剖析地鐵列車制動電阻的設(shè)置 摘 要：通過對國內(nèi)目前地鐵列車制動電阻設(shè)置的調(diào)查,結(jié)合地鐵線路的實(shí)際運(yùn)營情況,分析實(shí)測車輛再生回饋電量、制動電阻上的消耗電量。
關(guān)鍵詞： 地鐵列車 制動電阻
經(jīng)粗略統(tǒng)計,2008年全國各城市通過招標(biāo)簽訂合同的地鐵車輛就達(dá)1 500 輛左右,未來10 年國內(nèi)的需求將超過1 萬輛。因此,對車輛的每一項(xiàng)設(shè)備和技術(shù)都應(yīng)該認(rèn)真研究和精密計算。
據(jù)了解，北京1、2 號線的電阻車在奧運(yùn)會前大多已經(jīng)更新,上海1號線的直流車正在進(jìn)行交流化改造,全國各條地鐵線的車輛都采用了先進(jìn)的交流傳動技術(shù),其優(yōu)良的性能可使?fàn)恳娔艿脑偕蔬_(dá)到40%左右,節(jié)能效果十分顯著。然而,由于線路的行車密度等多種因素,正在線路上進(jìn)行再生制動的列車能量并不一定能被完全吸收,此時巨大的能量得不到釋放,將會使供電網(wǎng)的電壓急劇上升。
為此,在列車上設(shè)置斬波器和制動電阻,讓電能通過電阻變成熱能,使地鐵列車能夠充分使用電氣制動,可避免摩擦制動。然而,制動電阻使用雖然方便,但也有缺點(diǎn),如體量大、散熱于洞內(nèi)、使洞內(nèi)溫度逐年升高等,因此一直有所爭議。下面從車上制動電阻的設(shè)置、不同的替代方案等方面進(jìn)行探討,提供多種選擇,以節(jié)省資金和能源。
1、是否要設(shè)置制動電阻
對此問題,一直有不同的看法。例如,日本的地鐵列車大多不在車上設(shè)制動電阻,但有些線路也會在牽引變電所設(shè)再生吸收電阻或逆變回收裝置,而在單軌車和直線電機(jī)車輛的運(yùn)行線路上更是如此。根據(jù)文獻(xiàn),一列列車全天運(yùn)轉(zhuǎn)在制動電阻上的耗電為608 kW·h,如20多列列車全部上線則數(shù)量可觀。這部分能量如果由閘瓦磨損來消耗,會對地鐵環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響。
筆者認(rèn)為,作為電氣牽引的地鐵列車,應(yīng)將充分發(fā)揮電氣制動的優(yōu)勢放在首位,不得已才轉(zhuǎn)為摩擦制動。國內(nèi)某大城市一條繁忙的地鐵線路,由于車輛的高速段電制動能力不強(qiáng),致使頻繁使用摩擦制動,列車閘瓦每年更換2次,不僅增加維護(hù)費(fèi)用300多萬元,更使大量閘瓦粉塵充斥隧道,污染環(huán)境,導(dǎo)致電氣設(shè)備故障,甚至造成列車下線,影響正常運(yùn)營。為此,近年來歐洲及日本部分車輛供貨商推出全電制動概念,即從最高速度到制停全程使用電制動,避免摩擦制動。
列車電氣制動的優(yōu)劣在于高速特性,對比80 km /h和8 km /h時的制動能量,兩者相差100 倍。如果列車高速電氣性能差,大量動能需摩擦發(fā)熱消耗,效果自然很差。電阻制動簡單可靠,造價低廉,易為用戶所接受。根據(jù)對節(jié)能裝置的研究[ 3 ] ,即使采用飛輪儲能,仍希望附加電阻制動,以吸收脈沖尖峰能量,確保電網(wǎng)供電安全。對不同的地鐵線路,可以有如下不同的對策。
(1) 如果一條新線開通后,在極短的時間內(nèi)客流即達(dá)到很大,行車間隔縮短至3 min以內(nèi),原則上可以不考慮車上設(shè)制動電阻,但低峰期仍會使用摩擦制動。從綠色環(huán)保角度出發(fā),可考慮在變電所設(shè)小功率吸能裝置[ 5 ]。但是,除特殊情況外,任何一條線路不可能一天總處在高密度狀態(tài)運(yùn)行。
(2) 如果一條線路客流一般,行車間隔在4 min以上,或者是一條規(guī)劃引導(dǎo)型線路,客流偏少會持續(xù)較長時間,列車可設(shè)置一定容量的制動電阻,但絕不是全功率的制動電阻,可以考慮按全功率的40%設(shè)置。以后,可根據(jù)線路的運(yùn)營情況再予降低。
(3) 國內(nèi)的A型車可根據(jù)上述線路情況設(shè)置制動電阻,但容量需參照B 型車適當(dāng)降低,如按全功率的40%考慮,這在當(dāng)前是現(xiàn)實(shí)可行、立竿見影的節(jié)約措施。盡管筆者從安全環(huán)保的角度出發(fā),傾向于設(shè)置制動電阻,但電阻設(shè)于車上或集中設(shè)置在變電所還值得研究。
2、制動電阻的設(shè)置方式
制動電阻可以設(shè)于車上,也可以集中設(shè)于牽引變電所。設(shè)于牽引變電所的制動電阻,也稱為再生吸收電阻。比較兩種設(shè)置方式的利弊,可決定取舍。
3、電阻集中設(shè)置的好處
(1)節(jié)省投資。在每輛動車上設(shè)制動電阻、斬波器,投資多、重量大。從車輛投標(biāo)報價大致測算, A 型車一臺電阻器及斬波器約15萬～20萬元。隨著客流增長,列車數(shù)量增加,投資在不斷增長。以廣州1號線為例,如要達(dá)到2 min的行車間隔,共需37列車在線運(yùn)行,車載電阻設(shè)備價值2 500萬～3 000萬元。而設(shè)置于變電所的電阻和斬波器全線只有幾處,單體容量并不比一列車的制動電阻大多少,且不會隨行車密度的增加而增加,所以它的使用效率高。廣州地鐵1號線有8個牽引變電所,都用吸收電阻時總價約1500萬元。此外,列車上為防止電阻發(fā)熱引起火災(zāi)而增設(shè)的防火、隔熱材料可以取消。
(2) 減輕車輛質(zhì)量。如前所述,每輛車的制動電阻質(zhì)量為370 kg 左右,加上斬波器、材料等,總重接近500 kg,每列車(4M2T)增加質(zhì)量達(dá)2 t。據(jù)香港地鐵技術(shù)人員介紹,列車每增加1 t,全年耗電約增加1萬kW·h。一條線幾十列列車,節(jié)電數(shù)量可觀。以廣州地鐵1號線為例,遠(yuǎn)期每年節(jié)電約74萬kW·h。
(3) 減少風(fēng)機(jī)耗電。車載制動電阻如果自冷,則體積、質(zhì)量大。例如,B型車將制動電阻容量降到全功率的40%左右,由于是自冷,質(zhì)量仍達(dá)366 kg,與A型車電阻質(zhì)量相近。但若采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,風(fēng)機(jī)的耗電量不容小視。以廣州地鐵1號線為例,風(fēng)機(jī)功率1. 4 kW,每天工作17 h 20 min,每列車4個,遠(yuǎn)期32列車上線,每年耗電= 1. 4 ×17. 33 ×4 ×32 ×365 = 113萬kW·h。
(4) 防止地鐵洞內(nèi)溫度逐年上升。國內(nèi)外地鐵數(shù)據(jù)顯示,地鐵洞內(nèi)溫度在逐年上升。列車制動在洞內(nèi)散發(fā)出的熱量最多,除改進(jìn)車輛制動性能、提高列車再生率外,將制動電阻搬出洞外是最有效的方法,這樣可以減少環(huán)控設(shè)備的建設(shè)投資。據(jù)粗略估算,一條17km的地鐵線可因此節(jié)省約5 000多萬元[ 5 ]。
(5)為其他節(jié)能設(shè)備預(yù)留空間。電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能,散逸于大氣,未能再生利用。如何加以利用,綜合國內(nèi)外報導(dǎo),在變電站設(shè)置超級電容、電感、逆變器、蓄電池和飛輪的都有。除輕軌車將電容設(shè)置在車上外,地鐵車輛基本不將節(jié)能裝置載于車上。因此,業(yè)主如果有進(jìn)一步節(jié)能的打算,可預(yù)裝制動電阻于變電站,預(yù)留空間供今后設(shè)置先進(jìn)的節(jié)能裝置用。
(6) 減少維修工作量,提高運(yùn)營安全性。制動電阻在車上容易受到灰塵、油污的侵染,而車上的振動沖擊使其容易受損,經(jīng)常維修費(fèi)用高;將其移至變電所,可以無人值守,維修也較方便。此外,制動電阻最高溫度可達(dá)600 ℃,隔離不當(dāng)易引發(fā)火災(zāi),如將其移至變電所靜止放置,則較易處理。
4、結(jié) 論
通過對國內(nèi)地鐵列車運(yùn)行和采購各方情況的調(diào)查和分析,可得出如下結(jié)論(也適用于其他城軌車輛) 。
(1) 制動電阻上的能耗隨發(fā)車密度的增加將會減少,但每條線路都有高峰期和低峰期,也有客流的初、近、遠(yuǎn)期變化。為減少摩擦制動的負(fù)面影響,從環(huán)境保護(hù)出發(fā),宜設(shè)制動電阻,但其容量要根據(jù)現(xiàn)時車輛再生率較高的情況而降低。
(2) 如設(shè)制動電阻,則安裝在牽引變電所比安裝在車輛上優(yōu)點(diǎn)更多，A型車的制動電阻容量可大幅降低,至少可向B型車靠攏,目前可按全功率的40%考慮,今后各條線路可根據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況再降低。 |
