城市轨道交通车辆段再生制动能量电阻吸收装置选型及散热分析

霍长龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 710043, 西安)

在我国政府倡导节能减排的大背景下, 城市轨道交通系统的节能问题愈发重要。如何依托装置选型、技术方案优化有效降低城市轨道交通的能耗,对于促进城市轨道交通可持续发展具有重要的现实意义。现阶段城市轨道交通项目一般设置再生制动能量吸收装置,列车也逐步取消了车载制动电阻而仅保留了过渡电阻。城市轨道交通车辆段均设置有地面再生制动能量电阻吸收装置,该装置缺点较为明显,需要有效地解决散热问题。

本文基于某城市轨道交通项目,围绕车辆段再生制动能量电阻吸收装置(以下简称“装置”)的电阻值选取、选型及散热分析等方面进行论述。

1 车辆段再生制动能量计算方法

列车再生制动能量计算的输入条件为:列车为8辆编组(6M+2T,M为无受电弓的动力车,T为拖车),试车线列车运行速度为80 km/h,场段内库外列车运行速度≤20 km/h,库内列车运行速度≤5 km/h,场段最大收发车间隔约为190 s,全日最小收发车间隔为6 min。列车在制动工况下运行于自然特性与恒转矩两种控制模式下,列车在牵引工况下运行于恒转矩、恒功率及自然特性控制模式下[1]。图1为列车再生制动特性曲线示意图。

注:Fe为牵引电机的牵引力;v为列车速度;v2、v1分别为列车在恒转矩区的起止速度;v3为列车在自然特性区的起始速度。

由图1可以得出自然特性区的列车再生制动特性曲线方程为:

Fev2=f

(1)

式中:

f——常量。

恒转矩区的列车再生制动特性曲线方程为:

Fe=g

(2)

式中:

g——常量。

由图1可见:当列车处于恒转矩区时,其起、止速度分别为v1、v2,平均加速度为a1;当列车处于自然特性区时,其起、止速度分别为v2、v3,平均加速度为a2;当列车速度降至v3时,列车将切除电制动转换为空气制动直至停车。

通过计算可得到:列车在恒转矩区的运行时间t1=(v1-v2)/a1,列车在自然特性区的运行时间t2=(v2-v3)/a2,列车在降速过程中总的制动时间t=t1+t2。

结合列车的再生制动特性曲线方程及式(1),可推导出列车在再生制动阶段的机械功率瞬时值:

(3)

PB=Fev=gv

(4)

式中:

PA、PB——自然特性区和恒转矩区列车的机械功率瞬时值。

根据图1,在各制动时段内输入轮缘的机械能为:

(5)

(6)

式中:

WA、WB——制动时段内输入轮缘的机械能。

通过上述推导可以得出t内,电机至传动齿轮的平均机械功率为:

(7)

式中:

W——制动时段内输入轮缘的总机械能;

PGear——制动时段内输送到传动齿轮的平均机械功率。

忽略列车的辅助用电设备,可以得出列车反馈至牵引网的平均有功功率PN为:

PN=η1ηMηGearPGear

(8)

式中:

η1——逆变器的效率;

ηGear——齿轮的传动效率;

ηM——异步电机的效率。

2 车辆段内列车运行工况分析

列车在车辆段内的运行工况如下:

1) 工况1:仅考虑在试车线上对列车进行调试或对新司机进行培训。

2) 工况2:可按照两列车同时制动计算最大制动功率。表1为全日部分时段行车计划。

表1 全日部分时段行车计划

结合表1可得,车辆段内最大收发车数量为10辆,最小收发车间隔为6 min。因此,车辆段可按照两列车同时制动计算最大制动功率。

3) 工况3:考虑极端工况,在试车线上对列车进行调试或对新司机进行培训,且场段内同时有1列车进行制动。

3 再生制动能量电阻吸收装置选型分析

3.1 工况1

结合列车再生制动特性输入条件为:列车平均减速度为-1.0 m/s2,ηGear=0.975,ηM=0.930,η1=0.980。图2为列车再生制动力、阻力特性曲线。

图2 列车再生制动力、阻力特性曲线

根据式(5)—式(7)结合图2可以求出:W为84 178 kJ,t为19.44 s,PGear为4 330 kW,PN为3 848 kW,牵引网侧的平均电流IN为2 332 A。

图3为单电机制动功率、电流特性曲线。结合图3可以求出:传动齿轮侧的瞬时最大机械功率PGear,max为8 880 kW,牵引网侧的瞬时最大有功功率PN,max为7 890 kW,牵引网侧的瞬时最大电流IN,max为4 781 A。

图3 单电机制动功率、电流特性曲线

3.2 工况2

工况2下的计算结果为:W=8 578 kJ,t=2.78 s,PGear=3 085 kW,PN=2 741 kW,IN=1 661 A,PGear,max=6 240 kW,IN,max=3 360 A。

