地铁供电系统节能降耗技术实践探究

杨栋山

中铁建电气化局集团南方工程有限公司 湖北 武汉 430000

据国家运输部公布的数据显示，截止2022年12月31日，我国31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团共有53个城市开通运营城市轨道交通线路290条，运营总里程达9584公里，为城市中人们的出行提供极大便利，但这背后确是巨大的电能消耗。经统计，每年每个城市地铁消耗电量约2亿度，全国全年地铁运营便需要消耗以百亿度计电能，约为全社会总用电量的2%，在能源越发紧张的今天便更需要在地铁供电系统中应用节能降耗技术，以减少运营地铁期间的电能消耗。

1 地铁运营耗电分析

1.1 牵引用电

地铁牵引系统是地铁运行的核心，是地铁动力的来源，我国民用电力一般为220V交流电，但地铁大多采用750V/1500V的直流供电系统，因此，地铁运行所需电力，是有电厂将电能传输至牵引变电所，而后牵引变电所根据地铁牵引的需要将电力转换为不同标准，最后将电力输送至地铁运行网络上空架设的电力接触网，从而为地铁的运行供给电力。

地铁牵引供电系统是列车运行的动力来源，也是地铁运营过程中耗电占比最大的部分，经数据调查，地铁牵引用电占地铁运营所耗电力的50%—60%，是当前开展地铁供电系统节能降耗技术应用需要重点关注的部分，因牵引所需的巨大耗电量，一些基础改动便能够进一步提升地铁运营节能降耗的标准[1]。

1.2 照明系统用电

照明系统是保证地铁运营的基础条件，城市轨道交通机车之所以被称为，便是因城市轨道交通机车部分车站和线路处于地下，设立地铁的初衷是为缓解城市交通压力，机车在地下条件下运行，便能够在不增加地上交通设施的同时，分摊地上交通的压力。但在地下条件下运行，车站入口、行人通道、候车站台等车站内设施必须保证照明条件，才能够保证过往行人的舒适度和车站运行。

地铁照明系统根据不同的用途和分布区域又分为公共区工作照明、公共区节点照明、电缆夹层照明、导向标志照明等，车站的规模越大，所需要的照明设施便越大，在当前城市建设快速成型的时代，为保障车站的照明需要，地铁照明系统耗电已经成为车站总耗电的主要占比之一。地铁车站的规模不同，照明耗电占比也不同，一般地铁照明系统占总耗电占比的4%-7%，因此，照明系统的节能也是当前地铁供电系统节能降耗工作的当务之急[2]。

1.3 办公场所用电

为维护地铁车站的安全、整洁，保障过往行人的出行舒适度，地铁车站需要建立包括通信系统、信号系统、消防系统、给排水系统、无人售票系统、便民设施等各种设施，繁复设备也是地铁运营耗电的一部分。

各项系统都是人们出行乘坐地铁时必要的条件，具体如下：1.通信系统。地铁作为当前人们在城市中出行的主要设施之一，在断则数分钟、长则数十分钟的地铁乘坐时间里，若离开通信系统的支持，会导致人们的生活、工作受到影响，这也导致通信系统是当前地铁车站必备的运营条件。2.信息系统。为便于行人等候，使人们在机车进站时能够原理停车区域，车站的等候信息公布设施也是必备的。除此之外，机车位置信息也是控制运营的关键，通过信息系统传递的机车信息，地铁调度控制中心能够更好的开展管理工作。3.消防系统。消防是公共场所必须建设的基本运营条件，据中国城市轨道交通协会公布的数据显示，2022年我国各城市的轨道交通全年客运量达194亿人次，庞大的数据下若隐藏消防风险，所造成的安全事故将不可估量。消防系统又包括烟雾报警设施、火灾报警系统、消防泵、灭火系统、消防通风设施等，为保证消防系统始终处于高标准工作状态，必须全工作时段供电，所耗电力也是地铁能耗占比的重要部分[3]。4.给排水系统。给排水系统是保证地铁车站工作人员饮用水、清洁用水、污水排放等需要的保障性系统，给排水系统中的供水水泵和排水加压设施是系统中耗费电能的主要因素，又因水资源是开展工作和保障工作人员日常生活的基本条件，需要保证全天候高标准工作状态，其耗费的电能也是巨量的。5.无人售票系统。在过往的地铁运行中，车票是由人工售查的，但随着人们对地铁需求的逐渐增加，人工售票、查票的方式已经不能满足需求，在科学技术的支持下，地铁售票、查票当前已经脱离人工的限制，由无人售票设施、自动查验门闸、智能设备二维码等方式进行售票、查票工作，但无人售、查票设施的运转同样需要电能的支持。6.便民设施。地铁的设计是为方便全体民众，部分残障人群并不具备乘坐门梯、走楼梯的条件，因此，在地铁站中还需要建设垂直式电梯、轮椅升降机等设施，实现地铁为全民服务的目标[4]。

