現(xiàn)代有軌電車車輛選型初步研究

郭　濤

（北京市地鐵運營有限公司運營二分公司，北京 100079）

現(xiàn)代有軌電車車輛選型初步研究

郭濤

（北京市地鐵運營有限公司運營二分公司，北京 100079）

本文確定了現(xiàn)代有軌電車選型的原則，通過對低地板類型、供電制式、線路條件3個方面進行比較分析，提出車輛選型的結(jié)論，為有軌電車規(guī)劃及車型選擇提供參考。

現(xiàn)代有軌電車；車輛選型；選擇；影響

日前，城市軌道交通持續(xù)快速發(fā)展?，F(xiàn)代有軌電車作為城市軌道交通的選擇之一，近年來持續(xù)快速規(guī)劃和建設(shè)。據(jù)相關(guān)資料報道，目前我國超過30萬人口的城市幾乎都在規(guī)劃建設(shè)有軌電車線路。其中有軌電車的車輛選型影響整個城市的車型統(tǒng)一及交通規(guī)劃。本文針對有軌電車車輛選型進行綜合初步研究。

1.有軌電車概述

現(xiàn)代有軌電車是指主要在地面敷設(shè)軌道，采用電力牽引的低地板有軌電車，以部分獨立或完全共享路權(quán)形式、人工駕駛、信號優(yōu)先控制方式運行，輸送能力介于傳統(tǒng)公交及輕軌之間的中運量快速公交系統(tǒng)。

有別于傳統(tǒng)有軌電車，20世紀70年代以來大容量、現(xiàn)代化、低地板的車輛，靈活的路權(quán)，優(yōu)化的信號等有軌電車整個系統(tǒng)的技術(shù)革新和進步顯著提升了有軌電車的速度、可靠性、舒適度和安全性。

2.車輛選型原則

車輛型式的選擇是有軌電車系統(tǒng)整體方案確定的關(guān)鍵因素之一，它不僅影響系統(tǒng)的運能，而且對工程造價、運營成本有很大的影響。車輛形式的確定是選擇線路技術(shù)標準的基礎(chǔ)，是確定相關(guān)土建工程和設(shè)備規(guī)模的主要依據(jù)，同時車輛制式也與運營模式和管理模式密切相關(guān)。合理選用車輛及其技術(shù)條件是控制工程投資、降低運營成本和提高運營效益的最有效最直接的途徑之一。系統(tǒng)的選擇應(yīng)有以下原則：

（1）車輛造型要美觀、現(xiàn)代，與整個地區(qū)區(qū)域的定位相匹配，能夠展示該地區(qū)的風貌，形成景觀型交通走廊。

（2）適應(yīng)該條有軌電車線的自然環(huán)境、線路條件。

（3）應(yīng)考慮有軌電車的無障礙性。

（4）車輛運營的安全性、可靠性、舒適性。

（5）車輛技術(shù)先進、性能優(yōu)越、經(jīng)濟合理。

3.有軌電車低地板覆蓋率的選擇

現(xiàn)代有軌電車按照車內(nèi)低地板覆蓋率來分，分為70%低地板有軌電車與100%低地板有軌電車。

70%低地板有軌電車是采用傳統(tǒng)輪對的動力轉(zhuǎn)向架與獨立旋轉(zhuǎn)車輪（簡稱獨立車輪）的非動力轉(zhuǎn)向架，低地板面積占整車的60%～70%。

100%低地板有軌電車采用全低地板技術(shù)，采用獨立輪動力轉(zhuǎn)向架（或小輪徑非獨立輪對動力轉(zhuǎn)向架），通過降低動力轉(zhuǎn)向架處地板面高度，全面擴展低地板面積，縮短乘客上車、下車、換乘和車輛?？繒r間，尤其方便了老人、兒童、殘疾人群和攜帶物品乘客的乘坐。

100%低地板有軌電車與70%低地板有軌電車的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)向架的技術(shù)更為先進。為了使車輛地板面平坦無障礙化水平高，需要降低轉(zhuǎn)向架區(qū)域的地板面高度。100%低地板有軌電車取消傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架中連接車輪的車軸；或采用使地板面高度更低的非獨立輪轉(zhuǎn)向架。同時，將位于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架車軸部位的牽引電機放置于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的前后輪對之間，為轉(zhuǎn)向架中心部位留出降低地板高度的空間。

此外，由于低地板有軌電車技術(shù)平臺不同，70%低地板有軌電車與100%低地板有軌電車的車輛長度及載客量存在差別。100%低地板有軌電車的編組形式更為多樣化，同等級車輛更長，載客量更大，地板面高度更為人性化，可選擇供貨商數(shù)量更多。

