城市轨道交通电气节能设计

摘要： 随着社会的不断发展进步，城市轨道交通也逐渐发展起来，给人们的出行带来了很大的便利。但在此过程中，城市轨道交通运行中也存在很大的能源消耗问题，急需通过节能手段进行控制。基于此，本文对轨道交通电气节能设计相关内容进行了分析。

关键词：城市轨道交通；电气；节能设计

西安地铁三号线大雁塔站为三号线和四号线“T型”换乘站，土建同步实施，总建筑面积37402平方米，是西安地铁目前为止面积最大的车站，站台宽度16米，共设有6个出入口，5组风亭，在电气设计中充分考虑了节能环保的措施，节能效果显著，下面对大雁塔站的电气节能设计进行了分析。

1 牵引供电节能设计

1.1牵引供电设计的主要内容

大雁塔站牵引供电系统主要是由外部电源、轨道交通主变电所或电源开闭所、电力网、站内牵引降压变电所（高压开关柜、整流变压器、直流开关柜、牵引网、动力降压变压器等）、杂散电流腐蚀防护系统、电力监控系统等部分构成。

牵引供电系统是通过主变电站从地方电力系统引入110kV高压交流电源并降压成轨道交通供电系统使用的35kV交流电，送至站内35kV高压开关柜后再由：1）35kV高压开关柜出线进入整流变压器，通过整流变压器将高压交流电源降压整流为直流1500V电源，再将1500V直流电通过沿线敷设的牵引网不间断地供给运行中的车辆； 2）35kV高压开关柜出线进入动力降压变压器将35kV交流电降压成220/380V交流电，供给低压配电系统使用。

1.2 牵引供电的节能设计方案

1.2.1 牵引变电所。结合西安地铁三号线的实际情况，对大雁塔站的牵引变电所与前后站变电所的数量、间距等进行了科学设置。牵引供电系统优先选用双边供电，降低牵引系统损耗。需要注意的是，牵引变电所容量应该根据近期负荷来配置[1] ，但预留远期容量扩充的条件。

1.2.2 线路方案。在大雁塔站牵引系统节能设计时，通过和线路专业的不断沟通协调，科学地设置坡度，各站点间选用最短路径进行连接，使得线路的选择较为合理，减少了列车的牵引能。

1.2.3 车站选址方案。大雁塔站选址接轨条件好，便于行车组织，使运营效率得到有效提升，以此缩短列车空走距离，降低能耗。另外，选址也同时综合考虑了市政规划、节能环保等因素。

1.2.4 行车交路。行车节能也从配线、客流、运营情况等多个方面进行综合考虑，从而选择了最佳的设计方案，在满足客流需求的情况下，分时段进行运行交路的设计，以此增强裂成的承载率，以避免空车或者是乘客比较少的情况下，车辆在运行时牵引用电量[2]。

2 低压配电节能设计

大雁塔站由于是换乘站，其站内各系统设备非常多，三号线各系统设备配合、三四号线设备系统资源共享的要求非常高，对低压配电的安全可靠性提出了更高的要求。

2.1低压配电设计的主要内容

地铁动力负荷中设置有很多的通风空调设备，如隧道风机、车站排热风机、孔田与冷水机组、各类水泵设备等等，这些设备都由相应的控制系统进行控制。

照明系统种类繁多，可以分成正常、应急及值班照明几种。其中，正常照明包含：工作照明、区间、导向照明等等；应急照明包含：疏散及备用照明等等。除掉就地控制以外，站台、标志照明等都应必须要在照明配电室进行控制。

2.2 低压配电设计的节能方案

2.2.1 低压电动机保护装置

电动机可以使用低压电动机综合保护装置。该装置主要是对软件进行更新升级，从而能够完成很多通过软件实现的功能，简化装置硬件设计，扩大了装置的适用范围，缓解了工作人员现场调试、维护的压力。并且，该装置的硬件部分使用单片机完成数据的收集、计算等。面板数值的显示及输出都由单片机来完成。

2.2.2设备系统配电的控制设计

在对设备系统配电的同时，应结合其具体的设备工况特点，制定出最科学有效的控制模式，对控制系统进行设计。

1）大雁塔站通风空调系统：根据时间、季节、温度、湿度、热敏数据等变化，其自动控制系统能够进行合理调节，达到节能运行的效果。

2）大雁塔站照明系统：根据时间、客流强度（工作日早、晚高峰、节假日）、情景模式等变化，其自动控制系统能够进行合理调节，达到节能运行的效果。

3）大雁塔站自动扶梯系统：根据使用人数和需求采用变频智能控制，即乘客较少或者是无人乘坐时，可以自动调节运营速度，节约能耗。

2.2.3 低压智能化和BAS须协调配合

大雁塔站要将低压智能化系统和BAS将的关系协调好，必然离不开各项设备的完美配合，其接口关系是由通风空调电控柜、照明电源装置等构成。表1为通风空调电控柜的物理接口。

