地下鐵道供電制式與受流方式分析

許　斌

[摘要]對(duì)地下鐵道的供電制式與受流方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行分析，提出可采用的受流方式，為選擇供電制式與受流方式提供參考和建議。

[關(guān)鍵詞]地下鐵道 供電 受流 分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220024－02

地下鐵道工程受到廣泛重視，在我國(guó)城市軌道交通建設(shè)中得到了飛速的發(fā)展。作為影響地下鐵道系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)性和工程造價(jià)的重要因素供電制式與受流方式引起了人們的廣泛關(guān)注，為促進(jìn)地下鐵道的順利發(fā)展，有必要進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

一、目前供電制式與受流方式

當(dāng)前世界各國(guó)的城市軌道系統(tǒng)和車(chē)輛存在多種供電制式和受流方式。無(wú)論是歐美，還是日本，早期的地鐵、輕軌系統(tǒng)均采用了直流1000V以下供電方式，如DC 600V，DC 750V等。隨著技術(shù)進(jìn)步，20世紀(jì)70年代后期設(shè)計(jì)的地鐵系統(tǒng)更多地采用了DC 1500V的供電方式。

英國(guó)的倫敦、格拉斯哥等地的地鐵系統(tǒng)分別采用了DC 600V、DC 630V和DC 750V供電方式和接觸軌受流；而1980年開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)的英國(guó)紐卡斯?fàn)柕罔F，則采用了DC 1500V供電方式和架空接觸網(wǎng)受流。法國(guó)各城市軌道交通普遍采用DC 750V供電方式，但接觸軌、架空接觸網(wǎng)兩種受流方式并存；而客流量較大的巴黎地區(qū)快車(chē)線(xiàn)則采用了DC 1500V供電方式，架空接觸網(wǎng)受流。在德國(guó)的各城市其城市軌道交通供電電壓制式為DC 600V、DC 750V，接觸軌、架空接觸網(wǎng)兩種受流方式并存。

日本多數(shù)城市快車(chē)、地鐵、輕軌均采用DC 1500V供電制式和接觸網(wǎng)受流；單軌鐵路、部分地鐵線(xiàn)路及新交通系統(tǒng)、小型地鐵等交通系統(tǒng)則采用了DC 750V供電方式和接觸軌受流。

在我國(guó)的香港，地鐵采用了DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流；輕軌采用DC 750V供電方式，架空接觸網(wǎng)受流。北京、天津地鐵均采用了DC 750V供電方式、接觸軌受流。上海地鐵一、二號(hào)線(xiàn)及全線(xiàn)高架的輕軌線(xiàn)路明珠線(xiàn)，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。廣州地鐵一、二號(hào)線(xiàn)采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。深圳地鐵一號(hào)線(xiàn)，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。南京地鐵一號(hào)線(xiàn)，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。其它如武漢、青島、重慶、大連等地的地鐵、輕軌、單軌等的供電制式分別為DC 750V、DC 1500V兩種。

二、供電制式與受流方式的選擇

（一）常規(guī)供電制式

在IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）和UIC（國(guó)際鐵路聯(lián)盟）的規(guī)定中有600V、750V、1500V、3000V四種直流電壓制和25Kv，50Hz一種交流電壓制。我國(guó)GB50157《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB3317-82《電力機(jī)車(chē)通用技術(shù)條件》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：城市軌道交通車(chē)輛的供電制式為DC 750V、DC 1500V兩種；干線(xiàn)電氣化鐵路的供電制式為AC 25Kv，50Hz。

