高速鐵路牽引供電系統能耗計算及節能評估

楊 璠

（中交鐵道設計研究總院有限公司 機電設計分院，北京 100088)

高速鐵路動車組列車功率大、發車間隔小、行車密度高，因而導致高速鐵路耗電量巨大。通常高速鐵路牽引用電負荷占其總耗能的80% ～ 90%左右[1-2]，其余為輔助生產能耗占比。在當前我國建設資源節約型社會的背景下，開展節能設計和評估顯得尤為重要。為此，從系統節能設計的理念出發，通過全面分析和計算高速鐵路牽引供電系統各個環節的能耗，提出一種針對牽引供電系統的節能評估流程和方法，并結合案例進行節能評估分析。

1 高速鐵路牽引供電系統及節能評估現狀

高速鐵路牽引供電系統由牽引變電所(主要耗能設備為牽引變壓器)、自耦所(主要耗能設備為自耦變壓器)、牽引網等構成，其作用是將電能從地方電網安全可靠地輸送到動車組上，為動車組高速運行提供持續強大的電能。電能輸送過程中95%的電能都由動車組列車消耗，另有5%的電能損失由高壓輸電線路、牽引變壓器、自耦變壓器及接觸網的有功和無功損耗組成。由于動車組列車采用再生制動方式，當列車制動時，一部分電能可以反饋回接觸網，被線路上的其他列車吸收。牽引供電系統能量流向如圖1所示。

圖1 牽引供電系統能量流向Fig.1 Schematic diagram of the energy flow direction of traction power supply system

目前高速鐵路節能評估只是提供各類能耗設備種類和數量清單、年用電量和需用功率計算等內容，缺乏系統性和完整性。體現在以下方面：①節能評價對終端設備(動車組列車)的耗電量比較關注，但對電能損失環節的節能措施和節能效果的評估重視不足；②動車組列車及牽引供電系統能耗數據缺少應有的計算過程，主要技術標準及設計方案的確定很少從節能角度進行方案比選；③新工藝、新技術與常規設備相比，節能效果缺乏量化評估手段[3]。

2 高速鐵路牽引供電系統節能評估

高速鐵路牽引供電系統節能評估主要包括牽引供電系統能耗計算、系統方案節能設計評估、節能措施及效果評價等主要環節。牽引供電系統節能評估流程如圖2所示。

圖2 牽引供電系統節能評估流程Fig.2 Flow chart of energy-saving evaluation for traction power supply system

2.1 牽引供電系統能耗計算

對高速鐵路牽引供電系統主要設備能耗進行計算是節能評估的前提和基礎。牽引供電系統能耗計算主要包括動車組能耗計算，以及牽引網、牽引變壓器、自耦變壓器電能損失計算等內容[4]。

（1）動車組能耗計算。動車組運行耗電量計算公式如下。

式中：Qy1為動車組能耗，kW·h；Uw為受電弓處網壓，V；Ip為時間間隔內動車組的平均有功電流，按動車組手柄位速度取值，A；Ip0為自用電有功電流，A；t為相應工況時間，min。

（2）牽引供電系統電能損失。牽引供電系統的電能損失由牽引網電能損失、牽引變壓器電能損失及自耦變壓器電能損失組成。根據《牽引供電系統電能損失的計算條件和方法》(TB/T1653-1996)，牽引供電系統電能損失計算公式如下。

①牽引網電能損失計算。雙線區段AT供電方式牽引網電能損失計算公式如下。

式中：ΔAj為牽引網電能損失，kW·h；I為供電臂內列車平均電流，A；L為供電臂長度，km；Ni為各種類型列車對數，對/d；tgi為列車通過供電臂的帶電時分，min；RL為牽引網長回路等值單位阻抗的有效電阻，Ω/km；RL′為牽引網AT段中等值單位阻抗的有效電阻，Ω/km；n為供電臂內的AT段數；P為AT段的平均帶電概率；D為AT段的平均長度，km；T為計算時間，min；V為列車類型數。

②牽引變壓器電能損失計算。牽引變壓器的損耗包括空載損耗、負載損耗2部分?？蛰d損耗主要為鐵損，包括磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗與頻率成正比，與最大磁通密度磁滯系數的次方成正比；渦流損耗與頻率、最大磁通密度、矽鋼片厚度三者的積成正比。負載損耗主要為負載電流通過繞組時在電阻上的損耗，一般稱銅損。負載損耗大小隨著負載電流而變化，與負載電流的平方成正比，用標準線圈溫度換算值來表示。負載損耗還受變壓器溫度的影響，同時負載電流引起的漏磁通會在繞組上產生渦流損耗，并在繞組外的金屬部分產生雜散損耗。牽引變壓器空載損耗計算公式如下。

