基于对城市轨道交通的电气节能设计探讨

基于对城市轨道交通的电气节能设计探
讨
摘要：我国是能源消耗大国，近年来国家也十分重视节能减排工程，不断出
台各种节能标准和法规，降低能耗。

近年来，城市轨道交通项目发展迅速，城轨
建设全面推进，节能设计技术不断发展。

在电气设计方面，在满足站点的照明负荷、电力负荷的功能要求后，还应从各个方面考虑节能技术，并采取节能措施，
以实现供电系统的经济性。

关键词：城市轨道交通；电气节能；设计要点
引言
中国是能源消耗大国，自然资源消耗量大，国家对节能、减排和可持续发展
越来越重视，制定了一系列节能标准和相关法律法规。

所有行业的节能设计都必
须遵守国家法律法规。

城市轨道交通是一项涉及多种专业领域的复杂工程，因此
有必要从不同的专业角度制定系统的节能设计，科学有效地制定城市轨道交通的
节能措施，一方面保证轨道交通的正常运行，另一方面达到节电的目的。

1城市轨道交通能耗特征
城市轨道工程需要大量的设备系统，其中一些系统对城市轨道(如车辆、电力、信号、通信等)是必不可少的。

但一部分是为了更好地为乘客提供服务(如电
梯/电梯、通风、照明等)，这些设备通常消耗更多能源，特别是铁路通风系统的
能源消耗主要是电力，通风和照明消耗大约占城市铁路设计总电力消耗的30%，
因此必须从主要的能源消耗过程开始考虑，如何最大限度地减少这些系统的能耗。

根据城市运营要求正确确定服务级别，并在设计过程中满足总能效要求，同时为
对城市轨道交通未来能效至关重要的设备系统运行模式提供合理的运行实践。

2城市轨道交通电气节能设计
2.1牵引系统节能设计
在城市轨道交通供电中，列车的驱动能耗占有很大比重，而能耗受方案设计
的影响很大。

牵引车节能设计的优化主要体现在以下几个方面：(1)科学的输送
线路规划可以尽可能减少牵引损失或降低坡道的相对高度；(2)互联互通需要从
多个方案的角度进行比较，例如：道路长度、配送路线、客流量和运行情况，保
证客流量满足需求，设计轨道连接和列车对数，增加客流量，减少空车数量，空
车和客流量低时，相应降低牵引力；(3)合理选择牵引力供应方式。

牵引网供电
方式一般采用自变压器供电方式，即AT供电方式。

在节能方面，与TRNF供电方
式相比，AT供电方式具有明显的优势。

因此,采用AT供电方式可以大大降低牵引
网的能耗。

此外，AT电源的供电容量稍强，适合经常需要停运的城市轨道交通；(4)借助模拟技术进行科学计算，合理规划要求设置牵引变压器电压，合理选择
牵引变压器容量。

2.2照明节能设计
照明节能设计需要综合考虑场所、环境、使用等方面的要求，选择合适的电
源和照明以减少浪费。

一般来说，地面站应尽量保持透明，自然采光，照明灯具
应选择节能灯,以满足照明要求的同时降低能耗。

除了选择合适的灯具，设计照
明控制和管理系统也非常关键，设计合理的照明控制系统可以通过智能管理灯具，同时满足照明要求，进一步降低功耗，充分利用自然光。

照明控制系统在设计后
续的升级和更换时必须考虑到，还可以借助BAS系统实时监控照明,自动控制开关，捕捉自然光的位置，可以进行照度调节，实时调节照明强度。

2.3使用新能源
利用可再生能源，设置光伏发电系统。

在高架车站屋面设置光伏发电面板，
在收到采光和遮阳效果的同时，利用光电效应产生电能，电能并入低压侧电网，
为车站动力照明系统提供电力。

车站屋面通过设置光伏组件并接入组串式逆变器，通过汇流箱汇流后通过电力电缆引到车站附属设备房400V低压开关柜室并网柜，并入至车站三级负荷母排开关。

常规光伏系统由以下组件组成：①多晶硅双玻璃
光伏组；②光伏逆变器；③交流汇流箱；④并网柜。

光伏发电系统向车站交流电
网馈送电能的质量（谐波、电压偏差、电压波动和闪变电压不平衡度、功率因数、频率等）在符合满足现行国家规范、规定标准的同时，持续为车站提供源源不断
的绿色清洁能源。

