城軌交通系統地面吸能裝置應用分析

祖 健，韓鳳喜，高 雪

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000；2.青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000）

0 前言

國內城軌交通線路的大力發展，以其安全、舒適、環保、準時、運量大等諸多優點，對改善出行、解決道路擁堵、減少空氣污染、加快調整城市布局效果顯著。城軌車輛在制動時會產生大量能量，該能量往往被傳統車輛上攜帶的制動電阻所消耗。車載制動電阻的方式，既阻礙列車的輕量化和運動性能，又不符合節能環保的發展趨勢。現階段已有諸多城市線路在地面設置了地面吸能裝置，進而取消車載制動電阻，提高了車輛性能、改善隧道環境并降低車輛成本。甚至可將車輛制動能量反饋公共電網以達到能量回收利用的作用。地面吸能技術日趨成熟，但也存在不可忽視的問題。文獻[1-2]介紹了地面制動電阻和深圳地鐵2號線工程再生電能吸收裝置方案，凸顯了地面制動電阻具有結構簡單、易于維護以及可靠性高等優點，提出合理解決制動電阻的通風散熱問題是方案關鍵。文獻[3]介紹了幾種地面吸能技術和原理，并以北京地鐵10號線應用為例，研究了其能量回饋效果和供電品質。文獻[4]以廣州地鐵4號線地面制動電阻為例，介紹了牽引變電所地面制動電阻的原理和技術參數，提出其控制要適應列車制動特性和行車要求。本文介紹了國內城軌交通系統設置地面吸能裝置的應用情況，介紹了工作原理和不同吸能方式的優勢與存在問題，為國內地鐵車輛設計和使用提供參考。

1 城軌交通系統地面吸能應用情況

通過實地考察了國內若干城市，了解到城軌交通系統設置地面吸能裝置相關應用情況，同時梳理了車輛設置車載制動電阻的情況。

1.1 北京

北京地鐵自5號線（2007年10月8日開通）以后的線路開始，已全部取消車載制動電阻，主要包括4、8、14、15、16號線和昌平線二期，車輛上僅保留用于“削峰”的小容量過壓保護電阻。其中，15號線西段關莊至清華東路7站中每隔一站安裝一臺地面能饋裝置（共4個站），中間站安裝地面吸收電阻（3站），截至2017年1月1日已運營兩年。昌平線二期，全線安裝地面能饋裝置，已運營兩年。北京16號線，全線安裝地面能饋裝置，已運營近1年。詳細信息如表1所示。

表1 北京地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應用情況

1.2 重慶

重慶地鐵正在運營的4條線路均不設車載制動電阻，車輛上僅保留小容量的過壓保護電阻。2號線全線安裝地面電阻吸收裝置，已運營12年。1號線、3號線和6號線全線安裝地面能饋/電阻混合吸收裝置，已分別運營6年、4年和2年。詳細信息如表2所示。

1.3 鄭州

鄭州地鐵正在運營的3條線路均不設車載制動電阻，車輛上僅保留尺寸較小的過壓保護電阻。1號線一期全線安裝地面能饋/電阻混合吸收裝置，已運營4年，二期全線安裝地面能饋裝置，預計2018年開通。2號線全線安裝地面電阻吸收裝置，已運營1年。城郊線安裝地面能饋裝置，于2017年開通。詳細信息如表3所示。

表2 重慶地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應用情況

表3 鄭州地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應用情況

1.4 青島

目前，青島地鐵3號線已正式運營，4條線路正在建設，其中13號線全線設置地面能饋裝置，3號線在匯泉廣場站設置了1套地面能饋裝置，在延安三路站設置了一套超級電容儲能裝置。詳細情況見表4。

表4 青島地鐵應用現狀

1.5 其他城市

通過其他方式，調研了廣州、南京、天津、昆明、長沙、成都等城市地鐵取消車載制動電阻及地面能饋應用情況。廣州4、5、6號線因為使用直線電機取消了車載制動電阻，使用地面吸收裝置；長沙和成都在建線路有取消車載制動電阻的趨勢，其中長沙使用地面能饋裝置。其他城市都保留了車載制動電阻，使用能饋裝置處于試驗階段。其他城市調研情況見表5。

