分析地鐵列車制動電阻的種類和選擇

      地鐵客車的運(yùn)行特點是站距短,列車運(yùn)行密度高,起制動頻繁,制動減速度大。具有控制精確、制動平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)點的再生制動已經(jīng)在地鐵的客車中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國內(nèi)外軌道交通的運(yùn)營經(jīng)驗,地鐵再生制動產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20% 及以上。這些再生能量除了按一定比例(根據(jù)列車行車密度和區(qū)間距離的不同而異)被其他相鄰列車吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,將導(dǎo)致地鐵直流電網(wǎng)電壓大幅度升高, 會威脅牽引電網(wǎng)及列車行車安全。
 
      雖然國內(nèi)外進(jìn)行了一些列車再生能量回收技術(shù)的研究和應(yīng)用實踐,如超級電容、飛輪等, 但這些技術(shù)目前還屬起步階段,尚無法大量應(yīng)用。在這些技術(shù)取得實質(zhì)性突破前,多余的再生制動能量仍將以電阻消耗為主。

      一、地鐵列車制動電阻的種類
      1、按制動電阻冷卻形式分類
      制動電阻在消耗列車多余的再生能量時, 其產(chǎn)生大量的熱能必需散發(fā)到大氣中去。因此, 若不能采取有效的散熱手段, 制動電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動電阻內(nèi)部, 在很短的時間內(nèi)就足以導(dǎo)致制動電阻燒損。按冷卻形式,制動電阻可分為強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動電阻和自然通風(fēng)冷卻型制動電阻兩類。

      A、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動電阻
      強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動電阻元件封閉在一個通風(fēng)風(fēng)道內(nèi); 風(fēng)道的一端安裝有一臺風(fēng)機(jī), 另一端通向大氣; 電阻帶平行于通風(fēng)方向布置, 以利于減小風(fēng)阻和提高散熱效率。此種制動電阻的顯著優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕, 便于在車輛上安裝而不占用過多的設(shè)備安裝空間, 因而適用于安裝空間有限而制動功率較大的情況。但由于其需要一臺用于散熱的風(fēng)機(jī), 必然會增加列車的能量消耗和噪聲; 另外, 為確保通風(fēng)正常、防止制動電阻燒損, 還必須安裝風(fēng)壓監(jiān)控及溫度監(jiān)控裝置。因此, 雖然其初期投資成本在各種制動電阻中是最低的, 但長期應(yīng)用成本較高。

      B、自然通風(fēng)冷卻型制動電阻
      自然通風(fēng)冷卻型制動電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動電阻元件布置在一個相對開放(滿足基本的外部防護(hù)要求) 的框架內(nèi); 電阻帶垂直于地面布置以利于空氣自然對流換熱。

      由于不需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱, 不需要額外的能量消耗, 而且由于其結(jié)構(gòu)最為簡單, 故障率很低,不需要額外的監(jiān)控裝置, 因此長期應(yīng)用成本較低。但由于其采用自然通風(fēng)冷卻, 必然需要很大的空間布置電阻帶, 且質(zhì)量大, 因而只適用于制動功率較小且具有足夠設(shè)備安裝空間的場所。此外, 此種制動電阻為增加電阻帶熱容量, 電阻帶使用量也大大增加, 初期投資成本也因而大大增加。

      2、按制動電阻安裝位置分類
      目前, 國內(nèi)外絕大多數(shù)地鐵列車的制動電阻均采用車載制動電阻方式, 也有部分城市軌道交通的線路制動電阻直接掛接在牽引變電所直流母線而安裝到地面上。

      A、車載型制動電阻
      車載型制動電阻分散安裝在各動車底板下。同時, 制動斬波器須集成在VVVF 逆變器, 可直接檢測線電壓, 因而控制較為容易, 列車運(yùn)行較為靈活可靠。由于車載型制動電阻只需要考慮本列車多余再生制動能量的吸收, 因此體積和容量均不大。雖然其產(chǎn)生的熱量會帶來隧道和站臺內(nèi)的溫升問題, 但單列車產(chǎn)生的熱量對線路環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加有限。由于需安裝在車輛上, 必然要占用有限的設(shè)備安裝空間, 增加了車輛的質(zhì)量以及購置、維護(hù)成本。

      B、地面型制動電阻
      若采用地面型制動電阻, 每個牽引變電所均須安裝一套, 并須有配套的制動控制系統(tǒng)。地面型制動電阻可安裝在地下牽引變電所內(nèi), 也可單獨安裝在地上。它通過檢測直流母線電壓調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比而改變制動電阻消耗功率。但其制動控制系統(tǒng)的控制難度大, 使列車運(yùn)行可靠性降低。由于在一個牽引變電所供電范圍內(nèi)有數(shù)列列車運(yùn)行, 需要消耗的制動能量大大增加, 因此制動電阻體積和容量龐大; 同時, 由于產(chǎn)生的大量熱量集中排放, 必須有制動電阻專門的散熱環(huán)控設(shè)備。這些設(shè)備占用了線路的有限空間, 使地鐵的建設(shè)成本也有所增加。另外,地鐵線路一般位于城市繁華區(qū)段, 在地上安裝制動電阻的成本將更加高昂, 且會影響周邊環(huán)境。

      二、地鐵列車制動電阻種類的選擇
      由于各種制動電阻各有優(yōu)缺點,因此在地鐵線路設(shè)計時, 就要綜合考慮線路的地理條件、對環(huán)境的影響、列車制動能量等系列因素,并對各制動電阻方案進(jìn)行全壽命周期成本分析, 以選擇最適于該線路條件、全壽命周期成本最少的方案。

      另外,合理安排列車發(fā)車間隔時間, 使列車制動時相鄰列車運(yùn)行于同一牽引變電所供電范圍內(nèi)且處于牽引工況, 可最大限度利用再生制動能量, 減少制動電阻上的電能消耗, 從而可選擇功率、體積更小的制動電阻,以降低制動電阻采購和使用成本。例如, 某地鐵線路由于大部分位于人口稠密的繁華地段,人流量較大, 為了減少建設(shè)成本同時減少對周邊居民環(huán)境的影響, 選擇車載制動電阻類型; 由于車底設(shè)備安裝空間有限, 選擇了占用空間較小的強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動電阻。