剖析地鐵列車制動電阻的設置

     摘  要：通過對國內目前地鐵列車制動電阻設置的調查,結合地鐵線路的實際運營情況,分析實測車輛再生回饋電量、制動電阻上的消耗電量。

      關鍵詞：　地鐵列車　制動電阻

      經粗略統計,2008年全國各城市通過招標簽訂合同的地鐵車輛就達1 500 輛左右,未來10 年國內的需求將超過1 萬輛。因此,對車輛的每一項設備和技術都應該認真研究和精密計算。
   
      據了解，北京1、2 號線的電阻車在奧運會前大多已經更新,上海1號線的直流車正在進行交流化改造,全國各條地鐵線的車輛都采用了先進的交流傳動技術,其優良的性能可使牽引電能的再生率達到40%左右,節能效果十分顯著。然而,由于線路的行車密度等多種因素,正在線路上進行再生制動的列車能量并不一定能被完全吸收,此時巨大的能量得不到釋放,將會使供電網的電壓急劇上升。
 
      為此,在列車上設置斬波器和制動電阻,讓電能通過電阻變成熱能,使地鐵列車能夠充分使用電氣制動,可避免摩擦制動。然而,制動電阻使用雖然方便,但也有缺點,如體量大、散熱于洞內、使洞內溫度逐年升高等,因此一直有所爭議。下面從車上制動電阻的設置、不同的替代方案等方面進行探討,提供多種選擇,以節省資金和能源。

      1、是否要設置制動電阻
      對此問題,一直有不同的看法。例如,日本的地鐵列車大多不在車上設制動電阻,但有些線路也會在牽引變電所設再生吸收電阻或逆變回收裝置,而在單軌車和直線電機車輛的運行線路上更是如此。根據文獻,一列列車全天運轉在制動電阻上的耗電為608 kW·h,如20多列列車全部上線則數量可觀。這部分能量如果由閘瓦磨損來消耗,會對地鐵環境帶來一定的負面影響。
 
      筆者認為,作為電氣牽引的地鐵列車,應將充分發揮電氣制動的優勢放在首位,不得已才轉為摩擦制動。國內某大城市一條繁忙的地鐵線路,由于車輛的高速段電制動能力不強,致使頻繁使用摩擦制動,列車閘瓦每年更換2次,不僅增加維護費用300多萬元,更使大量閘瓦粉塵充斥隧道,污染環境,導致電氣設備故障,甚至造成列車下線,影響正常運營。為此,近年來歐洲及日本部分車輛供貨商推出全電制動概念,即從最高速度到制停全程使用電制動,避免摩擦制動。
 
      列車電氣制動的優劣在于高速特性,對比80 km /h和8 km /h時的制動能量,兩者相差100 倍。如果列車高速電氣性能差,大量動能需摩擦發熱消耗,效果自然很差。電阻制動簡單可靠,造價低廉,易為用戶所接受。根據對節能裝置的研究[ 3 ] ,即使采用飛輪儲能,仍希望附加電阻制動,以吸收脈沖尖峰能量,確保電網供電安全。對不同的地鐵線路,可以有如下不同的對策。
 
     (1) 如果一條新線開通后,在極短的時間內客流即達到很大,行車間隔縮短至3 min以內,原則上可以不考慮車上設制動電阻,但低峰期仍會使用摩擦制動。從綠色環保角度出發,可考慮在變電所設小功率吸能裝置[ 5 ]。但是,除特殊情況外,任何一條線路不可能一天總處在高密度狀態運行。

      (2) 如果一條線路客流一般,行車間隔在4 min以上,或者是一條規劃引導型線路,客流偏少會持續較長時間,列車可設置一定容量的制動電阻,但絕不是全功率的制動電阻,可以考慮按全功率的40%設置。以后,可根據線路的運營情況再予降低。

      (3) 國內的A型車可根據上述線路情況設置制動電阻,但容量需參照B 型車適當降低,如按全功率的40%考慮,這在當前是現實可行、立竿見影的節約措施。盡管筆者從安全環保的角度出發,傾向于設置制動電阻,但電阻設于車上或集中設置在變電所還值得研究。