1．DC 750V（DC 500～900V）供電制式。該電壓等級(jí)在國(guó)外的城市有軌交通（地鐵、輕軌、有軌電車(chē)）和工礦機(jī)車(chē)上早有應(yīng)用。我國(guó)少數(shù)工礦車(chē)輛也采用此制式，而在我國(guó)城市有軌交通中的應(yīng)用，則始于北京地鐵。20世紀(jì)50年代末期，北京地鐵以前蘇聯(lián)生產(chǎn)的凸輪變阻技術(shù)地鐵車(chē)輛為原形，開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)的北京地鐵車(chē)輛。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，后來(lái)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了多種車(chē)型，但供電制式則一直沿用DC 750V制式。采用該電壓的供電系統(tǒng)多用接觸軌受流，而部分輕軌系統(tǒng)和有軌電車(chē)系統(tǒng)則采用接觸網(wǎng)受流。

2．DC 1500V（DC 1000-1800V）供電制式。20世紀(jì)的七八十年代，DC 1500V供電制在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是：線(xiàn)路電壓高，電損耗及線(xiàn)路的電壓降??；供電距離長(zhǎng)，變流站的數(shù)量相對(duì)減少。因此特別適合特大城市、大城市和近郊衛(wèi)星城區(qū)各種不同形式的軌道交通工具的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，也適用于中等容量的供電系統(tǒng)。DC1500V電壓供電的系統(tǒng)大多采用架空接觸網(wǎng)受流。

3．AC 25Kv，50Hz供電制式。在所有的供電制式中，AC 25Kv，50Hz供電制已被世界公認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、最有效的供電方式。作為交流供電體系，它可以克服直流供電制帶來(lái)的電路損耗問(wèn)題，供電距離可在40km以上，是大容量的軌道交通供電系統(tǒng)，一般主要應(yīng)用于干線(xiàn)鐵路中，在市郊列車(chē)和近郊快速軌道車(chē)輛中也有應(yīng)用。該供電制式有利于干線(xiàn)鐵路和市郊鐵路的過(guò)軌聯(lián)運(yùn)。

（二）DC 750V與 DC 1500V供電制式比較

與DC 750V相比，DC 1500V供電制式的優(yōu)點(diǎn)有：

1．DC 1500V牽引變電所供電距離可達(dá)3.5km，較DC 750V的增加一倍，因而變電所總數(shù)減少一半；

2．供電電流減少一半，線(xiàn)路上的電阻損耗大大減少，帶來(lái)明顯的節(jié)電效果及減少導(dǎo)線(xiàn)截面積等好處；

3．車(chē)輛受電端電壓降小。假定線(xiàn)路電阻相同，則DC 1500V時(shí)車(chē)輛受電端電壓降只有DC 750V的一半，這對(duì)車(chē)輛起動(dòng)，功率的發(fā)揮等都有相當(dāng)大的好處；

4．所有電氣設(shè)備的電流容量減小，有利于車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)，增加載客量；

5．高電壓的電氣設(shè)備體積小，易于安裝在有限的車(chē)體空間中，方便了設(shè)備布置，特別是在采用大的牽引功率時(shí)；

6．采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)受流列車(chē)車(chē)速較DC 750V接觸軌的高；

7．由于軌道交通系統(tǒng)中的走行軌也是牽引供電的回流軌，與牽引變電所負(fù)極相接，而軌道交通牽引供電電壓相對(duì)于干線(xiàn)電氣化鐵路電壓低，回流軌與道床間形成電位差，從而沿走行軌向道床泄漏電流，形成雜散電流。為減少這種雜散電流，提高系統(tǒng)的電壓是有效的途徑之一。經(jīng)驗(yàn)表明，采用DC 750V電壓供電時(shí)雜散電流較大，而DC 1500V電壓時(shí)牽引電流較小，故雜散電流也較小，減輕了對(duì)地下金屬構(gòu)筑物的危害；

8．采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)受流，有利于組成地下、地面和高架等不同型式的軌道交通工具的過(guò)軌運(yùn)行，可充分地發(fā)揮軌道交通的網(wǎng)絡(luò)功能。從這一角度而言，DC 1500V供電制式應(yīng)成為今后城軌系統(tǒng)，特別是地鐵系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

