剖析地铁列车制动电阻的设置

     摘  要：通过对国内目前地铁列车制动电阻设置的调查,结合地铁线路的实际运营情况,分析实测车辆再生回馈电量、制动电阻上的消耗电量。

      关键词：　地铁列车　制动电阻

      经粗略统计,2008年全国各城市通过招标签订合同的地铁车辆就达1 500 辆左右,未来10 年国内的需求将超过1 万辆。因此,对车辆的每一项设备和技术都应该认真研究和精密计算。
   
      据了解，北京1、2 号线的电阻车在奥运会前大多已经更新,上海1号线的直流车正在进行交流化改造,全国各条地铁线的车辆都采用了先进的交流传动技术,其优良的性能可使牵引电能的再生率达到40%左右,节能效果十分显著。然而,由于线路的行车密度等多种因素,正在线路上进行再生制动的列车能量并不一定能被完全吸收,此时巨大的能量得不到释放,将会使供电网的电压急剧上升。
 
      为此,在列车上设置斩波器和制动电阻,让电能通过电阻变成热能,使地铁列车能够充分使用电气制动,可避免摩擦制动。然而,制动电阻使用虽然方便,但也有缺点,如体量大、散热于洞内、使洞内温度逐年升高等,因此一直有所争议。下面从车上制动电阻的设置、不同的替代方案等方面进行探讨,提供多种选择,以节省资金和能源。

      1、是否要设置制动电阻
      对此问题,一直有不同的看法。例如,日本的地铁列车大多不在车上设制动电阻,但有些线路也会在牵引变电所设再生吸收电阻或逆变回收装置,而在单轨车和直线电机车辆的运行线路上更是如此。根据文献,一列列车全天运转在制动电阻上的耗电为608 kW·h,如20多列列车全部上线则数量可观。这部分能量如果由闸瓦磨损来消耗,会对地铁环境带来一定的负面影响。
 
      笔者认为,作为电气牵引的地铁列车,应将充分发挥电气制动的优势放在首位,不得已才转为摩擦制动。国内某大城市一条繁忙的地铁线路,由于车辆的高速段电制动能力不强,致使频繁使用摩擦制动,列车闸瓦每年更换2次,不仅增加维护费用300多万元,更使大量闸瓦粉尘充斥隧道,污染环境,导致电气设备故障,甚至造成列车下线,影响正常运营。为此,近年来欧洲及日本部分车辆供货商推出全电制动概念,即从最高速度到制停全程使用电制动,避免摩擦制动。
 
      列车电气制动的优劣在于高速特性,对比80 km /h和8 km /h时的制动能量,两者相差100 倍。如果列车高速电气性能差,大量动能需摩擦发热消耗,效果自然很差。电阻制动简单可靠,造价低廉,易为用户所接受。根据对节能装置的研究[ 3 ] ,即使采用飞轮储能,仍希望附加电阻制动,以吸收脉冲尖峰能量,确保电网供电安全。对不同的地铁线路,可以有如下不同的对策。
 
     (1) 如果一条新线开通后,在极短的时间内客流即达到很大,行车间隔缩短至3 min以内,原则上可以不考虑车上设制动电阻,但低峰期仍会使用摩擦制动。从绿色环保角度出发,可考虑在变电所设小功率吸能装置[ 5 ]。但是,除特殊情况外,任何一条线路不可能一天总处在高密度状态运行。

      (2) 如果一条线路客流一般,行车间隔在4 min以上,或者是一条规划引导型线路,客流偏少会持续较长时间,列车可设置一定容量的制动电阻,但绝不是全功率的制动电阻,可以考虑按全功率的40%设置。以后,可根据线路的运营情况再予降低。

      (3) 国内的A型车可根据上述线路情况设置制动电阻,但容量需参照B 型车适当降低,如按全功率的40%考虑,这在当前是现实可行、立竿见影的节约措施。尽管笔者从安全环保的角度出发,倾向于设置制动电阻,但电阻设于车上或集中设置在变电所还值得研究。

