鐵路供配電系統節能設計

馬晨鵬

（北京電鐵通信信號勘測設計院有限公司，北京 100036）

目前，我國鐵路網建設正進入前所未有的快速發展時期，據相關計劃，2010～2012年，鐵路平均每年將完成基建投資6 000億元以上，到2012年，全國鐵路營業里程將達到11萬km，同時將有36條客運專線投入運營。而與此同時，鐵路系統節能減排的壓力越來越大，至“十一五”末，鐵路單位運輸收入降耗要達到20%以上，任務非常艱巨，因此節能的理念必須貫徹到鐵路各個環節。作為能耗大戶的供配電系統而言，尤為重要。

鐵路供配電系統承擔除牽引供電以外所有鐵路負載的供配電任務，包括通信信號系統、鐵路生產、生活以及車站用電等。供配電系統不僅直接保障鐵路運輸系統的正常安全運行，還關系到很多鐵路職能部門的正常工作。因此，鐵路供配電系統的節能必須根據其特點、要求等進行分析，方能滿足鐵路特色要求。

1 鐵路供配電系統的特點

鐵路供配電系統由于行業特殊性，在系統構成、功能等方面存在一些有別于地方電力系統的特點，主要體現在以下方面。

（1）電壓等級低，變、配電所結構單一。鐵路負荷屬于終端負荷，直接面對最終用戶，所以鐵路供配電系統中大多數為10 kV配電所和35 kV變電所，個別樞紐站點有110 kV變電所。配電所電壓等級主要取決于地方電源情況和鐵路負載要求。

由于功能要求、應用范圍基本一致，所以鐵路供配電系統中的變、配電所主接線等構成基本相同，設備配置變化也不大。

（2）系統接線形式簡單。鐵路供配電系統是沿鐵路敷設的線狀輻射網，一般沿鐵路兩側分別架設10 kV自動閉塞線路、10 kV電力貫通線路，相距40～60 km設變、配電所，相互連接，互為備用。其接線形式如圖1所示。

（3）供電可靠性要求很高。鐵路供配電系統雖然電壓等級低，接線簡單，但其負載中一、二級負荷所占比例較高，因此其供電可靠性的要求很高，相鄰配電所倒閘作業允許中斷供電時間僅0.6 s。

2 供配電系統能耗分析

供配電系統損耗由固定損耗和運行損耗兩部分組成。固定損耗僅與電壓有關，產生于線路、變壓器及相關設備并聯導納上，如變壓器的勵磁損耗、架空線路的電暈損耗、信號轉轍機空載損耗等，這部分損耗所占比例較小。運行損耗主要產生于線路、變壓器、鐵路各用電設備的串聯阻抗上，與系統功率有關，所占比重較大。各類損耗計算如下。

（1）線路功率損耗（根據線路π形等值電路）

*阻抗上的功率損耗：

*線路首端導納上的功率損耗：

（2）變壓器的功率損耗（雙繞組變壓器）

（3）電能損耗

*系統電能損耗率：

*線路全年電能損耗：

*對于電壓為額定值時，變壓器全年電能損耗：

由上可見，系統節能要從降低固定損耗及運行損耗兩部分分別入手，兩者相輔相成，下面就這些問題進行探討。

3 鐵路供配電系統節能設計基本原則

在充分滿足鐵路各類用電負載功能要求的前提下，減少能源消耗，提高能源利用率，爭取節約自然資源、社會資源、投資費用相統一。貫徹實用、經濟合理、技術先進的原則，從使用期前、使用期和使用期后等不同角度進行統籌考慮，不因節能而過高增加投資及運行費用，由節能增加的投資應能在一定時間內通過運行費用的節省得到回收。同時，電氣專業要與通信、信號、建筑、暖通、設備等相關專業密切配合，共同做好節能設計。

4 鐵路供配電系統節能設計細則

4.1 電源電壓及變、配電所位置選擇

鐵路供配電系統電源電壓應根據負荷容量、電源線路長度、地方電網情況等因素綜合比較確定，優先采用10 kV電源。35 kV及以上電源供電能力大，電價較低，可降低運營成本，故當電源線路較長（大于20 km）、負荷容量較大（大于6 300 kVA）時，優選35 kV或以上電源。

鐵路負荷具有點多線長的特點，因此合理的變、配電所位置對提高供電質量、減少線損有重要意義。變、配電所位置根據電源分布、低壓供電半徑、方便檢修等因素綜合考慮，做到高壓深入負荷中心，并滿足電壓偏差值的要求，設于鐵路中小站或區間的變、配電所可根據實際采用箱式變電站。

