淺談新津現(xiàn)代有軌電車供電方式選擇

(新筑股份　四川　成都　610000)

一、有軌電車的概念

通俗點來說：利用新型低地板多模塊鉸接鋼輪鋼軌車輛或者彈性車輪，電力牽引，包括電阻、液壓、磁軌等多種制動方式，具有美觀、環(huán)保、適應小曲線半徑和大坡度運行、具備較強的啟動/制動能力、以地面專用道為主的城市公共交通系統(tǒng)稱為有軌電車(見圖一)。

圖一　新津R1線70%低地板有軌電車

二、建設(shè)現(xiàn)代有軌電車的原因

城市化進程加快使原有的空間組織模式發(fā)生改變。市民自我意識的提高期待乘坐更加安全、舒適、快捷的交通工具出行。

政府為緩解城市交通擁堵和環(huán)境污染，相比較私家車和公共汽車每公里人均排放CO2是45g與 15g(平均數(shù))而言，有軌電車以電能為動力，無廢氣排放(能耗約0.07 千瓦時/坐席乘客)，不產(chǎn)生PM2.5 顆粒物，噪音在70dB 以下，是一種無污染的環(huán)保交通工具。

三、現(xiàn)代有軌電車在城市軌道交通中的功能定位與速度和安全

根據(jù)在城市軌道交通中所承擔的作用，可以分為以下幾類(見表一)：

表一　現(xiàn)代有軌電車的功能定位

速度與安全：設(shè)計速度為70km/h,平均運行速度在15-35km/h之間。通過類似于地鐵控制的車地控制方式和司機操作(目視)來共同保障有軌電車運行安全，有效減少交通意外發(fā)生的比率。新津有軌電車最高運行速度：70km/h；列車設(shè)計最高速度：80km/h。

四、現(xiàn)代有軌電車的牽引供電方式

國內(nèi)建設(shè)的現(xiàn)代有軌電車線路的供電方式主要有兩種，第一種為架空接觸網(wǎng)供電，第二種為無觸網(wǎng)供電。

架空接觸網(wǎng)供電是沿軌道上空架設(shè)的向有軌電車供電的輸電線路(見圖二)。由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)組成。一般根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同分成簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩大類。

圖二　帶補償?shù)膹椥院唵螒覓?/p>

接觸懸掛通過支持裝置架設(shè)在支柱上，其功用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給有軌電車。

支持裝置用以支持接觸懸掛，并將其負荷傳給支柱或其它建筑物。定位裝置是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運行軌跡范圍內(nèi)，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負荷傳給支柱。

支柱與基礎(chǔ)用以承受接觸懸掛、支持裝置和定位裝置的全部負荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。

架空接觸網(wǎng)供電傳承了傳統(tǒng)的鐵路供電方式，與現(xiàn)在的大部分地鐵供電方式大致相同。車頂通過受電弓獲取架空接觸網(wǎng)上的電能牽引電車前進，電壓為DC750V，利用鋼軌回流。該供電方式構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，且具有非常成功的工程應用業(yè)績，是國內(nèi)有軌電車最主要的供電方式之一。

傳統(tǒng)的無觸網(wǎng)供電也稱地面供電，主要是在地面架設(shè)供電的第三軌，由受電靴將電能送到車輛進行供電，以鋼軌進行回流或者建第四軌進行回流。這種系統(tǒng)簡單可靠，但安全性不高。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)及科技支撐的前提下為保障公共安全，防止恐怖事件、社會治安及可預測的自然災害的發(fā)生，使得多種無觸網(wǎng)牽引供電方案研發(fā)成功并應用于實際工程項目。下面簡要介紹幾種無觸網(wǎng)供電的形式。

1.第三軌供電技術(shù)。北京1969年開通的地鐵就是使用第三軌供電。屬于傳統(tǒng)的無觸網(wǎng)供電，在此不單獨介紹。

2.地面接觸軌供電、鋼軌回流技術(shù)。即在地面上敷設(shè)供電軌(兩鋼軌之間)替代架空接觸網(wǎng)。在車輛底部安裝受電靴。沿供電軌每隔一段設(shè)置一個控制箱，在運行過程中，被車體完全覆蓋的供電段通過感應裝置才能接通電源，車輛由受電靴從供電軌上取電。當感應裝置感應不到車輛通過時，供電軌不帶電。由于其通電軌段僅限于車體下方并被車體包圍，有效解決了其他車輛與行人的安全問題，并且使車輛在前進時通過不斷切斷導電體工作狀態(tài)，實現(xiàn)車輛不斷電的目的。阿爾斯通的APS系統(tǒng)就是使用該供電方式，已在巴黎、迪拜等城市得到廣泛應用。