1.4 环控用电

地铁车站的环境控制是营造过往行人舒适体验的关键性保障，主要包括：车站温度调解设备、车站空气流通设备等，在建筑施工的概念中被统称为暖通工程。首先，车站中央空调作为温度调解的重要设备，其对电力的消耗难以想象的，但地铁车站大部分建立在地下条件中，其温度调节难度较地面条件更为苛刻，使得空调成为当前地铁、车站耗费电力的主要因素之一。其次，地铁车站是为城市全体民众服务的，每年车站进站人数难以估量，以客运量最多的广州地铁为例，2022年全年广州地铁进站量人数达127332.2万人，海量的人数在拥挤的车站中来往，导致地铁车站、车内的二氧化碳浓度激增，且在车内相对密闭、车站多数处于地下的条件基础上，为保证来往行人的舒适度和人身安全，车站和机车内必须建设空气流通设施[5]。

通风空调的耗能巨大，为将车站、车内温度控制在人们的舒适条件下，车站、车内的暖通工程耗电量便要占地铁运行消耗电力总量的25%-35%，因此，在环控耗电的海量条件下，降低地铁暖通工程的耗电量将是地铁供电系统节能降耗工作的主要突破方向之一。

1.5 门梯用电

地铁车站和候车点多处于地下，一般地铁深度处于20m-30m之间，且最深的重庆地铁车站深度可达94m，若过往人们只能通过步梯的方式进出车站，将会严重影响车站的日常运营效率，因此，地铁车站门梯同样是车站重要的设施之一。与其他设施不同，门梯因造价问题，在每个车站门口少则1个，多则3个，不会设置过多的门梯，但即使1人进出车站，门梯也许进入工作状态，在此条件下，门梯的耗电量会因不同时段的发生急剧变化[6]。

门梯的耗电量占地铁运行总耗电量的2%-5%，作为车站主要耗电设施之一，门梯的节能降耗工作同样不可忽视。

2 地铁供电系统的节能设计

2.1 主变电所设置

主变电所是地铁整条线路的总变电所，是承担地铁运营期间电能转换与输送的重要设施，主变电所的职能是将城市电网中的高压电转换为牵引变电所适用的电压等级，而后输送给牵引变电所，是整个地铁供电系统的源头。为开展地铁供电系统的节能减耗工作，主变电所设计便必须重视，首先，主变电所作为整个地铁供电系统的源头，其重要性不言而喻，而保证主变电所功能性的各项设备价格自然居高不下，因此，主变电所应设置在两条地铁运营线路的中间点，使同一主变电所能够保障两条地铁线路的运营供电需要，在共享设备的前提下，减少地铁运营投入[7]。其次，供电系统的各个节点增加，会加剧电能在传输过程中的消耗以及设备投入，在设计主变电所时，应在保证地铁线路供电需求的基础上，尽可能减少供电节点的设置，从而减少电能损耗，达成地铁供电系统节能降耗的目的。

2.2 选择适合的中压网络

中压网络是连接主变电所、牵引变电所和降压变电所的媒介，通过中压网络的布置才能够实现电力的传输，从而构建地铁供电系统。中压网络的接线形式主要包括放射式、环网式两种，首先，放射式接线的可靠性较高，采用放射式接线的中压网络各供电线路相对独立，单条线路发生故障时不会影响其他线路的正常工作，但放射式接线需要消耗较多的有色金属，导致中压网路建设的造价提升，一般适用于大型设备或负荷性质重复条件下的供电。其次，环网式供电较为灵活，其结构较为清晰，采用环网式供电建设的中压网络在正常运行条件下，其最大负荷能够达到线路允许载流的50%，因此，其单挑线路的可靠性较放射式接线更高[8]。