4.2 負荷計算

鐵路負荷涉及專業多、種類繁、容量差別較大，以往設計中經常為了保證容量夠用而使系統裕量過大，造成無謂浪費。因此準確、合理的負荷計算是系統設計、變壓器容量、線纜截面等選擇的基礎，是進行配電系統節能優化設計的關鍵點。

初步設計階段負荷計算可采用需要系數法或單位面積功率法，施工圖設計階段應采用需要系數法，同時與通信、信號、房建等相關專業密切配合，深入了解負荷分類、特點、用電要求，并把不同負載持續率下的額定功率換算為統一持續率下的設備功率，合理選擇功率因數、需要系數，從而精確計算負荷容量。

4.3 變壓器選擇

在整個供配電系統中，變壓器所占比重最大，因此優選變壓器帶來的經濟效益非常明顯。

設計中應根據匯總的負荷計算結果合理選擇變壓器容量和臺數，使變壓器經常性負載以在變壓器額定容量的60%為宜，負荷率在75%～85%范圍內，并保持三相負荷平衡分配。在TN及TT系統中應采用D，yn11結線組別，不應繼續選用Y，ynO結線組別。同時在合理分配負荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺數，選用大容量變壓器。

S11變壓器系列是目前廣泛推廣的低損耗變壓器，其空載損耗較S9系列低75%左右，負載損耗與S9系列相當，應優先選用。

4.4 線纜選擇

低壓電力電纜通常按允許溫升進行選擇，并按允許電壓損失、機械強度進行校驗。鐵路車站、站場低壓供電半徑大，線路總損耗相當可觀。具體設計中，按以下措施降耗。

（1）減少配電級數

電纜截面規格受保護斷路器整定電流值制約，保護選擇性要求上、下級斷路器整定值之間至少相差一級，若配電級數過多，則整定值將迅速上升，勢必造成該回路電纜截面的迅速增大而不經濟。因此，需減少配電級數。

（2）重要線路選用電導率較小的銅材，普通用電負荷配電線路，尤其是固定安裝的較大規格配電母線或電纜，滿足電壓損失、機械強度以及動、熱穩定條件時，應根據導體載流量、經濟電流密度的要求，優先選用鋁導體，并處理好銅、鋁連接。

（3）線路盡可能短捷，避免迂回配線。

（4）合理選擇導線截面，適當考慮經濟電流密度指標。電纜在允許載流量前提下，其電流密度隨截面增大而減小，因此一味選用大規格電纜并不合理。

4.5 功率因數補償

提高功率因數措施主要有提高自然功率因數，進行無功補償。

一般系統消耗無功功率中，線路約占10%、變壓器約占20%，負載占70%，設計中應正確選擇變壓器等容量，以減少線路感抗，提高用電單位自然功率因數。

當自然功率因數無法滿足，應采取無功功率補償措施。鐵路負荷分散，不同設備差別較大，優先采用配電所集中補償方式，特殊設備就地補償，保持變壓器低壓側功率因數不低于0.95。

4.6 諧波抑制

隨著計算機聯鎖、遠動系統等非線性設備的大量使用，鐵路供配電系統的諧波問題日益嚴重，其主要諧波源有：照明設備、電子計算機設備、整流設備和空調等。設計中應根據諧波源性質、諧波水平等綜合比選補償措施，包括：加裝串聯電抗器、改善三相不平衡度、加裝有源或無源濾波器等。

4.7 綠色照明

照明節能是一項系統工程，要從提高整個照明系統每個環節效率來考慮，現將主要技術措施分述如下。

（1）正確選擇照度標準

新國標GB50034-2004修訂了原來低、中、高3檔照度范圍值，設計時應根據車站等級、功能和鐵路生產等，對視覺的要求參照國標確定合理照度，貫徹“該高則高、該低則低”的原則。

（2）合理選擇照明方式，盡量采用混合照明

（3）使用高光效光源

車站等營運時間幾乎沒有間歇，應考慮充分利用自然光、采用高光效光源，設計中應盡量減少白熾燈、高壓汞燈使用量，一般室內優先采用T8或T5緊湊型熒光燈，并采用節能型鎮流器，站場照明采用金屬鹵化物燈或高壓鈉燈，適當考慮采用發光二極管LED。

（4）采用節能燈具

（5）使用節能型鎮流器

（6）車站、站場照明自動控制

根據建筑規模及功能要求，設置相應的智能自動控制系統，對不同時間不同環境的照度進行精確設置及管理，按需進行調光或降低照度，節電效果較明顯。此外，還可改善燈具運行工作條件，從而延長燈具壽命，降低運維成本。

5 結束語

21世紀是節能、環保、低碳的世紀，設計人員應在節能減排等領域擔負起時代責任，設計中合理采用節能技術、產品，優化設計方案，為建設資源節約型社會做出貢獻。