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1、铁路，I 二-j 技木!刖o：川理论研究新型有轨电车供电方式分析一苏国强郑磊黄坤林随着城市现代化进程的加快和汽车数量的增加，城市交通压力倍增，交通堵塞现象严重，同时还存在全球能源危机和大气污染等问题。虽然很多城市建设了地铁、轻轨等轨道交通来缓解交通压力，并减少汽车尾气的排放量，但由于地铁、轻轨投资巨大，不适合一般中小型城市的推广。因此，高效、廉价的新型有轨电车重新进入人们的视野。与公共汽车相比，它污染小、速度快、运量大、使用寿命更长；与地铁、轻轨相比，它总投资少，建设周期短，运营费用更低。因此，新型有轨电车正逐渐被许多中小城市所接受。供电系统是轨道交通安全运营的基础，从实际运用的角度出发，如何
2、选择合适、有效的供电方式以满足新型有轨电车运营需求，成为亟待解决的问题。1 新型有轨电车特点新型有轨电车一般具有以下特点：(1)整体景观要求高。对于景观影响，第一是车辆整体造型、美工和色彩，车体基本采用流线外型和低地板设计，有的还注重与城市文化底蕴、历史背景相结合；第表1轨道交通系统路权分类二是地面供电设施对景观的影响，考虑到对人身安全和地面交通、景观产生障碍，不适合采用传统的第三轨供电，若采用架空接触网，则会因矗立的电杆和空中的接触线对城市景观造成不良影响。(2)新型有轨电车的线路站间距普遍较小，平均站间距不到1k m。(3)车辆设备小型化和轻量化。一般车辆最大运行速度为6 0 8 0k m
3、 h，平均运行速度为2 0 3 0k m h。(4)有轨电车与地铁、轻轨不同，通常不具有专用路权。路权直接影向有轨电车运行的效率和安全，并决定了有轨电车的运行模式、控制方法。根据美国运输研究学会的建议，一般可将轨道交通系统的路权划分为3 种形式共9种类别(见表1)。轻轨、地铁系统广泛采用A 类路权。对于有轨电车，其路权形式就比较多样。过去有轨电车通常采用B 类或C类路权以节省投资和运营成本。为了提高有轨电车的运输效率，增强运营安全性，部分项目也会采用A 类路权。目前，我国上海、大连和天津等地运行的有轨电车都属于C4 62 0 13 年第6 期万方数据类路权，而沈阳、苏州和南京新建的项目属于B
4、类路权，平交道口多，与机动车混行。2 有轨电车供电方式传统轨道交通有2 种不同的供电制式，一种是架空接触网供电，另一种是接触轨供电。接触轨供电的缺点是在地面线路上使用，安全性不高，在电分段与道岔处需隔断，并且需要专用路权。架空接触网的缺点是装置较易产生故障和维修不便，而且在地面和高架线路上树立接触网支柱会影响城市景观。为克服以上缺点，近年来提出了多种地面供电方案，并取得了良好成效。2 1 无架空线地面供电方式2 1 1A P s 地面供电技术A P S 即地面供电系统，是由阿尔斯通集团研发的地面供电方式。A P S 的特点是仍采用第三轨供电，但供电轨埋设在2 条钢轨之间，轨道面与供电轨表面均与
5、地面相持平。供电轨由3m 的小绝缘段分成很多8m 长导电段，其中每节导电段的长度应不大干列车的长度，且应尽可能短。感应电路埋设在导电段下方相应长度内，只有当导电段上有车辆通过时，接收到信号的开关才会使供电轨通电。等车辆通过后，供电轨便不再带电。车辆上装有蓄电池组，有蓄能功能，可保证在通过绝缘段时能够持续供电或在供电系统发生故障时保证电车继续行驶一段距离，避免停在关键地段。A P S 地面供电线路见图1。A P S 运行中出现的问题是绝缘段磨损较大，每年达1m m，会逐渐与导电轨产生差异：此外，冰雪天气也带来一些问题，A P S 可能无法实现制动能量的再生，这也是缺点之一。2 1 2T r a
6、m w a v e 地面供电系统Tr a m W a v e 是由安萨尔多集团研发的有轨电车地面供电系统。T r a m W a v e 系统的基本构件由一个3m 或5m 长用于内嵌的模块化组件构成，该模块组件中容纳了全部地面供电系统所需元素。Tr a m W a v e 供电接触线采用嵌入式安装在2 条钢轨中间的连续导管内，不影响行人及其他车辆的穿行。一系列5 0c m 长彼此绝缘的钢制接触板(称为区段)安装于模块组表面，各区段彼此隔离，所有模块组连接在一起形成了T r a m W a v e 地面供电接触线。车辆驶过时，仅当列车转向架位于区段正上方时才会导电。地面供电轨导电的必要条件为区段