在本站低压电气设备中，现场总线技术发挥着非常重要的作用，其在电动机控制、开关保护等智能化设备运用中得到了广泛运用。要将其优势全面发挥出来，就需要与BAS系统界面进行划分，以此保证各系统间的协调配合。为此，提出了以下方案，如圖1所示。

3 设备产品的选用

在大雁塔站电气节能设计时，高效节能设备的使用是非常重要的。在设备选用时应该严格按照标准规则来选型，禁止使用不合格的产品。

3.1 车辆。在轨道交通运行中，车辆是牵引能耗的使用者，选用科学的车辆，对牵引节能的作用是很大的。车辆的型号、材料会对其自重产生影响，如果车体选用的是铝合金轻型材料，车辆的自重也会减少，牵引能耗也会随之降低。在达到动力要求的情况下，对牵引电机进行科学选择，让牵引动机保持在最佳的运行状态，也能达到降低牵引能耗的作用[4]。

3.2 供电设备。本站供电设备（变压器、电缆线等）的合理选择，应该严格依据经济电流密度要求进行科学选型，也能达到了节能降耗的作用。

3.3 照明。本站科学选择光源，选用环保节能光源，如，将高效节能光源运用到设备区、公共区、出入口的照明设计中。选用寿命长、性能好、耗电小节能型电感镇流器。站内照明设备的选择，按照各功能区的具体要求来设置，从而达到更好地节能降耗效果。

4 新技术的使用

4.1 逆变—再生制动装置的使用。从现在的情况看，城市轨道交通系统主要使用的是电制动方式包含再生自动、电阻制动两种。前一种制动装置最大的优势在于节能，当列车进站时，借助这一装置，使动能转化成电能，返回于接触网被列车吸收，大大提升了能量的利用率，但通过该装置转化的电能不能完全被吸收，剩余的电能会使接触网网的压力增高，不利于其顺利运行。而后一种制动方式，可以将剩余的电能转化成热能，有效避免接触网的电压不断升高。而逆变-再生制动也就是利用逆变装置取代制动电阻，能够让接触网上剩余的电能直接回馈给低压配电系统，让能量可以得到有效利用，减少能源消耗[5]。

5 节能管理

为达到最理想的节能效果，大雁塔站从节能产品的运用、系统方案设计及节能管控体制等方面均做了充分的考虑。节能管理工作要具体化，可操作性强[7]。

5.1 计量配备。本站计量配备合理，能够实现对运营车辆设备维护和管理，并能实现成本管控与核算。能源计量器严格按照国家有关标准来分类计量，尤其是对于那些大型的用电设备设置单独的计量实施监控，从而实现节能降耗的目标。

5.2 管理措施。本站通过科学的节能管控措施来保障节能工作全面落实，这样，才能将系统与设备的节能作用发挥出来。管理措施主要有节能管理制度、能源管控制度等，相关人员重视节能管控工作，将各项措施落实到实处，起到了事半功倍的效果[8]。

6结语

大雁塔站轨道交通电气节能设计，不仅采用了智能化配电及控制电气产品等先进的控制保护系统，而且在设计过程、实施阶段、节能管理三个阶段进行了科学的规划考慮，在设计中充分考虑了节能环保的措施，节能效果显著，大大减少运营维护成本。该工程已于2018年12月一次通过验收，并按期交付运营，工程设计质量优秀。

参考文献：

[1]李建华，范越.关于城市轨道交通车辆段电气节能设计的研究分析[J].工程技术：文摘版，2015，12（08）：129-132.

[2]李政，刘艺荧，赵金明，等.城市轨道交通建筑的节能设计研究[J].城市建筑，2016，16（20）：332-346.

[3]王晓伟，胡丽敏，等.城市轨道交通供电系统的节能设计分析 [J].城市轨道交通研究，2017，6（13）：108-116.

[4]叶太华，冯亚伟，赵中明.推进轨道交通节能减排，建设节约型综合交通系统[J].北京规划建设，2018，10（22）：321-320.

[5]李强，丁悦，张鹤鸣，等.城市轨道交通照明设计节能措施探讨[J].铁道勘测与设计，2018，9（10）：219-220.

[6]王军强，王文功，吴多胜.关于城市交通变电所综合自动化系统接口协议分析[J].城市轨道交通研究，2017，12（32）：108-115.

[7]赵惠祥，余世昌.城市轨道交通系统的安全性与可靠性[J].城市轨道交通研究，2016，20（10）：127—129.

[8]谭永东，钱清泉，对城市轨道交通自动化系统的再认识——概念、体系结构与技术[J]都市快轨交通，2016，17（21）：121-127.

（作者单位：中交铁道设计研究总院有限公司）

作者简介：佘军峰（1987.8-），男，陕西西安人，电气工程师。