式中：ΔAC為牽引變壓器年空載電能損失 ，kW·h；ΔPCN為變壓器額定空載損耗，kW。

牽引變壓器負載損耗計算公式如下。

式中：ΔAt為變壓器額定負載電能損失，kW·h；It為牽引變壓器負荷有效電流，A；I2N為牽引變壓器二次側繞組額定電流，A； ΔPtN為變壓器額定負載損耗，kW。

③自耦變壓器電能損失計算。自耦變壓器負載損耗公式如下。

式中：ΔAatt為自耦變壓器額定負載電能損耗 ，kW·h；Iat為自耦變壓器負荷有效電流，A；INat為自耦變壓器二次側繞組額定電流，A；ΔPatN為自耦變壓器額定負載損耗，kW。

自耦變壓器空載損耗公式如下。

式中：ΔAatc為變壓器額定空載電能損失，kW·h；ΔPacN為自耦變壓器額定空載損耗，kW。

④牽引供電系統電能損失。牽引供電系統電能損失等于牽引網、牽引變壓器、自耦變壓器電能損失之和。需要說明的是，按照現行《牽引供電系統電能損失的計算條件和方法》，牽引供電系統按全年365 d不間斷運行時間即8 760 h計算，參考高速鐵路運輸組織計劃，每天均有4 h的天窗時間，因此，實際計算中，一條高速鐵路全年不間斷運行時間按7 300 h計算[5]。

2.2 牽引供電系統節能評估

從動車組列車選型、供電方式、供電電壓、牽引變電所的分布方案、牽引變壓器選型、牽引變壓器安裝容量等方面對高速鐵路牽引供電系統進行節能評估。

（1）動車組列車選型。動車組列車由于采用了交直交傳動技術，其功率因數更高、諧波含量更小，在動車組滿負荷運行時，其功率因數與1相近，因而無需添加任何無功補償裝置。功率因數較高，可大幅度減小供電系統運行過程中的電能損耗，從而減少無功電能的產生，進一步提高牽引變電所的功率因數，降低牽引網的電壓損失和功率損耗。此外，交直交型動車組列車采用再生制動方式，下坡時優先采用再生制動，此種制動裝置可以將電能反饋至接觸網，從而被正在取流的動車組利用。由于通常情況下高速鐵路緊坡地段長且連續設置，下坡地段時列車基本為制動狀態，因此再生制動產生的電能被上坡取流的動車組所使用，相比傳統電阻制動或機械制動類機車來說，其節能效果更為明顯。動車組列車選型節能評估應符合《鐵路工程節能設計規范》的要求，從速度目標值、牽引功率、牽引定數和能耗分析綜合考慮，設計方案所推薦的動車組應有利于節約能源[6]。

（2）供電方式。設計應從節能角度進行牽引網供電方式的比選。設計所推薦的牽引網供電方式應有效降低牽引供電系統各個環節的電能損失。

（3）牽引變電所的分布方案。牽引變電所分布方案在滿足供電能力基礎上應充分考慮地方電源輸電線長度，牽引變電所應靠近負荷中心設置并盡量靠近電源點，以減少電源線路損耗；供電臂長度適宜，減少牽引負荷在牽引網上的電能損失；牽引變壓器總安裝容量較低，可有效降低基本電費支出及變壓器電能損失等。

（4）供電電壓。供電電壓節能評估內容包括供電電壓具備較強的功率傳輸能力和負序諧波承受能力，能更好地適應供電需要；符合地方電網現狀與規劃，滿足高速鐵路項目主要技術標準和運輸需求，同時有利于減少輸電線路損耗。

（5）牽引變壓器選型。牽引變壓器類型的空載損耗、負載損耗應滿足《電氣化鐵路牽引變壓器技術條件》(TB/T3159)有關規定，評估項目選用的設備宜為同類產品中達到先進水平的低損耗、高能效設備。

（6）牽引變壓器安裝容量。根據目前國家對電氣化鐵路的兩部電價政策，牽引變壓器安裝容量小，可以節省基本電費支出，有利節能。牽引變壓器安裝容量節能評估應符合《鐵路工程節能設計規范》6.0.7條“ 牽引變壓器安裝容量應按交付運用后第5年的運量確定，并應充分利用其過負荷能力”的要求。