7、上有列车，且列车集电靴处于放下状态，供电轨模块内部才会被激活而传输电流。此时仅有与集电靴接触的1 块或最多2 块的区段上为激活通电状态，其他均不带电，即保证了供电的安全要求，又满足了车辆的驱动及附属设备用电需求。T r a m W a v e 地面供电线路见图2。采用Tr a m W a v e 供电的有轨电车可通过车载蓄能装置实现再生制动，回收制动电能。Tr a m W a v e 的主要特色还表现在：可实现连续电力供应，与传统架空电线供电达成同样的效果；无需再装载辅助的系统，能自主运作；可实现直接安装在各种轨道车辆上，也可与传统架空网实现混合供电的应用方式。理论研究铁路，1技木生：J图2T
8、 r a m w a v e 地面供电线路2 1 3 非接触供电方式P r i m o v e 电磁感应供电系统是庞巴迪于2 0 0 8 年开发的一种有轨电车非接触供电技术，并于2 0 0 9 年1 月在德国B a u t z e n 进行示范试验。Pr i m o v e 系统采用感应电能传输原理从地面上传送能量。在轨道中间敷设7 5 0V 直流供电电缆，并根据需要每隔一定距离设置1 套逆变装置，直流馈电电路由2 个独立并完全绝缘的电缆组成，与沿导轨布置的逆变器相连接，由供电电缆供电。逆变器将直流电转变为2 0k H z 的交流电，从而使1 个一次绕组区域得电，在通过敷设在轨道中间的3条电缆
9、时，地面初级电路会产生感应磁场。地面次级电路安装在车辆底下，离初级电路的距离最大不应超过7 0m m，否则影响供电效果。次级线圈通过电磁感应原理，先产生约4 0 0V 的交流电压，再整流为6 0 0V 直流电供给牵引电机与辅助设备或充电至能量储存装置(锂电池)。P r i m o v e 系统的效率取决于次级线圈与初级电路之间的间隙大小，正常范围约为4 5m m，但在车辆运2 0 13 年第6 期4 7万方数据铁路，卜j1技术!刊：川理论研究行中会随着车体垂直方向的振动而变化。感应产生的电流是闭路的，因此轨道内不会产生回流电流。P r I m o v e 系统供电示意见图3。由于Pr i m
10、o v e 系统采用电磁感应原理，不产生设备磨损，雨雪天气也不会产生影响。为防止电缆损坏，在沥青或水泥街道上敷设电缆，要求电缆的敷设深度至少为2 0c m。根据相关报告，感应传输的电能损耗较大，比传统架空供电增加约1 0：投资和维修费用也较高，约为架空供电的1 5 倍；另外，电磁波对乘客身体的影响还不明确。2 2 储能装置加局部架空线供电方式储能式电力牵引交通系统由储能式电力牵引车辆、大容量储能装置、车站地面快速充电站(或接触网)等构成。储能式电力牵引车辆利用乘客上下车在站台停车时快速完成充电，一次充电后靠储存的电能连续行驶到达下一站台再进行充电，站间无需架设供电线网。2 2 1 超级电容西班
11、牙的C A F 采用超级电容快速充电方案(A C R)。A C R 是一套由车载超级电容供电的电源系统，超级电容在车辆进站制动时，可利用刹车产生的再生电能充电，停站时通过架空接触网再进行快速充电，站间无需架设架空线网。C A F 有轨电车停靠站快速充电示意见图4。阿尔斯通也用相似的方法在巴黎T 3 线进行了试验。超级电容安装在C i t a d i s 4 0 2 型有轨电车的车顶，总容量为2 16k W h。整个装置的质量为7 2 0k g，在停站时进行充电，充电时间约为2 0s。国内采用车载超级电容驱动的储能式电车由中国南车株洲电力机车有限公司研制成功，该储能式有轨电车采用中国南车研发的7
12、0 0 0F高比能超级电容储能元件，并将应用于广州海珠环岛7 7k m 的有轨电车项目。超级电容作为储能装置的优点是充电快，可在很短时间内完成充电：缺点是能量密度低，质量、体积较大，占用车辆设备空间较大，如车辆设备空间受限，则不能安装大容量的超级电容。表2 蓄电池和超级电容特性对比图3P r i m o v e 系统供电示意图4c A F 有轨电车停靠站快速充电示意2 2 2 蓄电池同超级电容相比，蓄电池作为储能装置的优点是单体电压高、能量密度高，同样的质量和体积能带来较大的能量输出，特别适用于车辆设备空间有限情况：缺点是充电时间较长。蓄电池和超级电容特性对比见表2。国内首辆采用车载蓄电池驱动