綜合比較分析，70%有軌電車由于轉(zhuǎn)向架處地板面比非轉(zhuǎn)向架處地板面高300mm左右，并且轉(zhuǎn)向架處地板面座席較多，乘客走到轉(zhuǎn)向架處地板面需要走上臺階，但這對于行動不便的老年人、殘疾人以及嬰兒車在車內(nèi)的行動帶來很大的不便。隨著轉(zhuǎn)向架的技術(shù)發(fā)展后，轉(zhuǎn)向架處地板面高度可降低到與非轉(zhuǎn)向架處地板面水平或近似水平，即產(chǎn)生了100%低地板有軌電車。解決了上述特殊乘客的出行乘坐需求。

100%低地板有軌電車購置費較70%有軌電車違約500萬/列車，但由于技術(shù)平臺不同，同模塊級別的70%有軌電車較100%有軌電車長度短，配屬車輛數(shù)量有所增加。因此70%和100%低地板車輛的投資成本相對持平。

基于上述考慮，現(xiàn)代有軌電車車輛推薦采用100%低地板有軌電車。符合有軌電車的發(fā)展方向。

4.不同供電制式的車輛選擇

有軌電車的供電制式大體分為3類：接觸網(wǎng)供電、地面嵌入式供電、車載儲能式供電。

4.1接觸網(wǎng)供電

有軌電車全線設(shè)有架空接觸網(wǎng)。車輛通過車頂受電弓受電為有軌電車提供牽引及輔助電源。此種供電方式具有技術(shù)成熟、應(yīng)用業(yè)績、廣泛車輛救援能力強等特點。

4.2地面嵌入式供電

地面嵌入式供電系統(tǒng)主要有APS系統(tǒng)、電磁感應(yīng)（primove）系統(tǒng)和安薩爾多公司研制的TramWave（創(chuàng)威）系統(tǒng)。均通過地面兩軌之間的地面嵌入電源，通過不同的傳輸途徑，傳輸至車輛受電系統(tǒng)，完成車地電源傳輸。地面嵌入式供電均為國外企業(yè)核心技術(shù)，技術(shù)難度及安裝條件較高。

地面嵌入式供電的方式可全部取消架空接觸網(wǎng)，提高城市景觀性，并且可以靈活地設(shè)置供電路段。但由于地面嵌入式供電制式國內(nèi)無自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)完全由國外供貨商壟斷；供電設(shè)備技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，技術(shù)成熟度較低。此外，地面供電使用條件有所限制，在有暴雨、暴雪天氣的地區(qū)，雨、雪、污物都可能導(dǎo)致供電設(shè)備故障率升高。結(jié)合我國中部、東部城市大多屬于季風性氣候，雨季降雨量較大，并且部分城市排水系統(tǒng)老化，易造成排水不暢。因此地面供電系統(tǒng)不適合在我國既有路面敷設(shè)。

4.3車載儲能式供電

儲能式供電是通過在車站設(shè)置架空接觸網(wǎng)，車輛僅在車站通過充電站給車載儲能裝置充電；在線路無網(wǎng)運行時，采用儲能系統(tǒng)存儲的能量供電運行。目前儲能裝置主要有蓄電池兩種方式。

（1）超級電容

超級電容儲能具有充放電速度快、時間短、牽引輸出功率大、使用壽命較長、制動能量回收率較高、維護工作量小、分散充電對城市電網(wǎng)的供電質(zhì)量無影響等優(yōu)點。缺點是全線無網(wǎng)超級電容儲能車輛購置費較高，車載超級電容數(shù)量較多，若采用站臺充電區(qū)間無網(wǎng)運行的模式，每列車需裝約2000個超級電容，需要在每8～10年更換整套超級電容，后期維護成本較高。目前廣州海珠線、寧波有軌電車、江蘇淮安有軌電車項目采用全線無網(wǎng)超級電容儲能車輛。

（2）蓄電池

蓄電池儲能具有儲能量大、充放電平穩(wěn)等優(yōu)點，但較難適應(yīng)有軌電車牽引輸出功率大、快速充放電的運行需求，在車站的充電時間需要45s以上，制動能量回收率較低，車站接觸網(wǎng)的長度較長，并且維護工作量大、電池回收成本高等不足。目前南京有軌電車采用蓄電池儲能有軌電車。