      2、制動電阻的設置方式
      制動電阻可以設于車上,也可以集中設于牽引變電所。設于牽引變電所的制動電阻,也稱為再生吸收電阻。比較兩種設置方式的利弊,可決定取舍。

      3、電阻集中設置的好處
      (1)節省投資。在每輛動車上設制動電阻、斬波器,投資多、重量大。從車輛投標報價大致測算, A 型車一臺電阻器及斬波器約15萬～20萬元。隨著客流增長,列車數量增加,投資在不斷增長。以廣州1號線為例,如要達到2 min的行車間隔,共需37列車在線運行,車載電阻設備價值2 500萬～3 000萬元。而設置于變電所的電阻和斬波器全線只有幾處,單體容量并不比一列車的制動電阻大多少,且不會隨行車密度的增加而增加,所以它的使用效率高。廣州地鐵1號線有8個牽引變電所,都用吸收電阻時總價約1500萬元。此外,列車上為防止電阻發熱引起火災而增設的防火、隔熱材料可以取消。

      (2) 減輕車輛質量。如前所述,每輛車的制動電阻質量為370 kg 左右,加上斬波器、材料等,總重接近500 kg,每列車(4M2T)增加質量達2 t。據香港地鐵技術人員介紹,列車每增加1 t,全年耗電約增加1萬kW·h。一條線幾十列列車,節電數量可觀。以廣州地鐵1號線為例,遠期每年節電約74萬kW·h。

      (3) 減少風機耗電。車載制動電阻如果自冷,則體積、質量大。例如,B型車將制動電阻容量降到全功率的40%左右,由于是自冷,質量仍達366 kg,與A型車電阻質量相近。但若采用強迫風冷,風機的耗電量不容小視。以廣州地鐵1號線為例,風機功率1. 4 kW,每天工作17 h 20 min,每列車4個,遠期32列車上線,每年耗電= 1. 4 ×17. 33 ×4 ×32 ×365 = 113萬kW·h。

      (4) 防止地鐵洞內溫度逐年上升。國內外地鐵數據顯示,地鐵洞內溫度在逐年上升。列車制動在洞內散發出的熱量最多,除改進車輛制動性能、提高列車再生率外,將制動電阻搬出洞外是最有效的方法,這樣可以減少環控設備的建設投資。據粗略估算,一條17km的地鐵線可因此節省約5 000多萬元[ 5 ]。

      (5)為其他節能設備預留空間。電阻將電能轉化為熱能,散逸于大氣,未能再生利用。如何加以利用,綜合國內外報導,在變電站設置超級電容、電感、逆變器、蓄電池和飛輪的都有。除輕軌車將電容設置在車上外,地鐵車輛基本不將節能裝置載于車上。因此,業主如果有進一步節能的打算,可預裝制動電阻于變電站,預留空間供今后設置先進的節能裝置用。

      (6) 減少維修工作量,提高運營安全性。制動電阻在車上容易受到灰塵、油污的侵染,而車上的振動沖擊使其容易受損,經常維修費用高;將其移至變電所,可以無人值守,維修也較方便。此外,制動電阻最高溫度可達600 ℃,隔離不當易引發火災,如將其移至變電所靜止放置,則較易處理。  

      4、結 論
      通過對國內地鐵列車運行和采購各方情況的調查和分析,可得出如下結論(也適用于其他城軌車輛) 。

      (1) 制動電阻上的能耗隨發車密度的增加將會減少,但每條線路都有高峰期和低峰期,也有客流的初、近、遠期變化。為減少摩擦制動的負面影響,從環境保護出發,宜設制動電阻,但其容量要根據現時車輛再生率較高的情況而降低。

      (2) 如設制動電阻,則安裝在牽引變電所比安裝在車輛上優點更多，A型車的制動電阻容量可大幅降低,至少可向B型車靠攏,目前可按全功率的40%考慮,今后各條線路可根據實際運營情況再降低。