【摘要】随着我国城市轨道交通行业的高速发展，开展城市轨道交通节能设计探讨，对提高城市交通效率，降低城市运行成本具有重要意义。城市轨道交通系统以电力为基础动力，由多种形式的设备系统组成，需要大量的电力资源作为支撑。为解决城市轨道交通的电力损耗问题，本文对城市轨道交通能耗情况进行探讨，主要从牵引、动力照明节能设计方向进行分析，提出相关解决措施，以降低电能的损耗。
【关键词】城市轨道交通；绿色节能；设计
0引言
我国是能源消耗大国，随着自然资源的大量消耗，国家越来越重视节能减排和可持续性发展，制定了一系列的节能标准以及相关的法律法规。各行各业节能设计都需要遵循国家的法律和法规要求。城市轨道交通是一项复杂的工程，涉及多个专业领域，因此需要从各个专业角度进行系统化的节能设计，制定科学有效的城市轨道交通电气节能措施，一方面确保轨道交通正常运行，另一方面实现电气节能的目的。
1城市轨道交通能耗情况
据调查在城市轨道交通系统运行过程中，系统总能耗主要包括电、燃气、燃油等能源，其中主要为电力消耗。电能是支撑城市轨道交通运行最主要的能源，其在使用过程中可以被划分成牵引系统用电以及动力照明系统用电（见图1）。在详细了解城市轨道交通各系统用电负荷，分析其中存在的能源损耗情况后，设计人员给出科学应对措施，从而降低电力资源的损耗[1]。既确保城市轨道交通系统的正常运行，又能达到低碳节能的目的，推动轨道交通行业的有序发展。
2城市轨道交通电气节能设计
2.1牵引系统节能设计
在城市轨道交通用电系统中，列车牵引耗能占较大比重，其耗能受方案设计的影响较大。牵引用电节能设计优化主要体现在以下几个方面：（1）科学的交通线路设计，可以降低牵引损耗，或尽可能降低坡道的相对高度。（2）行车交路需要从多个角度进行方案对比，例如，交路长度、配线路径、客流量以及运营等，在确保客流量满足需求的情况下，分时段设计行车交路和列车对数，提高列车载客量，减少跑空车的次数，在空车和乘客量少时，适当减少牵引用电量。（3）合理选择牵引供电方式。牵引网供电方式普遍采用自耦变压器供电方式，即AT供电方式。对节能角度而言，AT供电方式牵引网阻抗较TRNF供电方式相比有明显优势。因此采用AT供电方式可大幅度降低牵引网能源损耗。此外AT供电方式供电能力也更强一些，适合于需经常停启的城市轨道交通。（4）借助模拟仿真技术进行科学计算，合理规划需要设置牵引变电所的车站，合理地选取牵引变压器容量[2]。
2.2动力照明系统节能设计措施
2.2.1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。
2.2.2采用节能型设备及节能控制方式
车站设备、通风空调系统和给排水系统要根据车站状况提出适合的控制模式。在全日车站运行中此类设备负荷变化较大，车站的自动控制系统要根据不同季节及当日早、晚客流高峰时期实现系统的季节性和时间性调节，从而取得节能运行的目的。垂直电梯采用群控、变频调速或能量反馈等节能控制方式；自动扶梯采用变频感应启动等节能控制方式。同时，所有末端用电设备尽可能采用节能高效型，实现变配电系统的经济运行。站内电扶梯、非消防类风机和冷冻水泵等设备优先采用变频运行方式，提高电动机的能效。车站照明根据《建筑照明设计标准》（GB50034—2013）及《城市轨道交通照明》（GB/T16275—2008），各场所的照度值与照明功率密度值按不高于规范要求值执行，同时采用寿命长、光效高、显色性好的照明光源，灯具采用节能高效型，并设置智能照明控制系统。车站根据使用需求分为公共区与设备区，设备区采用传统照明控制（就地开关控制）与智能控制（配电箱内安装智能照明控制模块）相结合模式，对公共区域主要采用智能照明系统。依据站厅站台公共区照明回路分布，系统设备主要选用室外光照度传感器、时间控制器、开关执行器、DALI调光控制器实现自动控制灯光回路的开关和调光回路的亮度调节，从而实现照明用电的节能。同时对整个车站各类别照明用电实现多模式管理（日常运营与夜间节电模式如表1所示）。
2.2.3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（见图2），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。
2.2.4装备再生制动逆变装置
目前，常见的城市轨道交通系统电制动方式分为再生制动和电阻制动。其中，再生制动的优点是能源回收。在列车进站或下坡时，通过该装置将动能、势能转化成电能，使其回馈至电网，有效回收利用电能。然而，再生制动产生的电能难以全部吸收利用，剩余电能会引起电网电压进一步上升。电阻制动能把多余的电能转化为热能排掉。当电网电压升到预设置判断电压时，电阻吸收装置将再生制动产生的超额能量消耗，稳定电网电压水平在正常值[3]。但同时电阻制动产生的大量热量散发在地铁隧道内，使地铁隧道内的温升加剧，提高通风空调系统的能耗，导致总体能量再生利用率降低。再生制动逆变装置的出现完美解决以上问题。此装置在逆变回馈模式（见图3）下将车辆制动时的直流电能逆变成交流电与车站内中低压电网并网，将电能反馈输送至站内电扶梯、照明、通风空调等用电设备上[4]。用逆变装置代替部分或全部电阻制动，使接触网上剩余的电能不转化成热能，而是回馈至车站内低压配电系统，实现能源的综合循环利用，最终达到节能的目的。
3结语
中国城市轨道交通建设已步入快速发展时期，其电气节能设计须积极引入多种节能、环保的措施。根据项目情况具体分析电气设备的性能和用电需求，引入与之匹配且高效的节能技术，势必也会成为轨道交通节能技术发展的趋势。
参考文献
[1]熊辉.城市轨道交通与电气节能[J].湖北农机化，2019（20）：57.
[2]张园园.新时期的城市轨道交通电气节能设计[J].科学技术创新，2019（26）：102-103.
[3]李建华，范越.城市轨道交通电气节能设计[J].电工技术，2016（7）：124-125.
[4]黄启枫.城市轨道交通再生制动发展分析[J].工业B，2016（1）：26-21.
作者：钱秀锋 单位：广东省建筑设计研究院有限公司