在城市轨道交通中，太阳能光伏发电技术还可以应用到多个项
目中，例如停车场、车辆段和客运中心等场所，达到节能的目的。

2.4配电变压器的节能措施
变压器的损耗主要是指负载损耗和负载损耗，我们称之为铁铜损耗，变压器
的输出功率总是小于输入功率γ=输出功率/输入功率效率越高，降低变压器的损
耗就越能实现节能。

(1)选择节能变压器目前在地铁设计中选用的终端变压器，
即压敏电阻器，主要是节能变压器S11系列低损耗变压器比S9系列更进一步优
化设计，选择不同的芯材，降低空载损耗，例如使用复合铁芯、r型钢芯或非晶
合金芯；(2)根据变压器的实时平均负载速度选择合适容量的变压器，变压器的
平均输出相对于变压器额定功率，变压器负载=有功计算负载(千瓦)/装配容量
(兆瓦)/功率因数(补偿功率因数，不低于0.9)当变压器铜值等于铁损耗时，变压
器损耗最小且最有效，因此负载是最佳负载率，当达到最佳负载时，变压器容量
的选择应尽可能地满足变压器的负载；(3)我们在此讨论的变压器的功耗不仅与
材料、变压器结构有关，但是，变压器在配电系统中的工作方式也可以在不补偿
电源的情况下利用配电系统中电容器组的设置来补偿电感负载；(4)变压器基本
上通过调整变压器三相负载平衡来达到平衡，不仅提高了其功耗，而且还增加了
电路的损耗，因此在设计配电时必须确保三相电流的平衡。

2.5合理选择变压器及其选址
按国家绿色标准设计，合理设置降压变电所位置，尽可能设置在车站大端设
备区内。

真正做到变电所靠近用电负荷中心，低压末端配电的级数不超过三级，
降低配电系统自身的能耗。

在选择变压器时，根据《电力变压器能效限定值及能
效等级》（GB20052—2020）及《绿色建筑评价标准》（GB/T50378—2019）选择
高效二级以上节能型变压器。

当前，在地铁设计中，降压变电所末端的配电变压
器通常是SCB11系列的节能型变压器。

这个系列的变压器电能损耗与SCB10系列
比较结构更优化，选择新的铁芯材料，降低空载损耗及负载损耗，大大提高经济
效益。

按照各用电专业提资合理计算变压器负载率，合理选择变压器的容量。

2.6供电器容量的择优处理
要想选择电气容量最优的组合，还需要针对我国供电电价的具体情况，做出详细的配比和选择。

对于我国城市轨道交通的供电方式来讲，我国的供电电价分为月计和年计，在这里就不进行一一的赘述。

要特别指出的是，电器都是根据我国供电电气的电气容量来进行收费的。

而要想实现电器容量最合理的安装，就需要我们按照实际的电度综合电价来进行缴费和计算，并针对安装的电器容量上交实际的电量费用。

倘若在供电过程中采用独一方法进行电费缴纳，将不会从长远角度上降低供电成本，反而增加了供电设备磨损程度，并且容易产生较大供电成本。

且以此为依据，还需要考虑到供电电器容量的使用寿命对供电器容量以及其成本的影响。

在供电器供电过程当中，供电设备使用状况一般为25~30年。

而从节约降低电器容量，消耗磨损的程度来讲，就需要我们，调整供电设备的供电容量来进行供电，从而降低供电成本，做到供电电量的节约、节能和环保。

结束语
我国城市轨道交通建设进入快速发展阶段，电气节能设计必须积极引入多种节能环保措施。

根据工程情况，具体分析电气设备的性能和电力需求，并引入合适、高效的节能技术，必将成为铁路运输节能技术发展的趋势。

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