2.3 其他節能措施及效果評估

高速鐵路處于鐵路技術領域前沿，隨著新技術及新材料的不斷涌現，牽引供電系統的設備材料選型存在更新換代的可能。因此，應進一步評估高速鐵路牽引供電系統節能新技術及新材料的推廣應用情況，論證新技術應用的可靠性和有效性。

3 案例分析

某高速鐵路全長174 km，全線共設10個車站，設計動車組列車最高運行速度250 km/h。牽引供電系統正線采用2×25 kV(AT)供電方式，全線共設置4座牽引變電所，新建牽引變電所采用兩路220 kV電源供電。接觸網采用全補償彈性鏈形懸掛，正線接觸線采用150 mm2銅合金接觸線，承力索采用120 mm2銅合金絞線。該高速鐵路能耗計算及節能評估過程如下。

3.1 能耗計算

（1） 動車組列車能耗計算。結合運輸組織需求，設 計 本 線 開 行CRH1型、CRH2-200型 及CRH5型動車組列車，采用《列車牽引電算軟件2.5版》模擬計算得出不同型號動車組列車能耗。最高運行速度為250 km/h時，不同型號動車組列車能耗比較如表1所示。

表1 不同型號動車組列車能耗比較 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption for different models of EMU trains

（2）牽引供電系統電能損失計算。牽引供電系統各區段電能損耗如表2所示。

匯總牽引運行用電量及牽引供電系統損耗，牽引能耗匯總如表3所示。

表3 牽引能耗匯總Tab.3 Summary of traction energy consumption

考慮牽引動力設備的效率，可以估算出設備最終輸出的有用功。設計綜合考慮各類牽引動力設備效率，按85%計算，折合有效能耗為標煤26 450.14 t /a。

3.2 系統方案設計節能評估

（1）動車組類型。由表1可知，最高運行速度250 km/h時， CRH2-200型動車組能耗最低，其次是CRH1型和CRH5型動車組。經評估，采用CRH型動車組可以滿足該線要求，符合《鐵路工程節能設計規范》2.0.9條“ 機車宜采用交直交型和使用再生制動技術”的要求。從速度目標值、牽引功率、牽引定數和能耗分析綜合考慮，最高運行速度250 km/h時，CRH2-200型動車組能耗比CRH1型和CRH5型動車組低。

（2）牽引網供電方式。該高速鐵路牽引供電系統采用單相工頻(50 Hz)交流制，接觸網額定電壓為25 kV，牽引網供電方式可以采用帶回流線的直接供電方式或AT供電方式。2種供電方式技術特點比較如下：帶回流線的直接供電方式供電可靠性高，施工方便，維修工作量小，一次性投資較低，單線區段單上回流線屏蔽系數可達0.7 ～ 0.8，復線區段可達0.4 ～ 0.5。該種供電方式接觸網電壓水平較高，電能損失較小，接觸網結構較簡單，在滿足防干擾要求時宜采用。缺點是供電距離短，牽引變電所數量多，牽引網及牽引變壓器損耗較大。AT供電方式對通信線路的干擾影響小，供電質量高，牽引變電所數量少，能減少電力系統的輸變電工程，降低線路損耗，在要求供電質量高的繁忙干線、高速鐵路及電力系統電源點較少區段，有充分的優越性[7]。但該種供電方式結構復雜，每隔一定間隔必須并入自耦變壓器，增大了牽引供電系統的投資，供電設備要求高，運營維護困難。經過評估：該高速鐵路在局部地段坡度較大，且開行16輛編組動車組列車，列車運行速度快，功率大，行車間隔小，牽引負荷較重，采用AT供電方式能顯著減少牽引網電能損失，有利節能。由表3可知，推薦方案牽引網電能損失占牽引能耗的4.49%，節能效果較好。

（3）牽引變電所分布方案。結合高速鐵路樞紐及地區供電方案，設計了4個全線供電方案進行技術經濟綜合比選。牽引變電所分布方案節能參數比較如表4所示。根據表4，從節能設計角度分析，方案3節能效果最好，其次是方案1。實際工程中，由于方案3的設所條件相當困難，樞紐內也不具備設置AT分區所的條件，故方案3無法實施。在可實施方案中，方案1在5年期的耗電量及電能損失為最低。因此，評估認為設計推薦的方案1能夠較好地服務于該項目，同時利于節約能源。