      2、制动电阻的设置方式
      制动电阻可以设于车上,也可以集中设于牵引变电所。设于牵引变电所的制动电阻,也称为再生吸收电阻。比较两种设置方式的利弊,可决定取舍。

      3、电阻集中设置的好处
      (1)节省投资。在每辆动车上设制动电阻、斩波器,投资多、重量大。从车辆投标报价大致测算, A 型车一台电阻器及斩波器约15万～20万元。随着客流增长,列车数量增加,投资在不断增长。以广州1号线为例,如要达到2 min的行车间隔,共需37列车在线运行,车载电阻设备价值2 500万～3 000万元。而设置于变电所的电阻和斩波器全线只有几处,单体容量并不比一列车的制动电阻大多少,且不会随行车密度的增加而增加,所以它的使用效率高。广州地铁1号线有8个牵引变电所,都用吸收电阻时总价约1500万元。此外,列车上为防止电阻发热引起火灾而增设的防火、隔热材料可以取消。

      (2) 减轻车辆质量。如前所述,每辆车的制动电阻质量为370 kg 左右,加上斩波器、材料等,总重接近500 kg,每列车(4M2T)增加质量达2 t。据香港地铁技术人员介绍,列车每增加1 t,全年耗电约增加1万kW·h。一条线几十列列车,节电数量可观。以广州地铁1号线为例,远期每年节电约74万kW·h。

      (3) 减少风机耗电。车载制动电阻如果自冷,则体积、质量大。例如,B型车将制动电阻容量降到全功率的40%左右,由于是自冷,质量仍达366 kg,与A型车电阻质量相近。但若采用强迫风冷,风机的耗电量不容小视。以广州地铁1号线为例,风机功率1. 4 kW,每天工作17 h 20 min,每列车4个,远期32列车上线,每年耗电= 1. 4 ×17. 33 ×4 ×32 ×365 = 113万kW·h。

      (4) 防止地铁洞内温度逐年上升。国内外地铁数据显示,地铁洞内温度在逐年上升。列车制动在洞内散发出的热量最多,除改进车辆制动性能、提高列车再生率外,将制动电阻搬出洞外是最有效的方法,这样可以减少环控设备的建设投资。据粗略估算,一条17km的地铁线可因此节省约5 000多万元[ 5 ]。

      (5)为其他节能设备预留空间。电阻将电能转化为热能,散逸于大气,未能再生利用。如何加以利用,综合国内外报导,在变电站设置超级电容、电感、逆变器、蓄电池和飞轮的都有。除轻轨车将电容设置在车上外,地铁车辆基本不将节能装置载于车上。因此,业主如果有进一步节能的打算,可预装制动电阻于变电站,预留空间供今后设置先进的节能装置用。

      (6) 减少维修工作量,提高运营安全性。制动电阻在车上容易受到灰尘、油污的侵染,而车上的振动冲击使其容易受损,经常维修费用高;将其移至变电所,可以无人值守,维修也较方便。此外,制动电阻最高温度可达600 ℃,隔离不当易引发火灾,如将其移至变电所静止放置,则较易处理。  

      4、结 论
      通过对国内地铁列车运行和采购各方情况的调查和分析,可得出如下结论(也适用于其他城轨车辆) 。

      (1) 制动电阻上的能耗随发车密度的增加将会减少,但每条线路都有高峰期和低峰期,也有客流的初、近、远期变化。为减少摩擦制动的负面影响,从环境保护出发,宜设制动电阻,但其容量要根据现时车辆再生率较高的情况而降低。

      (2) 如设制动电阻,则安装在牵引变电所比安装在车辆上优点更多，A型车的制动电阻容量可大幅降低,至少可向B型车靠拢,目前可按全功率的40%考虑,今后各条线路可根据实际运营情况再降低。