城市軌道交通牽引供電及電力技術(shù)的應(yīng)用研究

茅臺(tái)學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心 肖 杰

1 引言

當(dāng)前，隨著居民對(duì)于出行需求及品質(zhì)要求的不斷提升，各類交通工具開始出現(xiàn)，在提升人們出行效率的基礎(chǔ)上，人們的出行品質(zhì)也得到提升[1]。現(xiàn)如今，全球各類軌道交通工具都具有自身鮮明的特點(diǎn)，如可減少環(huán)境污染等問題。與此同時(shí)，在軌道交通運(yùn)輸工具運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音更少，以及不存在產(chǎn)生道路擁擠等情況[2]。目前，軌道交通工具的出現(xiàn)，正在悄無聲息地改變?nèi)藗兊纳?，為緩解城市交通壓力，提升城市的整體風(fēng)貌和地位有著十分重要的意義。

從目前軌道交通城市運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的整體發(fā)展情況來看，交通工具的研制和創(chuàng)新走在前列，但與之相匹配的各類配套設(shè)施發(fā)展相對(duì)較慢，已經(jīng)成為制約軌道交通行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[3]。如牽引和供電技術(shù)作為軌道交通領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)，是城軌、地鐵、有軌電車等交通工具的核心供電設(shè)備[4]。隨著近年來的技術(shù)變革，以及軌道交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展速度日益加快，城市人口數(shù)量的不斷增加，供電方式也發(fā)生了一系列創(chuàng)新變革，已經(jīng)由傳統(tǒng)的交流直流兩類牽引供電方式逐步向雙直流供電方式轉(zhuǎn)化[5]。

鑒于此，本文將對(duì)軌道交通行業(yè)中牽引供電以及其相關(guān)的核心技術(shù)進(jìn)行討論研究，具體研究情況如下文。

2 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)

一般而言，軌道交通基本包括地鐵、輕軌、電力公交等不同的交通類型。從全球來看，首條地鐵線路始建于英國(guó)，在歷經(jīng)9年的摸索之后，開始進(jìn)入正常使用階段。在首條鐵路線運(yùn)營(yíng)的過程中，其動(dòng)力提供方式主要是采用蒸汽機(jī)的方式，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)為軌道交通行業(yè)的發(fā)展起到了先河作用。直至后來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，以及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交通問題逐步發(fā)展成為阻礙城市現(xiàn)代化進(jìn)程的主要問題。某些發(fā)達(dá)國(guó)家在面對(duì)以上問題時(shí)，開始逐步探索新型交通方式，軌道交通逐步進(jìn)入研究人員的視野。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)成為軌道交通運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家之一，北京和上海已經(jīng)形成了較大規(guī)模的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，隨著城市交通業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，軌道交通工具已經(jīng)成為居民出行的主要交通選擇方式之一。在軌道交通生態(tài)圈內(nèi)，供電系統(tǒng)是核心技術(shù)，對(duì)于軌道交通行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響。牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展也正在不斷經(jīng)歷變革和創(chuàng)新，隨著城市人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，城市交通問題已成為影響生活品質(zhì)基本的原因。然而牽引供電系統(tǒng)是影響軌道交通裝置運(yùn)行是否順暢的主要因素之一。

現(xiàn)如今，在城市有軌電車、地鐵、輕軌、高速動(dòng)車等軌道交通類列車中，均采用牽引供電系統(tǒng)供電。在國(guó)內(nèi)外供電領(lǐng)域的核心專家的廣泛研究基礎(chǔ)上，供電方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的直流、交流兩類供電方式，逐步向雙直流供電方式轉(zhuǎn)化。

因此，本文將對(duì)兩類供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，探討兩類不同的供電形式的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，對(duì)相關(guān)的核心電力技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 直流制式牽引供電系統(tǒng)