在实际工程中,装置选型应统筹考虑技术与经济性价比。因此,制动电阻的总电阻值考虑一般按照工况1选取。吸收电阻的电阻值应能可靠吸收车辆制动时的瞬时最大电流,装置的总冷态电阻值[2]为:

(9)

式中:

R0——装置的总冷态电阻值;

IN,max——制动时的瞬时最大电流;

U——导通电压。

本文设定U为1 730 V,可得R0为0.36 Ω。将装置导通比设定为90%,按照4支路考虑可得支路冷态电阻值为1.5 Ω。

则单个支路的最大短时功率为:

(10)

式中:

PZ0——支路的最大短时功率;

RZ0——支路的冷态电阻值。

由式(10)可得PZ0为509 kW,装置的最大短时功率为2 036 kW,因此装置峰值功率可选定为 2 400 kW。

4 再生制动能量电阻吸收装置散热分析

装置配置有过热保护:当装置空气出口的温度达到200 ℃时,吸收功率自动降低为额定吸收功率的2/3;当装置空气出口温度超过220 ℃时,吸收功率自动降低到1/2并报警;当装置空气出口温度超过235 ℃时,装置将自动关闭。因此,必须有效地解决装置的散热问题,才能保证装置正常运行。

按照持续的均方根电流计算装置的持续散热功率。装置运行周期内(总时长为120 s,制动时长为20 s)的持续均方根电流为:

(11)

式中:

IC——装置运行周期内的持续均方根电流;

tZD——制动时间;

T——运行周期。

根据式(11)可得装置在T内的持续散热功率为326 kW。上述计算采用的电阻值实际上是电阻的冷态电阻值,冷态电阻值为室温20 ℃时的电阻值。装置在实际运行工况中电阻值会随着温度的升高而升高,一般将600 ℃时的电阻值称为热态电阻值[3]。

以本工程为例,采用4支路额定功率为2 400 kW的装置,经仿真验证得到电阻运行温度时程曲线。单支路600 kW额定功率电阻运行温度时程曲线,如图4所示。当装置持续工作时,电阻的最高温度可达550 K即288 ℃。根据式(12),可以计算出热态电阻值为[3]:

图4 单支路600 kW额定功率下电阻运行温度时程曲线

R288=R20(1+ΔTcf)(1+DR)

(12)

式中:

R20、R288——20 ℃及288 ℃时的电阻值,单位Ω;

cf——温度系数;

ΔT——温度差,单位℃;

DR——制造容差。

式(12)中,cf取0.55×10-3,DR取7%。经计算得到R288=0.44 Ω,则装置在运行周期内的持续散热功率为398 kW。

电阻柜采用强迫风冷冷却方式,装置的散热方式以空气辐射换热和对流换热为主[4],电阻柜散热功率采用单位面积法计算[5-6]:

QRE=aS(tR-t∞)

(13)

式中:

QRE——装置散热功率;

S——等效散热面积;

a——表面传热系数,a=11.63+7v,其中v为室内空气流速;

tR——电阻表面温度;

t∞——柜内冷却空气温度。

此处假定环境温度为25 ℃,装置内冷却空气温度为100 ℃,电阻表面最高温度为288 ℃。假定室内机械排风风口的风速不低于5 m/s时,依据上述设定可计算出装置的散热功率为207.63 kW。

由上述计算可知,当室内机械排风口的风速为5 m/s时,不能完全排出室内的热量。经计算当机械排风口风速不低于10 m/s时,才能完全将室内热量排出室外。

在实际工程设计中,装置多采用如下3种布置方式,即:全室外布置、半开放式布置(固定百叶或半开放式)、全室内布置(机械通风)。针对装置的布置方式应首选全室外布置方式,慎用半开放式布置方式。当采用半开放式布置方式时,若通风条件不良仅利用自然通风是无法完全将装置产生的热量排出室外,极易造成装置过热保护影响正常运营,可优化为活动百叶与机械通风相结合的模式。

5 结语

1) 结合车辆段内实际运行工况,系统地给出了车辆段内装置制动电阻的计算及选取方法。

2) 在实际工程设计过程中,一般依据装置峰值功率结合其间歇工作的特性,估算装置的散热功率。上述计算方法并未考虑热电阻工况,因此对于输入至环控专业的散热功率是存在一定程度的偏差。文献[6]并未直接明确电阻类装置散热功率的计算方法。上述原因造成了装置在运行过程中会出现过热保护影响正常运营。本文系统性地给出了装置散热功率的估算及散热功率的校验方法。

3) 针对装置的布置方式,认为应首选全室外布置方式。全室外布置方式存在运维条件恶劣、环境不够协调友好等问题,近年来常采用半开放式布置方式或固定百叶的半开放布置方式。在实际的运行过程中,电阻柜房屋面积较小,通风不畅经常会造成装置过热保护。结合理论计算给出了电阻柜半开放式布置的优化方式。虽然装置属于常规设备类型,设备本身并无创新性,但在节能减排的大背景下,如何精细化的设计对于城市轨道交通节能减排具有一定的积极意义。