分析地铁列车制动电阻的种类和选择 地铁客车的运行特点是站距短,列车运行密度高,起制动频繁,制动减速度大。具有控制精确、制动平稳、节能等优点的再生制动已经在地铁的客车中得到广泛的应用。根据国内外轨道交通的运营经验,地铁再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20% 及以上。这些再生能量除了按一定比例(根据列车行车密度和区间距离的不同而异)被其他相邻列车吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,将导致地铁直流电网电压大幅度升高, 会威胁牵引电网及列车行车安全。
虽然国内外进行了一些列车再生能量回收技术的研究和应用实践,如超级电容、飞轮等, 但这些技术目前还属起步阶段,尚无法大量应用。在这些技术取得实质性突破前,多余的再生制动能量仍将以电阻消耗为主。
一、地铁列车制动电阻的种类
1、按制动电阻冷却形式分类
制动电阻在消耗列车多余的再生能量时, 其产生大量的热能必需散发到大气中去。因此, 若不能采取有效的散热手段, 制动电阻产生的热能将聚集在制动电阻内部, 在很短的时间内就足以导致制动电阻烧损。按冷却形式,制动电阻可分为强迫通风冷却型制动电阻和自然通风冷却型制动电阻两类。
A、强迫通风冷却型制动电阻
强迫通风冷却型制动电阻的结构一般为一组或数组制动电阻元件封闭在一个通风风道内; 风道的一端安装有一台风机, 另一端通向大气; 电阻带平行于通风方向布置, 以利于减小风阻和提高散热效率。此种制动电阻的显著优点是结构紧凑、体积小、重量轻, 便于在车辆上安装而不占用过多的设备安装空间, 因而适用于安装空间有限而制动功率较大的情况。但由于其需要一台用于散热的风机, 必然会增加列车的能量消耗和噪声; 另外, 为确保通风正常、防止制动电阻烧损, 还必须安装风压监控及温度监控装置。因此, 虽然其初期投资成本在各种制动电阻中是最低的, 但长期应用成本较高。
B、自然通风冷却型制动电阻
自然通风冷却型制动电阻的结构一般为一组或数组制动电阻元件布置在一个相对开放(满足基本的外部防护要求) 的框架内; 电阻带垂直于地面布置以利于空气自然对流换热。
由于不需要风机进行通风散热, 不需要额外的能量消耗, 而且由于其结构最为简单, 故障率很低,不需要额外的监控装置, 因此长期应用成本较低。但由于其采用自然通风冷却, 必然需要很大的空间布置电阻带, 且质量大, 因而只适用于制动功率较小且具有足够设备安装空间的场所。此外, 此种制动电阻为增加电阻带热容量, 电阻带使用量也大大增加, 初期投资成本也因而大大增加。
2、按制动电阻安装位置分类
目前, 国内外绝大多数地铁列车的制动电阻均采用车载制动电阻方式, 也有部分城市轨道交通的线路制动电阻直接挂接在牵引变电所直流母线而安装到地面上。
A、车载型制动电阻
车载型制动电阻分散安装在各动车底板下。同时, 制动斩波器须集成在VVVF 逆变器, 可直接检测线电压, 因而控制较为容易, 列车运行较为灵活可靠。由于车载型制动电阻只需要考虑本列车多余再生制动能量的吸收, 因此体积和容量均不大。虽然其产生的热量会带来隧道和站台内的温升问题, 但单列车产生的热量对线路环控系统的负担增加有限。由于需安装在车辆上, 必然要占用有限的设备安装空间, 增加了车辆的质量以及购置、维护成本。
B、地面型制动电阻
若采用地面型制动电阻, 每个牵引变电所均须安装一套, 并须有配套的制动控制系统。地面型制动电阻可安装在地下牵引变电所内, 也可单独安装在地上。它通过检测直流母线电压调节斩波器导通比而改变制动电阻消耗功率。但其制动控制系统的控制难度大, 使列车运行可靠性降低。由于在一个牵引变电所供电范围内有数列列车运行, 需要消耗的制动能量大大增加, 因此制动电阻体积和容量庞大; 同时, 由于产生的大量热量集中排放, 必须有制动电阻专门的散热环控设备。这些设备占用了线路的有限空间, 使地铁的建设成本也有所增加。另外,地铁线路一般位于城市繁华区段, 在地上安装制动电阻的成本将更加高昂, 且会影响周边环境。
二、地铁列车制动电阻种类的选择
由于各种制动电阻各有优缺点,因此在地铁线路设计时, 就要综合考虑线路的地理条件、对环境的影响、列车制动能量等系列因素,并对各制动电阻方案进行全寿命周期成本分析, 以选择最适于该线路条件、全寿命周期成本最少的方案。
另外,合理安排列车发车间隔时间, 使列车制动时相邻列车运行于同一牵引变电所供电范围内且处于牵引工况, 可最大限度利用再生制动能量, 减少制动电阻上的电能消耗, 从而可选择功率、体积更小的制动电阻,以降低制动电阻采购和使用成本。例如, 某地铁线路由于大部分位于人口稠密的繁华地段,人流量较大, 为了减少建设成本同时减少对周边居民环境的影响, 选择车载制动电阻类型; 由于车底设备安装空间有限, 选择了占用空间较小的强迫通风冷却型制动电阻。 |
