分析地鐵列車制動(dòng)電阻的種類和選擇

      地鐵客車的運(yùn)行特點(diǎn)是站距短,列車運(yùn)行密度高,起制動(dòng)頻繁,制動(dòng)減速度大。具有控制精確、制動(dòng)平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)的再生制動(dòng)已經(jīng)在地鐵的客車中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國內(nèi)外軌道交通的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20% 及以上。這些再生能量除了按一定比例(根據(jù)列車行車密度和區(qū)間距離的不同而異)被其他相鄰列車吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,將導(dǎo)致地鐵直流電網(wǎng)電壓大幅度升高, 會(huì)威脅牽引電網(wǎng)及列車行車安全。
 
      雖然國內(nèi)外進(jìn)行了一些列車再生能量回收技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)踐,如超級(jí)電容、飛輪等, 但這些技術(shù)目前還屬起步階段,尚無法大量應(yīng)用。在這些技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破前,多余的再生制動(dòng)能量仍將以電阻消耗為主。

      一、地鐵列車制動(dòng)電阻的種類
      1、按制動(dòng)電阻冷卻形式分類
      制動(dòng)電阻在消耗列車多余的再生能量時(shí), 其產(chǎn)生大量的熱能必需散發(fā)到大氣中去。因此, 若不能采取有效的散熱手段, 制動(dòng)電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動(dòng)電阻內(nèi)部, 在很短的時(shí)間內(nèi)就足以導(dǎo)致制動(dòng)電阻燒損。按冷卻形式,制動(dòng)電阻可分為強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻和自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻兩類。

      A、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻
      強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動(dòng)電阻元件封閉在一個(gè)通風(fēng)風(fēng)道內(nèi); 風(fēng)道的一端安裝有一臺(tái)風(fēng)機(jī), 另一端通向大氣; 電阻帶平行于通風(fēng)方向布置, 以利于減小風(fēng)阻和提高散熱效率。此種制動(dòng)電阻的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕, 便于在車輛上安裝而不占用過多的設(shè)備安裝空間, 因而適用于安裝空間有限而制動(dòng)功率較大的情況。但由于其需要一臺(tái)用于散熱的風(fēng)機(jī), 必然會(huì)增加列車的能量消耗和噪聲; 另外, 為確保通風(fēng)正常、防止制動(dòng)電阻燒損, 還必須安裝風(fēng)壓監(jiān)控及溫度監(jiān)控裝置。因此, 雖然其初期投資成本在各種制動(dòng)電阻中是最低的, 但長期應(yīng)用成本較高。

      B、自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻
      自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動(dòng)電阻元件布置在一個(gè)相對(duì)開放(滿足基本的外部防護(hù)要求) 的框架內(nèi); 電阻帶垂直于地面布置以利于空氣自然對(duì)流換熱。

      由于不需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱, 不需要額外的能量消耗, 而且由于其結(jié)構(gòu)最為簡單, 故障率很低,不需要額外的監(jiān)控裝置, 因此長期應(yīng)用成本較低。但由于其采用自然通風(fēng)冷卻, 必然需要很大的空間布置電阻帶, 且質(zhì)量大, 因而只適用于制動(dòng)功率較小且具有足夠設(shè)備安裝空間的場(chǎng)所。此外, 此種制動(dòng)電阻為增加電阻帶熱容量, 電阻帶使用量也大大增加, 初期投資成本也因而大大增加。

      2、按制動(dòng)電阻安裝位置分類
      目前, 國內(nèi)外絕大多數(shù)地鐵列車的制動(dòng)電阻均采用車載制動(dòng)電阻方式, 也有部分城市軌道交通的線路制動(dòng)電阻直接掛接在牽引變電所直流母線而安裝到地面上。

      A、車載型制動(dòng)電阻
      車載型制動(dòng)電阻分散安裝在各動(dòng)車底板下。同時(shí), 制動(dòng)斬波器須集成在VVVF 逆變器, 可直接檢測(cè)線電壓, 因而控制較為容易, 列車運(yùn)行較為靈活可靠。由于車載型制動(dòng)電阻只需要考慮本列車多余再生制動(dòng)能量的吸收, 因此體積和容量均不大。雖然其產(chǎn)生的熱量會(huì)帶來隧道和站臺(tái)內(nèi)的溫升問題, 但單列車產(chǎn)生的熱量對(duì)線路環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加有限。由于需安裝在車輛上, 必然要占用有限的設(shè)備安裝空間, 增加了車輛的質(zhì)量以及購置、維護(hù)成本。

      B、地面型制動(dòng)電阻
      若采用地面型制動(dòng)電阻, 每個(gè)牽引變電所均須安裝一套, 并須有配套的制動(dòng)控制系統(tǒng)。地面型制動(dòng)電阻可安裝在地下牽引變電所內(nèi), 也可單獨(dú)安裝在地上。它通過檢測(cè)直流母線電壓調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比而改變制動(dòng)電阻消耗功率。但其制動(dòng)控制系統(tǒng)的控制難度大, 使列車運(yùn)行可靠性降低。由于在一個(gè)牽引變電所供電范圍內(nèi)有數(shù)列列車運(yùn)行, 需要消耗的制動(dòng)能量大大增加, 因此制動(dòng)電阻體積和容量龐大; 同時(shí), 由于產(chǎn)生的大量熱量集中排放, 必須有制動(dòng)電阻專門的散熱環(huán)控設(shè)備。這些設(shè)備占用了線路的有限空間, 使地鐵的建設(shè)成本也有所增加。另外,地鐵線路一般位于城市繁華區(qū)段, 在地上安裝制動(dòng)電阻的成本將更加高昂, 且會(huì)影響周邊環(huán)境。

      二、地鐵列車制動(dòng)電阻種類的選擇
      由于各種制動(dòng)電阻各有優(yōu)缺點(diǎn),因此在地鐵線路設(shè)計(jì)時(shí), 就要綜合考慮線路的地理?xiàng)l件、對(duì)環(huán)境的影響、列車制動(dòng)能量等系列因素,并對(duì)各制動(dòng)電阻方案進(jìn)行全壽命周期成本分析, 以選擇最適于該線路條件、全壽命周期成本最少的方案。

      另外,合理安排列車發(fā)車間隔時(shí)間, 使列車制動(dòng)時(shí)相鄰列車運(yùn)行于同一牽引變電所供電范圍內(nèi)且處于牽引工況, 可最大限度利用再生制動(dòng)能量, 減少制動(dòng)電阻上的電能消耗, 從而可選擇功率、體積更小的制動(dòng)電阻,以降低制動(dòng)電阻采購和使用成本。例如, 某地鐵線路由于大部分位于人口稠密的繁華地段,人流量較大, 為了減少建設(shè)成本同時(shí)減少對(duì)周邊居民環(huán)境的影響, 選擇車載制動(dòng)電阻類型; 由于車底設(shè)備安裝空間有限, 選擇了占用空間較小的強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻。