电气化铁道节能技术探讨

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摘要：一直以来，我国都是能源消耗大国，对于节约能源也给予了相应的重视，并提出建设能源节约型社会的发展目标，铁路建设中也相继出台与节约能源相关的政策和文件，这也正是当前电气化铁道设计者需要遵循的准则和技术规范。本文先就电气化铁道的基本概念及其组成进行阐述，然后针对外部电源、牵引变电所、接触网以及电力机车中的节能技术进行探讨，以供参考。

关键词：节能减排；电气化铁道；牵引变电所；接触网；电力机车

中图分类号：TE08文献标识码： A

引言

我国电气化铁路是从20世纪50年代初开始筹划的。当时，主要是讨论采用什么样的电流制与多高的额定电压。经过反复研究论证，结合国内外情况，确定我国电气化铁路采用工频单相25KV交流制。截至2007年底，全国铁路电气化里程达到24433公里，电气化率达到27%，使机车牵引效率提高了2/3。2008年10月31日，《中长期铁路网调整规划》经国家批准正式颁布实施。调整规划明确了到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里以上的路网结构与布局方案，其中客运专线及城际铁路达到1.6万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线。然而，随着铁路电气化建设的不断加快，用电量也将不断攀升。从用电总量上来看，作为节能型交通运输方式的铁路仍然是用电大户，提高电气化铁路的能源用电效率，将产生可观的节能减排效益。

一、电气化铁路的组成

铁路机车按照牵引动力所使用的能源类别可分为：蒸汽机车、内燃机车和电力机车三种。与此对应的铁路牵引方式也有蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引三种。所谓电力牵引，就是由外电源供给动力车电能的牵引方式。采用电力牵引的铁路称为电气化铁路。作为电气化铁路牵引动力的电力机车，本身不带能源。他必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，电能经过变换后，输送到牵引电动机，使牵引电动机旋转来驱动车轮转动牵引列车运行。因此电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号灯设施外、还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门等。下图为电气化铁道示意图。

图1电气化铁道示意图

二、节能设计思路

铁路电力节能设计的思路主要体现在变电、配电、用电三个方面，针对其进行细化分析，提出以下电力节能的设计思路:

（一）、变电模块电力节能的设计思路

对变电模块实行电力节能的设计，需对核心设备变压器进行设计，首先需要对变压器进行设计，变压器在运行时，分为两种电能损失，铁损和线损，变压器在工作时，由于功率产生的损失，线损会随着消耗功率的增加而增加，铁损则是根据变压器的基本性能产生，属常规固定值，因此，铁路电力选择变压器时必须遵循节能降耗的原则；其次是兼并融合变压器，变压器的数量越多，代表其在传输过程中，需要消耗的能量越大，为防止电能消耗过度，可利用兼容性比较大的变压器代替分散的变压器，则将铁路系统的变电方式改为集中式，事实证明，将变压器进行集中变电，可较传统变压器节电20%左右；最后保障容量合适，变压器运行过程中，容量选择不合理会增加变压器的损耗，同时加重无功运行的负担，选择容量值时，结合电力的实际情况，保障变压器的经济运行状态。

（二）、配电模块电力节能的设计思路

铁路电力配电模块即是实现高压到变电，低压到用电的转换过程，在配电线路结构中，由于电阻的存在，会在配电转换的过程中，产生不良损耗，因此配电线路的损耗与线路中的电流、电阻变化存在较大的关系。为提高配电模块的节能设计，可研究线路中的电流和电阻。公式I=P/Ucosφ，可推断出电流与功率的变化关系，通过提高配网中的φ，实现损耗的降低，安装无功补偿，不仅可以减少配电模块中的浮装，而且可提高载荷的效率；降低配网中的电阻，同样可节约配电能源，根据公式R=pL/S，可得电阻与电阻率的正比关系，因此，配网中可以降低电阻值的方式，降低能源消耗，首先在选择配电导线时，以电阻率较小的材料为主，例如:铜线、铝线；第二尽量减少配网线路长度，避免盘旋、拉距式的线路安装，最好采用直线安装的方式；第三增加横截面积，横截面的增加，不仅可以延长导线的使用寿命，而且可在很大程度上提高配电效率，减少损耗。

（三）、用电模块电力节能的设计思路

用电模块属于铁路电力的终端，用电设备与用电类型多种多样，铁路电力中照明用电类型占据用电模块较大比重，实现节能降耗措施主要围绕照明，例如:优化铁路照明系统的线路设置，采用节能型的线路安装；有效采取照明控制，目前比较常用的为声控、光控和触摸控；采用节能型的照明设备，如节能光源、灯具；采取自然光照明等。

三、电气化铁路节能技术应用

铁路电力系统中的节能方案具备技术性的特点，其不仅可以实现电力节能的规划，同时也可安排相应节能技术的使用。利用节能方案规定多项技术的节能操作，提高铁路电力节能的效率。

（一）、变压器的节能应用

1）要与铁路运行能耗的实际情况相结合，选取数量和容量都较为合适的变压器，通过资金费用以及维修资金，与实际负荷情况相结合，选取容量和电力负荷都较为适当的变压器，在此基础上，设备可以实现高速正常运行。很多时候，在经济运行区域内，变压器的负荷率可以实现正常操作，换言之，在30～75%，若是可以达到50～60%，那么基本上可以达到最佳状态。

2）能耗运用是选择变压器的主要依据，在新建、改建以及扩建上，变压设备要保证自身有突出效果，例如，新型电磁热耦合的节能型卷铁心牵引变压器等，通过这一系列型号的变压器，节约能源必定会实现，同时短路所造成的损失也会得到有效减少或者避免。

3）降低负序电流造成的损失。为了整体减少进入电力系统负序分量，采用牵引变电所换接相序的措施。所谓换接相序，就是指个相邻牵引变电所牵引变压器的原边各端子轮换接入电力系统中不同的相。如果各牵引变电所由统一电力系统供电，则各牵引变电所的牵引负荷在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关。为了达到减小单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流，减轻对电力系统负序影响的目的，通常采用牵引变电所换接相序的措施。

4）牵引网电压补偿。提高牵引网电压常见的方法有：缩短牵引网供电臂长度；加大馈线截面或增设加强导线；采用串联电容补偿装置；采用单相自耦调压器或增压器；采用AT供电方式，提高馈电电压。

（二）、接触网节能技术

1）选择合适的接触线材料，降低接触网阻抗。接触线材料引起电能损失不可避免，因为任何导线在普通条件下都存在阻抗。因而，必然会引起电能损失。在这方面，线路阻抗大小就决定了电能损失的多少。因此，选择单位阻抗较小的接触线将有助于电气化铁道的节能。由于电气化铁道供电的特殊性，还要求接触线必须具有抗拉强度高、耐热性能好、耐磨性能好、制造长度长等性能，而这些性能之间往往又存在着矛盾，因此在选择接触线时要综合考虑各方面因素，力求在满足其他各性能的条件下选择阻抗最小的材料。

2）使用无磁化或低磁化金具。目前，在电力系统输配电线路的节能技术中人们很重视对无磁化或低磁化金具的使用，这是因为金具上产生的感应电动势与材料的相对导磁率成正比，在铁磁材料金具中，由于其相对导磁率高(可以达到250～1000)，感应的电动势大，因此产生的涡流大。涡流在金具电阻上发热，从而将线路电能大量转化为热能消耗掉。鉴于此，通过采用无(低)导磁率的材料如铝或铜合金或低磁钢来制造线路金具是节能的一种有效手段。因此，借鉴电力系统的经验，同样可以在电气化铁道中采用无磁化或低磁化的金具。

3）限制供电臂的长度。供电臂的长度除了对其末端最低电压水平有较大影响之外，还对牵引接触网电能损失有较大影响。过长的供电臂，将使牵引接触网电能损失急剧增加。因此，在满足行车要求的前提下要适当限制供电臂的长度。

（三）、电力机车节能

1）再生制动节能。目前被广泛采用的机车节能技术是再生制动节能技术。再生制动就是，一方面将车辆的动能转化为电能回收利用，节约能源；另一方面提高机车的用电经济性，减轻机械摩擦制动产生的磨损，增加摩擦制动器的寿命。当列车实施再生制动时，异步电机处于发电机工况，列车的动能(机械能)经过齿轮传动，输出到异步电机的转子，并将机械能转化为交流电能，再经相应的整流、逆变通过牵引变压器、受电弓反馈回牵引网。

2）变频调速节能。在国内，对变频调速在电机节能方面进行了定性的研究，分析变频调速电机及其节能原理，提倡应用变频调速技术节电。变频调速应用于牵引电机传动系统，当负载变化时，传统的调节方法改变电动机的通电时间所占比例(占空比)，电动机会频繁制动和起动，消耗大量的能量，如采用变频调速来调节驱动电源的电压和频率，平滑调节电机转速，根据负载情况改变输出功率，将节约大量电能。在国外变频调速技术已经大量应用于交流牵引电机传动系统中。

结束语

综上所述，电气化铁道节能技术相对将为广泛，需要我们结合建设的实际情况，选择最为合适的技术措施，以使电能的利用效率得到有效提升，同时也可以降低能耗，提升经济效益。

参考文献

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