王巖 郭明

（天津濱海快速交通發(fā)展有限公司 天津 300457）

津濱輕軌供電系統(tǒng)節(jié)能性研究

王巖 郭明

（天津濱海快速交通發(fā)展有限公司 天津 300457）

面對集成度高、能耗量大的津濱輕軌系統(tǒng)，濱?？焖俟緦⒐?jié)能降耗納入公司發(fā)展戰(zhàn)略，通過對供電系統(tǒng)功能分析、無功補償節(jié)能分析、中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級的合理性分析，先后引進無功補償、諧波治理、電力監(jiān)控等先進的節(jié)能技術，著力為天津市民打造安全舒適、低碳經(jīng)濟的出行方式。

節(jié)能性分析；無功補償；諧波治理；電力監(jiān)控

津濱輕軌是承擔天津市區(qū)和濱海新區(qū)運營任務的城市軌道交通線路，全長52.25km，共設19座車站、1個車輛基地和1個停車場。津濱輕軌系統(tǒng)主要消耗的能耗包括電、熱力、燃氣，其中電耗占比69%。如何降低電力消耗、提高用電品質(zhì)、合理調(diào)度電力資源成為一個重要的研究課題。津濱輕軌通過對供電系統(tǒng)功能分析、無功補償節(jié)能分析、中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級的合理性分析，先后對主變電所完成了無功治理、諧波治理，并在全線設立了電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），根據(jù)各方面節(jié)能性分析，制定了切實可行的節(jié)能措施。

1 供電系統(tǒng)的主要功能

津濱輕軌供電系統(tǒng)的電源取自三個主變電站，其中華北陶瓷主站及小東莊主站為110kV變電站，十一經(jīng)路主站為35kV變電站。目前輕軌供電系統(tǒng)包含 AC110kV、AC35kV、DC1500V、AC380V、AC220V等電壓等級，為了實現(xiàn)電壓等級由高到低的轉化，系統(tǒng)中安裝使用了不同類型的變壓器共計110余臺，其中4臺油浸式變壓器，其余均為干式變壓器。通過對供電網(wǎng)絡設置分析，供電系統(tǒng)具備以下功能：（1）接受并分配電能功能；（2）降壓整流功能；（3）傳輸和供給直流電能的功能；（4）降壓變配電功能；（5）對供電設備實施電力監(jiān)控的功能；（6）對雜散電流進行防護的功能。

2 供電系統(tǒng)運行分析

2.1 中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級的節(jié)能合理性分析

根據(jù)城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡電壓等級主要有35kV、20kV、10kV幾種形式，不同電壓等級中壓網(wǎng)絡的經(jīng)濟、技術比較如下表所示：

表1 不同電壓等級的中壓供電網(wǎng)絡比較表

從上表可以看出，35kV中壓網(wǎng)絡具有輸電半徑和輸電容量大、電能損失較小的優(yōu)點，但設備體積較大、產(chǎn)品價格較高，國內(nèi)大部分城市均采用這種形式；10kV中壓網(wǎng)絡輸電半徑和容量小、電能損失大、設備實現(xiàn)國產(chǎn)化、設備體積較小、產(chǎn)品價格較低，國內(nèi)城市也有采用；20kV中壓網(wǎng)絡特點處于兩者之間，但國內(nèi)城市軌道交通尚未采用過。

由于電費在城市軌道交通將來的運營成本中所占比例很大，從長遠的角度來看，中壓供電環(huán)網(wǎng)的電壓等級宜首選較高的電壓等級。津濱輕軌中壓網(wǎng)絡采用35kV等級從節(jié)能角度考慮是合理可行的。

2.2 0.4kV線路損耗分析

0.4kV線路損耗包括運營期間損耗和運營后損耗，運營期間車站與區(qū)間設備處于正常工作狀態(tài)，線路損耗較大；運營后只有少量照明、環(huán)控和弱電設備處于工作狀態(tài)，線路損失很小。根據(jù)輕軌每天運營18 h計算，年運營時間為6570 h，年停運時間為2190 h。動力照明用電負荷供電的線路加長，電壓損失和線路損耗將加大。

2.3 牽引供電系統(tǒng)

目前國內(nèi)外輕軌供電系統(tǒng)的電壓制式主要有DC750V和DC1500V兩種。根據(jù)車輛的受流方式，輕軌的牽引網(wǎng)安裝形式主要有接觸軌和架空接觸網(wǎng)兩種，由于津濱輕軌均采用架空接觸網(wǎng)授流方式，下面主要針對DC1500V和DC750V兩種電壓等級進行分析。

DC750V架空接觸網(wǎng)授流方式應用廣泛，具有非常成熟的應用經(jīng)驗，系統(tǒng)設備的系列化、標準化較好，牽引變電所內(nèi)的單體設備投資略有降低。

與DC750V電壓等級相比，DC1500V電壓等級具有如下優(yōu)點：（1）牽引變電所數(shù)量可以顯著減少，降低了供電系統(tǒng)的投資。（2）在同一個供電區(qū)間行車密度足夠大時，較長供電臂長度吸收、利用列車再生能量。（3）電能損耗較小，節(jié)省運營費用。

因此津濱輕軌采用DC1500V電壓等級節(jié)能效果高于DC750V電壓等級。

2.4 機車內(nèi)部運行供電

津濱輕軌系統(tǒng)采用的是日本進口的新型機車，采用電機驅動機車前進。其工作原理是機車經(jīng)受電弓將接觸網(wǎng)網(wǎng)上的直流1500V電源引到車上，一部分經(jīng)過隔離開關、高速斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器后送給直流牽引電機驅動機車；另一部分經(jīng)過二極管整流橋后經(jīng)過隔離開關、SIV逆變器后變?yōu)榻涣麟?，供給機車的控制系統(tǒng)、門電機等輔助設備。

3 系統(tǒng)節(jié)能措施分析

3.1 無功補償裝置節(jié)能量分析

運營初期，根據(jù)觀測和統(tǒng)計，輕軌每月有功電量在8× 104kW·h左右，而無功電量為4×104kWh左右，功率因數(shù)僅為0.25，造成了電能的極大浪費。為了改善供電網(wǎng)絡的運行條件，降低線路無功電能損耗，改善電網(wǎng)的運行條件，公司對主變電所進行了無功改造。這樣不僅提高了電力系統(tǒng)的效率，降低電客車的運行成本，也有效的保障了客運系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的運行。

輕軌華北陶瓷變電站供電系統(tǒng)運行負荷率很低（10%～20%），35kV單芯電纜數(shù)量多、距離長，相對電纜充電功率較大，出現(xiàn)35kV電壓偏高的問題。2004年4月試運營之后，其容性無功倒送系統(tǒng)的問題更加突出表現(xiàn)出來。鑒于輕軌客流及其負荷情況的不確定性，安裝了感性無功補償裝置（SVC），可實時按照供電系統(tǒng)的負荷情況進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)，使供電系統(tǒng)達標。投入運行后，使輕軌主站35kV供電系統(tǒng)功率因數(shù)由原來的低于0.3全部調(diào)節(jié)至0.99，超過國家電網(wǎng)0.96的水平。無功電量減少了80%以上，改造前每度有功電量消耗間接造成無功損耗達4.33kvarh,改造后單位有功電量與無功比例僅為1：0.16，由于無功電量減少，使功率因數(shù)大大提高，有效節(jié)約了電能的消耗，也解決了無功倒送的問題，并且每個月為公司節(jié)約電費80萬元～100萬元。