表5 其他城市取消車載制動電阻及地面能饋應用情況

2 吸能方式比較分析

不設置車載制動電阻，車輛制動過程中所產生的電制動能量主要通過以下幾種方式進行吸收，具體情況如下。

2.1 僅地面電阻吸收方式

重慶1號線、鄭州2號線采用了這種吸收方式。該方式控制簡單，可以取消車載制動電阻，降低車輛投資，提高列車動力性能；能夠降低隧道溫度、優化隧道環境，減小散熱和通風設備的壓力；國內產品成熟，成本較低。

再生制動能量直接通過地面電阻吸收集中發熱消耗掉，無法進行再利用；地面電阻散熱會引起環境溫度上升，如果裝置設置在地下變電所內，電阻柜需單獨放置，并安裝通風裝置散熱；若電阻設置在地面上，散熱、噪音問題會影響周圍環境。從節能環保的角度，不代表再生制動能量吸收技術的發展方向。

圖1 地面純電阻吸收

2.2 僅地面能饋裝置吸收方式

北京16號線、昌平線二期，鄭州1號線二期、城郊線采用了這種吸收方式。該方式可以最大限度的將線路上車輛無法吸收，多余的再生制動能量，進行回收再利用，且不產生高熱。從綠色環保的角度來看，這是未來再生制動能量吸收技術的發展方向，目前受產品材料、電力電子器件及技術成熟度的制約，全面推廣還存在一些困難。

圖2 地面能饋裝置吸收

2.3 地面電阻與能饋裝置共同吸收方式

重慶2、3、6號線，北京15號線，鄭州地鐵1號線一期采用這種吸收方式。地面能饋/電阻混合吸收方式能夠將部分再生制動能量，進行回收再利用，實現節能環保。其他特點同僅地面電阻吸收方式描述。此種方式在工程應用中需要處理好地面能饋裝置與吸收電阻的容量匹配關系。

圖3 地面電阻和地面能饋裝置共同吸收

2.4 地面電容裝置吸收方式

電容吸收方式由快速斷路器、電壓傳感器、蓄能電容等構成。電容并聯在電網上，若列車處于再生制動使電網電壓抬高時，電容通過開始吸收該部分能量（電網向電容充電）。電容吸收方式主電路原理見圖4所示。

由于電容頻繁處于充、放電狀況，電容的使用壽命短；由于短時吸收功率大，組合電容多，設備占地面積大、維護工作量繁重；而且提高了運營成本。蓄能電容吸收率一般在50%～60%，如果要應用在制動能量比較大的線路，蓄能電容充滿電后將無法吸收更多電能，還必須增加電阻吸收。因此電容吸收方式應用很少。

3 地面吸能裝置優勢

3.1 車輛優勢明顯

3.1.1 車輛減重

傳統城軌車輛一般配置4臺車載制動電阻，約300～500千克/臺。取消后單列車車重降低約1.2～2噸，降低車輛約2%的供電能耗，增加車輛動力性能，增加25人的運載能力。

3.1.2 降噪

車載制動電阻發熱嚴重，需要大功率風機散熱，噪音較大，取消制動電阻和散熱風機會使車輛噪音降低，改善車輛的環境質量。

3.1.3 降低隧道溫升

車載制動電阻發熱會使隧道和車站環境溫度升高，根據測量數據，制動電阻運行溫度約200℃，工作時出風口1米處的溫度可以達到130℃，隧道內環境溫度會顯著升高。取消車載制動電阻可以降低隧道溫升，改善隧道環境，降低散熱通風設備的能耗，環控負荷可降低約50%。