DC 750V供電制的優(yōu)點(diǎn)在于：

1．采用DC 750V接觸軌供電，不影響城市景觀，且受風(fēng)速影響較?。欢捎肈C 1500V架空接觸網(wǎng)供電時(shí)，則受風(fēng)速影響較大，如5級(jí)風(fēng)即應(yīng)限速，8級(jí)風(fēng)時(shí)車(chē)輛應(yīng)停止運(yùn)行；

2．對(duì)車(chē)輛的VVVF（變頻變壓控制）逆變器功率元件的電壓等級(jí)而言，選用DC 750V供電制式時(shí)較之DC 1500V時(shí)的低，因而元件成本低，易于采購(gòu)和系統(tǒng)維護(hù)；

3．接觸軌采用鋼作為接觸軌材料，可以降低導(dǎo)體材料的費(fèi)用。

（三）架空接觸網(wǎng)與接觸軌的比較

理論上，在采用專(zhuān)用車(chē)道的系統(tǒng)中，架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種方式均適合；而不設(shè)專(zhuān)用車(chē)道的系統(tǒng)中，出于安全等因素，應(yīng)優(yōu)先考慮采用架空接觸網(wǎng)方式。一般而言，在選用DC 1500V作為地鐵系統(tǒng)的牽引供電電壓時(shí)，多采用架空接觸網(wǎng)供電方式；當(dāng)選DC 750V作地鐵系統(tǒng)的牽引供電電壓時(shí)，多選用接觸軌方式；輕軌系統(tǒng)則應(yīng)根據(jù)不同的運(yùn)用環(huán)境，合理地選擇架空接觸網(wǎng)或接觸軌方式；有軌電車(chē)系統(tǒng)，則大多采用架空接觸網(wǎng)方式。

對(duì)于地面的軌道交通系統(tǒng)，采用架空接觸網(wǎng)與接觸軌相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．在地面交叉路口處，架空接觸網(wǎng)供電可給列車(chē)提供不間斷的電力供應(yīng)，而接觸軌供電在交叉道口處則要間斷；

2．即使是在非專(zhuān)用道，架空接觸網(wǎng)供電仍具有很高的安全系數(shù)，而地面接觸軌供電時(shí)，為確保乘客安全，需要裝設(shè)護(hù)欄；

3．架空接觸網(wǎng)供電的線(xiàn)路布局，道岔建設(shè)和交叉道口十分簡(jiǎn)單，其供電系統(tǒng)維修車(chē)間和車(chē)場(chǎng)的布局，設(shè)計(jì)和施工也簡(jiǎn)單。軌道、街道和步行道交叉使用，可以不受限制；

4．現(xiàn)代的架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)可以容納到城市環(huán)保當(dāng)中去，電桿的支撐結(jié)構(gòu)，其顏色可考慮與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相匹配，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

綜上所述，對(duì)于接觸軌而言，可靠性高，造價(jià)低，少維護(hù)是其主要特點(diǎn)，另外還可降低隧道的結(jié)構(gòu)高度。目前尚未出現(xiàn)過(guò)因接觸軌故障而影響列車(chē)運(yùn)行的記錄。此外接觸軌的磨耗量很小。但是，由于接觸軌長(zhǎng)期暴露于地面，系統(tǒng)中要求具有防止人員觸電，防止污染的良好絕緣和封閉措施，還必須考慮腐蝕后的維護(hù)和受流的可靠性。采用架空接觸網(wǎng)的受流方式則較為靈活，架空接觸網(wǎng)可確保帶電體與車(chē)輛、人員之間的安全距離，可降低對(duì)城市軌道交通線(xiàn)路的封閉要求。但目前架空接觸網(wǎng)受流方式在可靠性、可維護(hù)性等方面與接觸軌相比仍有一定的差距。