3.電磁線圈感應式非接觸供電技術(shù)。以電磁感應原理，在軌道結(jié)構(gòu)下面預埋電纜回路，在車體底部安裝耦合線圈。通過車載儲能裝置啟動車輛運行后，將電纜回路進行通電形成電磁場，使車輛磁力線不斷耦合線圈的切割，從而產(chǎn)生電磁感應。龐巴迪的PRIMOVE系統(tǒng)就是使用該供電方式。

4.自然磁力供電技術(shù)。永磁材料分別安裝在車輛轉(zhuǎn)向架的受電靴和地面模塊導電排上。當受電靴經(jīng)過模塊供電節(jié)表面時，模塊內(nèi)的柔性導電排受磁力吸引上升，導通供電電源正極，模塊表面帶電，受電靴通過與模塊表面接觸將電力引入車內(nèi)。當受電靴離開模塊供電節(jié)表面后，柔性導電排受重力作用，回落到與安全負極相接觸的位置，模塊表面失電，并保證模塊供電節(jié)表面與安全負極相連，以確保乘客人身安全。龐巴迪的安薩爾多Tramwave系統(tǒng)就是使用該供電方式。

5.電池組供電技術(shù)。是通過車輛自身攜帶的蓄電池組釋放出來的能量來給車輛供電。該方案技術(shù)成熟，成本低；但電池占用空間大、功率密度低、壽命短，快速充電性能差適用于配合架空接觸網(wǎng)供電輔助使用。

6.超級電容器供電技術(shù)。由車載超級電容器供電系統(tǒng)組成，利用多孔材料高比表面積特性和電解液離子極化形成的雙電層來存儲電能，其特性兼?zhèn)淞似胀娙萜鞯母吖β侍匦院碗姵氐母吣芰刻匦缘膬?yōu)點，和普通電池的區(qū)別是存儲電能的容量非常大，供電時間也較長。安裝車載超級電容的有軌電車在制動時，電車制動再生的能量可以存儲二次使用。此外，在車站加設(shè)快速充電設(shè)備(或接觸網(wǎng))，通過停站上下客的時間對超級電容進行快速充電，從而實現(xiàn)超級電容車輛持續(xù)供電。南京河西有軌電車線路就是使用該方式供電。

7.混合型蓄能裝置供電技術(shù)。由充電的超級電容器和一組牽引蓄電池共同組成形成混合動力方式。

8.飛輪儲能技術(shù)供電技術(shù)。是將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，利用飛輪實現(xiàn)電能到機械能再到電能轉(zhuǎn)換的儲能裝置。

9.氫燃料供電技術(shù)。把氫輸入燃料電池中，通過液態(tài)氫與空氣中的氧結(jié)合而發(fā)電，即，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)。西南交通大學作為項目主持單位承擔的世界首列商用型燃料電池/超級電容混合動力100%低地板現(xiàn)代有軌電車已在中車唐山公司已下線。一次快速加氫只需15分鐘，可持續(xù)行駛40公里以上，最高運行時速70公里。

五、新津現(xiàn)代有軌電車外電源的供電方式選擇

新津現(xiàn)代有軌電車項目供電方式是根據(jù)當?shù)氐耐庠谂涮讞l件和建設(shè)要求結(jié)合本工程自身特點，在借鑒傳統(tǒng)項目評價方法的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建一套含技術(shù)性、經(jīng)濟性、適應性、施工及環(huán)境影響和生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系相匹配的評價指標體系(見表二)，得出：新津有軌電車外電源接入采用分散式供電方式，因為：1)新津規(guī)劃線路周邊工業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展相對較為成熟，能夠為有軌電車供電網(wǎng)絡(luò)提供較為可靠的電源。2)有軌電車用電負荷相對較輕，本地城市電網(wǎng)充足、富余量大，共用線路能夠滿足其用電需求。3)整體外電源接入費用較低，節(jié)約建設(shè)投資及后期運營成本。4)多個電源接入點使供電系統(tǒng)調(diào)度組織方式較為靈活。

