉(zhuǎn)化的電能不能完全被吸收，剩余的電能會(huì)使接觸網(wǎng)網(wǎng)的壓力增高，不利于其順利運(yùn)行。而后一種制動(dòng)方式，可以將剩余的電能轉(zhuǎn)化成熱能，有效避免接觸網(wǎng)的電壓不斷升高。而逆變-再生制動(dòng)也就是利用逆變裝置取代制動(dòng)電阻，能夠讓接觸網(wǎng)上剩余的電能直接回饋給低壓配電系統(tǒng)，讓能量可以得到有效利用，減少能源消耗[5]。

5 節(jié)能管理

為達(dá)到最理想的節(jié)能效果，大雁塔站從節(jié)能產(chǎn)品的運(yùn)用、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及節(jié)能管控體制等方面均做了充分的考慮。節(jié)能管理工作要具體化，可操作性強(qiáng)[7]。

5.1 計(jì)量配備。本站計(jì)量配備合理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛設(shè)備維護(hù)和管理，并能實(shí)現(xiàn)成本管控與核算。能源計(jì)量器嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分類計(jì)量，尤其是對(duì)于那些大型的用電設(shè)備設(shè)置單獨(dú)的計(jì)量實(shí)施監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

5.2 管理措施。本站通過(guò)科學(xué)的節(jié)能管控措施來(lái)保障節(jié)能工作全面落實(shí)，這樣，才能將系統(tǒng)與設(shè)備的節(jié)能作用發(fā)揮出來(lái)。管理措施主要有節(jié)能管理制度、能源管控制度等，相關(guān)人員重視節(jié)能管控工作，將各項(xiàng)措施落實(shí)到實(shí)處，起到了事半功倍的效果[8]。

6結(jié)語(yǔ)

大雁塔站軌道交通電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，不僅采用了智能化配電及控制電氣產(chǎn)品等先進(jìn)的控制保護(hù)系統(tǒng)，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程、實(shí)施階段、節(jié)能管理三個(gè)階段進(jìn)行了科學(xué)的規(guī)劃考慮，在設(shè)計(jì)中充分考慮了節(jié)能環(huán)保的措施，節(jié)能效果顯著，大大減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。該工程已于2018年12月一次通過(guò)驗(yàn)收，并按期交付運(yùn)營(yíng)，工程設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)?yōu)秀。

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（作者單位：中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

作者簡(jiǎn)介：佘軍峰（1987.8-），男，陜西西安人，電氣工程師。