從國(guó)外的實(shí)際運(yùn)用情況看，新建的城軌系統(tǒng)中采用架空接觸網(wǎng)受流方式的占據(jù)大多數(shù)，并成為一種趨勢(shì)。這是因?yàn)楝F(xiàn)代城軌系統(tǒng)的列車(chē)既可行駛在地下，也可行駛在地面，還可行駛在高架線(xiàn)路上，其復(fù)雜的線(xiàn)路條件決定了列車(chē)的受流方式應(yīng)優(yōu)先采用架空接觸網(wǎng)。目前國(guó)內(nèi)的上海、廣州地鐵車(chē)輛在駛離了市區(qū)后均駛上了地面，因此統(tǒng)一的架空接觸網(wǎng)受流方式可以降低其車(chē)輛系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)還極大地降低了系統(tǒng)的綜合造價(jià)。在國(guó)外的城市軌道交通系統(tǒng)中，列車(chē)的地面運(yùn)營(yíng)里程也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下的運(yùn)營(yíng)里程。

三、結(jié)論

1．從國(guó)外城市軌道交通的發(fā)展來(lái)看，供電電壓制式一般是根據(jù)所在城市的客流，是否是各類(lèi)軌道交通工具聯(lián)運(yùn)（地鐵、輕軌等），以及車(chē)輛平均運(yùn)行速度等的要求進(jìn)行選擇。值得注意的是，近年來(lái)由于技術(shù)上的進(jìn)步，城市軌道交通車(chē)輛的供電制式正朝著提高牽引電壓等級(jí)的方向發(fā)展，特別是近年來(lái)修建的軌道交通系統(tǒng)，幾乎都選擇了DC 1500V的供電制式。

2．隨著客流量增加，車(chē)體尺寸大型化，列車(chē)編組的增長(zhǎng)和速度的提高，對(duì)列車(chē)的整體動(dòng)力性能也有了更高的要求，即要求列車(chē)在較短的時(shí)間內(nèi)迅速加速至最高運(yùn)行速度，或在較短的時(shí)間內(nèi)從最高運(yùn)行速度迅速減速停車(chē)，對(duì)列車(chē)總功率的需求也比以前大大增加了，車(chē)輛的單軸功率從75kW增加至200kW，因此必須提高列車(chē)的供電電壓，增加系統(tǒng)的容量。而接觸軌系統(tǒng)出于安全等方面的考慮，很難提高電壓，再加上現(xiàn)代的城軌車(chē)輛需要開(kāi)行連接市郊線(xiàn)的直通車(chē)，因此大多數(shù)新建的地鐵或輕軌系統(tǒng)開(kāi)始采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)供電方式。

3．隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是絕緣技術(shù)和新材料的廣泛應(yīng)用，地鐵在采用架空接觸網(wǎng)時(shí)，可以盡量控制隧道的高度，降低建設(shè)成本。德國(guó)、日本等開(kāi)發(fā)了可縮小空間的鋼體架線(xiàn)方式，同時(shí)還研制成功了可以在低隧道中工作的受電弓，這樣，隧道高度就與接觸軌大體相同。此外，從工程投資費(fèi)用上進(jìn)行比較，兩種供電制式的系統(tǒng)單價(jià)基本相當(dāng)。且牽引變電所的設(shè)備投資和架空線(xiàn)的土建費(fèi)均比接觸軌低得多，雖然隧道工程的投資，架空接觸網(wǎng)方式比接觸軌方式要略高一些，但由于車(chē)輛電傳動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)降低，其綜合差價(jià)可以彌補(bǔ)采用接觸網(wǎng)帶來(lái)隧道工程投資的增加。此外，國(guó)內(nèi)許多城市的論證結(jié)果表明，在工程費(fèi)用上采用DC1500V架空方式是經(jīng)濟(jì)的。

參考文獻(xiàn)：

[1]地市軌軌道交通研究，上海鐵道大學(xué)，上海：上海鐵道大學(xué)出版社，1998.

[2]崔元鑒編，地下鐵道，北京：中國(guó)鐵道出版社，1984.

[3]高渠清著，隧道及地下工程論文選集，北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.

作者簡(jiǎn)介：

許斌，男，漢，福建莆田人，大學(xué)本科，供電專(zhuān)業(yè)，工程師。