表4 牽引變電所分布方案節能參數比較Tab.4 Comparison of energy saving parameters of traction substation distribution scheme

（4）供電電壓。該項目外部電源進線選擇220 kV，其供電可靠性、供電能力和電能質量較采用110 kV電壓等級有很大提升，同時具備了更強的功率傳輸能力和負序諧波承受能力，能更好地適應線路供電需要。沿線220 kV電網總體較發達，220 kV變電站較多，符合地方電網現狀與規劃，滿足項目主要技術標準和運輸需求，同時有利于減少輸電線路損耗，節約能源。牽引供電系統接入短路容量大的公共電源點，公共連結點的短路容量大于2 500 MVA，公共連結點處的電壓不平衡度滿足國家標準的要求。評估認為：該供電電壓符合《鐵路工程節能設計規范》6.0.5條“牽引變電所進線電源電壓，客運專線鐵路正線應采用220 kV及以上電壓等級”的要求，有利于節約能源。

（5）牽引變壓器選型。根據目前國家對電氣化鐵道的兩部電價政策，對牽引變壓器的安裝容量按月收取基本電費。該線采用單相變壓器以及三相Vv結線牽引變壓器(由2臺單相牽引變壓器構成Vv結線方式)可有效提高變壓器容量利用率，有利節能。此外，該項目采用優質進口硅鋼片制作鐵芯可大大降低磁路損耗，增大導磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。推薦采用的卷鐵芯牽引變壓器改變了傳統疊片式鐵芯結構，硅鋼片連續卷制，鐵芯無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少了60% ～ 80%[7]；充分利用硅鋼片的取向性，空載損耗降低20% ～ 30%，提高了功率因數，降低了電網線損。該項目選用的牽引變壓器主要技術指標及損耗水平如表5所示，自耦變壓器主要技術指標及損耗水平如表6所示。

表5 牽引變壓器主要技術指標及損耗水平Tab.5 Main technical indexes and loss level of traction transformers

表6 自耦變壓器主要技術指標及損耗水平Tab.6 Main technical indexes and loss level of autotransformers

綜合以上分析，該項目采用的新型卷鐵心牽引變壓器，其產品均可滿足《電氣化鐵路牽引變壓器技術條件》(TB/T3159)有關規定，選用的設備為同類產品中達到先進水平的低損耗、高能效設備。

（6）牽引變壓器安裝容量。該項目牽引變壓器容量是根據交付運營后第5年需要通過能力、動車組類型、列車牽引質量和追蹤間隔等條件計算，并按4 min追蹤平行圖進行校驗，充分利用牽引變壓器過負荷能力確定校核容量，牽引變壓器過負荷倍數取為2.0。由表3可知，牽引變壓器、自耦變壓器的電能損失分別占牽引能耗的1.74%，0.28%， 取得了較好的節能效果。評估認為：該項目牽引變壓器容量及自耦變壓器選擇合理，有利于節約能源。

（7）其他措施和相關設備節能評估。該項目各新建AT分區所及AT所兩供電臂上、下行間采用雙極斷路器相聯，實現上、下行并聯供電。220 kV斷路器采用成熟可靠、故障率小的SF6型斷路器。2×27.5/27.5 kV斷路器采用戶外真空斷路器，并配彈簧儲能操動機構，有利于降低操作功率。接觸網采用全補償彈性鏈形懸掛，相較其他線路采用全補償簡單鏈形懸掛和載流承力索，可減少單位阻抗、降低牽引網電能損失，減少能耗[8]。接觸線采用鎂銅合金接觸線，承力索采用銅合金絞線，符合《鐵路電力牽引供電設計規范》(TB 10009-2016)中“接觸線宜采用銅合金接觸線、承力索宜采用銅合金絞線”的規定。鎂銅合金接觸線抗拉強度高、耐高溫性能好，為我國速度300 km/h及以上的高速鐵路接觸網主流產品，能夠減少運營維護工作量，延長大修周期，間接減少能耗[9]。

4 結束語

從動車組列車的選型、牽引供電方式、變壓器容量及類型、牽引變電所布點方案、主要供電設備及接觸網選型等方面對高速鐵路牽引供電系統的節能效果進行評估，為工程節能設計及項目節能管理提供依據。在供電方案選擇和主要技術標準的確定過程中，應以節能效果為主要考慮因素，將節能設計理念滲透至設計全過程，從而最大限度地降低牽引供電系統的電能損耗，以適應我國高速鐵路向綠色節能發展的需求。