3.1.4 提升車輛可靠性和安全性

取消車載制動電阻可以簡化牽引系統，提升系統可靠性，減少車輛維護的工作量；降低車輛火災隱患，提升運營的安全性。

3.1.5 降低車輛采購成本

降低車輛的一次采購成本，每列車制動電阻總造價約40萬元，可削減此部分費用；制動電阻數量不會隨車輛配置數同步增加，節省投資。

3.2 地面能饋裝置情況

3.2.1 能饋裝置的類型

目前能饋裝置主要分為低壓能饋裝置和中壓能饋裝置，低壓能饋裝置將再生制動能量回饋到AC400V低壓交流網側，如重慶地鐵2、3、6號線；中壓能饋裝置將再生制動能量回饋到10 kV或35 kV中壓環網上，如北京地鐵15、16號線，昌平線二期，鄭州地鐵1號線、城郊線。低壓能饋和中壓能饋裝置特點如下。

低壓能饋裝置將再生制動能量回饋到AC400V低壓交流網側，供動力照明使用，由于動力照明系統消耗能量有限，因此低壓回饋裝置普遍容量不高，一般在1 MW以下，需配合地面吸收電阻使用，能量主要還是通過熱能形式消耗。

中壓能饋裝置將再生制動能量回饋到10 kV或35 kV中壓環網，通過中壓供電網絡，由相鄰站的車輛、動力照明系統使用其電能，達到最大的能量回收再利用效果。目前國內使用的中壓能饋裝置的容量最大可到4 MW左右。

3.2.2 能饋裝置可靠性

由于電子器件更多，控制更復雜，能饋裝置的故障率略高于地面吸收電阻。故障后設備會自動從電網中切除，相對較多的故障包括IGBT短路擊穿、過流、過壓故障等。由于線路上其他車輛和能量吸收裝置的存在，單個能饋裝置故障切除不會影響車輛日常運營。地鐵用戶普遍反映：上線列車數量越多，能饋裝置使用率越低，故障率相應減少。能饋裝置在投入使用前，需要先單獨完成調試，再與車輛進行配合試驗，確保相關參數設置匹配和性能最優。

3.2.3 能饋裝置檢修維護

地面能饋裝置的日常維護主要是清掃工作，與變電所內其他電氣設備一同大修。一般來說10～13年需要大修一次，檢修時切除單站的能饋裝置，完成檢修后重新掛網運行，再檢修下一站。3.2.4能饋裝置成本和效益

受線路條件、車輛密度、能饋裝置類型和容量等條件的影響，不同城市能饋裝置的節電數據差異較大。北京10號線使用中壓能饋裝置，年節約電能65萬度；14號線使用中壓能饋裝置，年節約電能80萬度；鄭州地鐵1號使用中壓能饋裝置，線年節約電能35萬度；重慶地鐵1、3、6號線使用低壓能饋裝置，年節約電能10～20萬度。可見中壓能饋裝置節能效果更好。根據本次調研的數據，單套中壓能饋設備價格在200萬左右，以北京10號線為例，年節約電能65萬度，一度電的價格為0.8元左右，每年節省電費50萬元，4～5年即可收回設備成本。能饋裝置壽命大概為10年。

3.2.5 能饋裝置可以雙向運行

能饋裝置一般作為能量回饋裝置使用，實際具備整流供電功能，可以為牽引網提供電能。長沙1號線即開啟了能饋裝置的供電功能，在牽引網電壓低于閾值時，主動開啟穩定牽引網電壓。雙向供電是能饋裝置未來的趨勢，可以部分或完全替代二極管整流機組。

3.3 能量回收

能饋吸收方式則是利用電力電子器件構成逆變器，將車輛再生制動產生的電能逆變成工頻交流電饋送交流35 kV電網、10 kV電網，或380 V交流電與車站內380 V電網并網，消耗在站內電梯、通風、照明等用電設施上。采用能饋吸收方案有利于能源的綜合利用，實現節能。實測鄭州某一牽引供電所單日回收發電量800～1 000 kWh，如表6。

表6 鄭州地鐵某一牽引供電所日發電量

4 總結建議

綜上所述，城軌交通系統設置地面吸能裝置，可以取消車載制動電阻，具有節能環保、提高能效等優勢。地面電阻吸能技術較成熟，是城軌車輛的穩定運行的保障；而能饋吸能技術具備節能優點，是吸能技術的發展方向，前景廣闊；而單一能饋技術存在可靠性不高、造價高等問題，是全面推廣所必須面對和解決的問題。

參考文獻：

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