當(dāng)前，直流制式牽引供電是軌道交通領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種供電方式，主要應(yīng)用于城軌、電車中。在供電過程中，直流制式牽引供電采取雙邊供電的方式，牽引電壓為直流1500V 或直流750V兩種。該供電方式能最大限度降低供電事故發(fā)生的概率，一旦在傳輸過程中某條線路出現(xiàn)問題，可以隨時(shí)對(duì)線路進(jìn)行變化，輔助線路開始供電，快速滿足電路對(duì)于供電的基本需求，同時(shí)零散供電電能輸送方法，從而保障電能能夠更加快速地向各個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，第一時(shí)間滿足其對(duì)電能的需求，并且能夠延伸電流傳輸?shù)木嚯x。

在此類供電系統(tǒng)中，主要是由主變電控制器、中壓環(huán)網(wǎng)、其他混合變電所等核心設(shè)備組成，其具體工作示意圖如圖1所示。在運(yùn)行過程中，在供電線路的兩側(cè)采用主變電所提供電能，電力供應(yīng)過程中，采用中壓環(huán)網(wǎng)進(jìn)行電力分配和控制，牽引變電所負(fù)責(zé)電力的接收機(jī)變壓，電分段為列車提供牽引供電。

圖1 直流供電系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

但是，該供電模式也存在其自身缺陷。由于其采用獨(dú)有的變電模式，使得電流在運(yùn)輸過程中的長(zhǎng)度會(huì)大大降低，進(jìn)而對(duì)工程建設(shè)過程中所需要的建設(shè)投資成本要求比較高。在電能傳輸過程中，其傳輸效率比較低，無法較好的滿足用戶對(duì)于供電的需求。因此，經(jīng)過論證，直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

2.2 交流制式牽引供電系統(tǒng)

在該供電系統(tǒng)中，均使用單向供電的方法進(jìn)行的，在具體傳輸過程中使用雙變壓器開展電壓的轉(zhuǎn)化和變幻。在此種結(jié)構(gòu)內(nèi)部，存在兩個(gè)不同類型的端口，在具體設(shè)置過程中，會(huì)把其中任意一個(gè)端口設(shè)置為公共接口，其他端口可放置于接地一側(cè)，另作他用。在不同的變電所之間設(shè)置不同的分所，可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域供電。

在交流制式供電過程中，需要長(zhǎng)期保持動(dòng)態(tài)電流狀態(tài)獲取，因此很有可能會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生接觸電壓，因此在電路設(shè)置過程中，需要安裝相關(guān)的耐磨設(shè)施，從而保障電路運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 兩類供電方式比較分析

根據(jù)上文所述，直流交流均存在其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)之處。鑒于此，本文將從供電形式、供電設(shè)施、牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面進(jìn)行主要技術(shù)特征比較。

表1 直流交流供電形式主要技術(shù)特征比較

在供電制式的選擇過程中，交流方式一般適用于距離相對(duì)較長(zhǎng)的供電方式、高負(fù)荷、運(yùn)量較大的鐵路線路，對(duì)于直流供電方式，其應(yīng)用場(chǎng)景一般為運(yùn)行功率較小，供電距離比較短，并且列車需要頻繁啟停的鐵路線路。城市軌道線路運(yùn)輸過程中，兩類供電方式均可以使用。另外，供電方式在選擇過程中，也不能一概而論，必須同時(shí)考慮路網(wǎng)規(guī)劃、項(xiàng)目預(yù)算等因素。通常情況下，對(duì)于線路較長(zhǎng)、速度要求較高以及地下路段比較少的線路，一般選擇交流制式進(jìn)行供電，對(duì)于地下區(qū)段長(zhǎng)、隧道的凈空要求相對(duì)嚴(yán)格的鐵路線路，一般采用直流式供電方式。

3 電力技術(shù)分析

電力技術(shù)作為供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，在設(shè)計(jì)和制作過程中研發(fā)人員需要對(duì)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行合理的使用，在線路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將電力的基本優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，從而為牽引供電線路的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，提升供電的效率。目前，在眾多電力系統(tǒng)中，該項(xiàng)技術(shù)是保障供電網(wǎng)絡(luò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，在對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝過程中，主要的電力技術(shù)要點(diǎn)如下。