表二　外電源供電方案優(yōu)選

即外電源供電采用10kV分散式供電，由附近城網(wǎng)提供，單環(huán)網(wǎng)接線型式(圖三)。變電所采用單母線接線方式，設(shè)置一套牽引整流機組與一臺變電所用配電變壓器。牽引網(wǎng)供電電壓采用DC750V(見表三)，牽引供電方式采用架空接觸網(wǎng)與車載超級電容相結(jié)合，架空接觸網(wǎng)采用帶補償?shù)暮唵螒覓旆绞?。牽引變電所采用箱式牽引變電所。雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)，電力監(jiān)控系統(tǒng)采用單監(jiān)控單元方案。

表三　系統(tǒng)電壓參數(shù)及范圍

圖三　單環(huán)網(wǎng)主接線

六、新津有軌電車牽引網(wǎng)供電方式選擇

新津有軌電車有觸網(wǎng)路段和無觸網(wǎng)路段的供電設(shè)計在滿足中長期運行需求的情況下，參考綜合評價指標體系(見表二)并考慮以下3個主要因素：1)地區(qū)特點：新津縣位于成都市南部，區(qū)域產(chǎn)業(yè)較為密集，經(jīng)濟發(fā)展較快。2)項目背景：是西南地區(qū)建設(shè)的第一條有軌電車線路，形成示范效應，推動有軌電車產(chǎn)業(yè)化。3)功能特點：線路從新津城區(qū)連接至新城區(qū)、天府新區(qū)新津區(qū)域及旅游景點，同時接駁成綿樂新津南站，并將與地鐵10號線延長線接駁。

為了保留城市中的自然景觀與精美建筑，并且能與城市有良好的兼容性。在該路段采用車載的儲能裝置——超級電容給有軌電車供電。電車制動再生的能量可以存儲二次使用，降低了設(shè)備功率峰值的同時又合理地利用了再生能源。

在不影響城市自然景觀與精美建筑的情形下，在該路段采用架空接觸網(wǎng)(DC750V)給有軌電車供電。采用架空接觸網(wǎng)(帶補償?shù)暮唵谓佑|懸掛)供電還可以降低設(shè)備和變電站的功率要求，節(jié)約一次投資。

簡單接觸懸掛(簡稱簡單懸掛)是由一根接觸線(CTAH150)直接固定在H型鋼支柱支持裝置上的懸掛形式。在接觸線下錨處裝設(shè)了橫張力彈簧補償裝置(NS1250-800/NS120-730)，以調(diào)節(jié)張力和弛度的變化，通過加裝8～16m彈性吊索懸掛接觸線，減少了懸掛點處產(chǎn)生的硬點，改善了取流條件。另外將跨距適當縮小(跨距之比不大于1.5：1)以增大接觸線的張力去改善弛度對取流的影響。

通過開發(fā)的專用軟件——有軌電車直流牽引供電系統(tǒng)仿真軟件。分別進行局部無觸網(wǎng)牽引供電計算與驗算，并建立防真平臺和配置繼保模塊。模擬在列車運行過程中(包括坡度、曲線、限速等要求)進行城市軌道牽引供電計算，以及多列車在線路上運行時的牽引網(wǎng)網(wǎng)壓(有觸網(wǎng)路段)、充電站(無觸網(wǎng)路段)交流側(cè)電網(wǎng)網(wǎng)壓和功率的變化以及有軌電車在系統(tǒng)接入處的功率變化過程、鋼軌電位、牽引變電所負荷變化過程，計算出變電所容量、所需接觸線大小等參數(shù)，見表四與表五。

表四　線材規(guī)格及張力表

表五　A3/A4變電所容量

在接觸網(wǎng)路段，利用H型鋼支柱特點，將上網(wǎng)電纜隱藏于支柱內(nèi)即“隱蔽敷設(shè)”。在提高景觀效果的同時也使設(shè)計變得簡約(見圖四)。

圖四　上網(wǎng)電纜隱藏敷設(shè)

七、結(jié)束語

2013年3月7日，新津現(xiàn)代有軌電車項目正式取得立項批文，從此所有的新筑人便有了一個共同的夢想 —— 讓家鄉(xiāng)的父老鄉(xiāng)親坐上有軌電車。

2015年3月，新津現(xiàn)代有軌電車正式進入施工階段，在高標準的要求下以最快的速度完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

2016年1月7日，新津現(xiàn)代有軌電車示范線R1線實現(xiàn)了首列車順利吊裝上線，現(xiàn)已通電開展各類測試及調(diào)試工作，調(diào)試結(jié)束后將在線路上進行試運行。在調(diào)試過程中吸引了國內(nèi)很多城市的有軌電車建設(shè)者前來參觀考察。