下面從技術(shù)參數(shù)來對接觸網(wǎng)供電、超級電容儲能及蓄電池儲能車輛進行比較，見表1。

從比較中分析，蓄電池容量雖然較大，蓄電池儲能有軌電車雖然無網(wǎng)運行距離達到4km～5km。但由于蓄電池無法快速沖電快速放電，在無網(wǎng)運行時的最高運行速度僅能達到50km/h，且無網(wǎng)條件下的平均啟動加速度無法達到1.0m/s2。其在車站的充電時間較長，達到40s～50s，無法滿足有軌電車站停時間短的需求。這些技術(shù)條件均使蓄電池儲能有軌電車無網(wǎng)運行距離長的優(yōu)勢耗費代價過大。

蓄電池存儲電量高，但放電電流偏小，因此在無網(wǎng)運行時需要限速運行。再生制動能量回收率僅30%。且電池的廢物廢液處理成本高。

超級電容存儲電量較蓄電池偏低，但放電電流大，充電時間短、維護方便、功率密度高，雖然超級電容儲存容量比蓄電池低，無網(wǎng)運行距離一般約為2km～3km，但容量基本可以滿足有軌電車的線路條件。在建項目中選擇超級電容儲能有軌電車較多，近兩年具有廣泛應(yīng)用業(yè)績。

圖1　 70%低地板有軌電車　

圖2　 100%低地板有軌電車

表1　不同供電制式車輛的技術(shù)參數(shù)分析

5.線路條件對不同供電制式的影響

（1）輕軌下穿城市主干線立交橋

在線路規(guī)劃中，有軌電車線路存在需要下穿主干線立交橋的可能，若在橋下架設(shè)接觸網(wǎng)，環(huán)路輔路將被架空接觸網(wǎng)橫穿，即環(huán)路輔路車輛通行被強制限高至4m左右，對于長期有高層客運、貨運車輛通行環(huán)路輔路，此限高不能滿足高速公路車輛通行的要求。另外，在橋下，車輛受電弓工作高度將低于最低高度要求3.9m，且橫穿主環(huán)路架設(shè)接觸網(wǎng)為供電施工帶來不便。因此在下穿立交橋處應(yīng)考慮為無接觸網(wǎng)線路。

（2）途徑市政景觀要求高或大型街口或環(huán)島的區(qū)域

由于架空接觸網(wǎng)需貫穿有軌電車線路兩根供電線纜，對于景觀要求很高的市政地區(qū)，架空接觸網(wǎng)很容易影響市政美觀度，不符合當?shù)氐木坝^要求。從市政景觀角度考慮，美觀度高的線路區(qū)域不適合架設(shè)架空接觸網(wǎng)。

線路途徑大型十字街口、大型環(huán)島區(qū)域，在街口或環(huán)島處設(shè)置架空接觸網(wǎng)較為困難，也不美觀，因此在這些區(qū)域也應(yīng)考慮為無網(wǎng)運行。

綜上分析，線路規(guī)劃一般不可避免要經(jīng)過這些區(qū)域，該區(qū)域需要不設(shè)置架空接觸網(wǎng)，因此有軌電車車輛需要帶有儲能裝置。在接觸網(wǎng)運行時儲存電能，在短距離無網(wǎng)運行時由車載儲能裝置釋放電能運行。而超級電容儲能有軌電車和蓄電池儲能有軌電車不受該線路條件影響。

從比較中分析，若線路具備接觸網(wǎng)供電的條件，優(yōu)先推薦接觸網(wǎng)供電制式，接觸網(wǎng)供電的車輛技術(shù)成熟、可靠性很高、應(yīng)用業(yè)績廣泛、車輛重量輕、無充電時間要求、車輛投資低等。但對景觀要求較高地區(qū)對景觀影響較大。

6.選型結(jié)論

通過對比70%及100%有軌電車的優(yōu)缺點，分析不同供電制式車輛的優(yōu)缺點，考慮線路條件對車輛的影響，可綜合分析出該條線路的車輛初步選型。從目前建設(shè)、運營經(jīng)驗及車輛節(jié)省投資角度考慮，推薦采用接觸網(wǎng)+小型儲能裝置供電制式有軌電車；從新城景觀、節(jié)能環(huán)保和無網(wǎng)供電現(xiàn)代有軌電車發(fā)展趨勢考慮，推薦采用超級電容儲能有軌電車。

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［2］何治新.現(xiàn)代有軌電車牽引供電方式的選擇［J］.城市軌道交通研究，2013：105-108+113.

［3］沈繼強.現(xiàn)代有軌電車車輛選型和供電方式［J］.中國市政工程，2012：68-71+ 75+115.

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