3.1 剛性接觸

該種接觸網(wǎng)主要是使用硬質(zhì)金屬條來代替軟導(dǎo)線的一種新型的懸掛方式。隨著對(duì)該項(xiàng)技術(shù)研究的不斷完善，使用剛性接觸可以將“第三軌”接觸面積大的潛能開展深度挖掘，進(jìn)而對(duì)因?yàn)殇撥壷亓窟^高而不能對(duì)問題進(jìn)行很好處置的問題進(jìn)行解決。同時(shí)，在此種方式采用集電弓的方法，這便規(guī)避了在供電過程中發(fā)生集電靴脫落等現(xiàn)象，進(jìn)而大幅提升了列車供電過程中的工作效率。

3.2 柔性接觸

一般簡(jiǎn)單懸掛方式中部存在承力線，此種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化可以減輕支撐過程中的負(fù)荷。所以，該種懸掛在城市軌道交通以及無軌電車領(lǐng)域使用較為廣泛。該種結(jié)構(gòu)也存在著較大的缺陷，其缺陷主要為懸掛存在硬點(diǎn)，并且跨度相對(duì)較小，因本身導(dǎo)線原因會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中來回?cái)[動(dòng)。正因?yàn)榇朔N接觸的缺陷，致使該接觸方式無法在高鐵線路中得到應(yīng)用。因此，近年來出現(xiàn)了一種鏈型懸掛，該種懸掛主要是將懸索裝置將承力線與導(dǎo)線進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，避免了懸掛中出現(xiàn)的跨度小以及用點(diǎn)弱的現(xiàn)象，進(jìn)而將懸掛應(yīng)用在城市地鐵建設(shè)過程中，使得其工作效率得到大幅提升。

3.3 第三軌

在軌道交通列車運(yùn)行過程中，第三軌的結(jié)構(gòu)主要有絕緣體、防護(hù)套、接觸軌、鐵軌、軌枕等結(jié)構(gòu)組成，接觸軌主要是使用鋼鋁復(fù)合軌道材料，這樣不但能夠降低器材的具體損耗，并且減輕整體的重量，提升金屬的導(dǎo)電率。在使用過程中，線路的電能損耗比較少，受流方式主要分為上部、側(cè)部和下部受流三類。接觸頭根據(jù)形式可以分為，溫度伸縮接頭以及正常接頭兩種。其中，溫度接頭可以解決由于接軌溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮現(xiàn)象，正常接頭采用鋁制圍板材料，并且對(duì)導(dǎo)電軌道進(jìn)行固化，避免出現(xiàn)伸縮縫的出現(xiàn)。

圖2 第三軌的結(jié)構(gòu)示意圖

該供電方式由于軌道結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并不需要大量的懸掛結(jié)構(gòu)，因此其打造成本會(huì)比傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)低，因此眾多軌道交通供電系統(tǒng)并不存在專用接觸網(wǎng)。為了提高線路的導(dǎo)電性，第三軌技術(shù)使用的是鋁鋼復(fù)合材料，此外其單位電阻也小，基于這些優(yōu)點(diǎn)牽引網(wǎng)的能耗可以得到很好的改善。另外，相較傳統(tǒng)技術(shù)，也無需額外配備相應(yīng)的沿線電纜，從而降低了城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本。而且，復(fù)合材料制作的接觸軌有耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此運(yùn)維成本也比較低。

4 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)如今隨著我國(guó)軌道交通運(yùn)輸行業(yè)壓力的不斷增大，動(dòng)車、城軌和地鐵已經(jīng)成為人們主要的出行方式，以上出行方式滿足了人們對(duì)于出行的要求。通過不同供電技術(shù)運(yùn)用使車輛高峰階段能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，為城市軌道交通帶來較高的收益。因此，在未來應(yīng)該聚焦軌道交通牽引供電及相關(guān)核心電力技術(shù)的研究，從而不斷提升軌道交通工具運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，提升人們的出行品質(zhì)。