采用高压电力传输是因电压越大传输损耗越小的特性，而中压网络作为地铁供电系统中变电所之间的连接媒介，选择合适的中压网络能够更好的完成电力传输，但电力传输损耗越小的中压网络造价便越高，在选择中压网络时应综合地铁项目运行需要，不应过于纠结于造价或后期使用效果等片面因素。

2.3 牵引、降压变电所的设置

首先，在牵引变电所的工作流程中，主要通过直流快速断路器来保证上下行接触网的供电需求，为地铁的运行提供电能，为开展地铁供电系统的节能减排工作，牵引变电所应进行相应的更改设置。牵引变电所应改变传统供电方式，采用双牵引整流机组进行供电，两套设备同系统、同时运转，能够降低电力在传输过程中的损耗。整流机组运行期间应做到负载平衡，降低阻抗电压的不平衡度，以保证双牵引整流机组的正常运行[9]。

其次，降压变电所能够将10kV、35kV的中压转换为地铁运行所需的750V或1500V电压，进而将符合地铁运行需要的电压输送至接触网。但电压越小在传输的过程中损耗的电力便越多，因此，为实现降压变电所的节能目标，在设计降压变电所是，应尽量选择靠近负荷中心的位置，从而减少配电电缆的长度，以达到减少在传输电力的过程中损耗电能的设计目的。

2.4 合理敷设电缆

电缆是地铁传输系统中电力传输的主要媒介，无论是高压、中压、低压用电设备和变电站之间都需要电缆的连接，合理的敷设电缆能够将地铁供电系统的节能降耗工作效果最大化。

首先，当前中压网络的电缆敷设一般采用三芯电缆，在电力传输的常识中，电缆长度的增加会提高电力传输的损耗，但在使用单芯电缆的进行敷设时，电缆线路会产生电抗，从而增加电力传输的损耗，因此，敷设单芯电缆时应呈品字形排列，能够有效降低线路电抗，防止涡流的形成，保障电力传输的效率和安全。

其次，电缆敷设方式需要根据地铁现场情况选择，主要包括架空、地下、水底、墙壁和隧道等多种方式，在不同的条件下选择符合电缆的方式也需要进行调整，具体选择需要根据实际情况进行判断[10]。

2.5 时段性节能改动

地铁的全天客流量根据地铁周边工作时间、学校周边时间等规律分为高峰时段和非高峰时段两部分，时段性节能改动便是将地铁中用电设备在非高峰时段的功率降低以实现节能降耗的目标。可以应用时段性改动的耗电系统包括照明系统、电梯系统、无人售票系统、空调通风系统等，在非高峰时段地铁车站的进出客量与高峰时段地铁车站的进出客量相差巨大，以2023年4月7日的广州东站进出客量为例，广州东站全天进客量约8.4万人次，出客量约7.5万人次，其中早06：00-09：00与晚17:30-20：00的早晚高峰便约占据全天进出客量的70%，此时所有设备都应高功率运行，一般保障过往行人的舒适度。与之相反，在非高峰时段时，可以通过关闭50%照明设备、降低暖通空调功率、关闭部分电梯的方式进行节能降耗[11]。

3 可再生能源的利用

可再生能源是当前节能降耗的主要方式之一，为提高车站环节车站供电系统的电能消耗压力，应通过可在能能源的利用产生电力，降低地铁、车站各设备对电力的消耗。

首先，可再生能源的第一目标便是太阳能，大部分地铁车站的周边都有较大空地，且地铁入口上也能够安放太阳能设备，进而通过太阳能设备发电，为车站提供电能。

其次，可再生能源的第二目标便是风能，一般风能发电装置占地较大，因此，风能发电设施不便设置在城市中，但地铁建设时可在城市郊外设立风能发电设备，通过电缆的连接为车站设施供电。

最后，地热能同样是近年来可再生能源的代表，通过挖掘地热井到达地表深处，能够获取超过150℃的地热能，从而用于发电环节车站的用电能耗问题。

可再生能源的发电效率较车站、地铁消耗的海量电能相比微乎其微，但可再生能源的可再生、无副作用特点，能够缓解一部分地铁运营的电能消耗压力，进而实现节能降耗的目的[12]。

4 结束语

综上所述，地铁是现代人们在城市出行的主要交通保障，但地铁机车极其附属设施消耗的电能极其庞大，为保障城市的可持续发展，相应国家节能减排的号召，相关工作人员应积极应用节能降耗技术，为地铁的未来发展指明方向。