13、的有轨电车由南车南京浦镇车辆有限公司研制成功，并将于2 0 14 年8 月在南京河西新城、麒麟科技创新园2 个有轨电车项目上应用。该型车结合1 0 0 低地板有轨电车技术与蓄电池储能技术，运行方式为车站采用架空接触4 82 0 13 年第6 期万方数据网充电，站间不设接触网，由车载蓄电池提供动力。车站接触网仅安装在站台区域，总长不超过9 0m；车辆进站时受电弓升弓，利用停站时间通过接触网为车载蓄电池充电，出站后车辆降弓，由蓄电池独立供电运行至下一车站再进行充电。每列车配置2 组蓄电池，每组牵引蓄电池的能量至少为4 9k W h，容量在9 2A h 以上。电池充满电后可维持列车在满载工况下运行8
14、k m 以上。车载蓄电池驱动的有轨电车站台效果见图5。正常情况下，列车行驶一个站间距(按10 0 0 m 计)消耗的能量为1 0 左右，到车站利用停站时间充电3 0 4 5s，为提高充电效率，采取双接触线大电流充电方式：静态最大充电电流5 0 0A，动态最大充电电流可达8 0 0A，基本能将站间行驶损失的电量完全补充回来。车上的空调设备及辅助设备也由蓄电池供电，但如果车辆在没有架空供电的区段停留超过3m i n，车上的空调设备将自动停用，以节省能耗。车辆结束运营驶回车辆段后再进行深度充放电，将车载蓄电池完全充满为下次运行做；隹备。3 供电方式比较对新型有轨电车而言，架空供电虽然是一种经济的供电
15、方式，但从整个有轨电车系统的特点和所产生的社会效益来看，地面供电方式的有轨电车仍具有相当的优势。首先，减少了架空线、电线杆与基座所造成的视觉冲击，无需砍除沿线树木，也无需破坏任何建筑来固定架空线：其次，无架空线更能抵抗特殊天气情况，即使是龙卷风或暴风也完全不受影响；而且其营运与维护成本比架空线系统更低。图5 车载蓄电池驱动的有轨电车站台效果理沦研究铁路，-j1技术刿0 相较于几种无架空线或部分架空线系统，采用蓄电池加接触网系统的供电方式更为合理可行。第一，与无架空线网供电系统相比，成本低、投入少、更简便；无论是A P S、T r a m W a v e 或是Pr i m o v e 系统都是国
16、外公司独有技术，造价高，需要在地面轨道区域埋设精密的供电设备，前期投入大，后期维护保养费用高。第二，同超级电容相比，蓄电池更适合低地板有轨电车这种车上设备空间较少的车型，充电慢的缺点可通过增大充电电流、站站充电的方式进行弥补，而且大容量的电池也可保证万一地面供电系统发生故障，车辆可以靠车载电池驱动载客行驶完全程。第三，仅在车站站台设接触网的方式，接触网与站台雨棚在视觉效果上融为一体、相得益彰，站间不设接触网，既保护了城市的风景，又提升了城市的美观度。4 结束语新型有轨电车凭借其造价低、建设周期短、换乘方便等优势成为中小城市轨道交通的新选择，其供电系统是整个轨道交通系统中的重要组成部分。由于新型
17、有轨电车具有线路短、平均站间距小、城市景观要求高等特点，从整体考虑，蓄电池加接触网是最为合理的方案之一。新型有轨电车采用区间无接触网、站站充电的方式完全可以满足电车在正常高峰时期的运营需求。5 参考文献李韶杰超级电容器蓄电池混合电源性能研究【J】电源技术，2 0 1O(6)：5 6 7 5 7 1【2】周庆瑞，施翊新型有轨电车及其创新的供电制式f J l 都市快轨交通，2 0 0 8 6)：9 5 9 7【3】柴适有轨电车供电新技术【J】城市公用事业，2 0 1 1(4)：5 3 5 4【4】周春燕上海轨道交通运营成本控制刍议【J】城市轨道交通研究，2 0 1 0(7)：9 1 1【5】刘新平
18、新型有轨电车信号系统方案研究城市轨道交通研究，2 0 1 2(5)：5 0 一5 2 苏国强：南车南京浦镇车辆有限公司T s E 事业部，工程师，江苏南京，2 10 0 5 1郑磊：南车南京浦镇车辆有限公司T s E 事业部，工程师，江苏南京，2 10 0 5 1黄坤林：南车南京浦镇车辆有限公司丁s E 事业部，助理工程师，江苏南京，2 10 0 5 1责任编辑卢敏2 0 13 年第6 期4 9万方数据新型有轨电车供电方式分析新型有轨电车供电方式分析作者：苏国强，郑磊，黄坤林作者单位：南车南京浦镇车辆有限公司TSE事业部,江苏南京,210031刊名：铁路技术创新英文刊名：Railway Technical Innovation年，卷(期)：2013(6)参考文献(5条)参考文献(5条)1.李韶杰 超级电容器蓄电池混合电源性能研究 2010(06)2.周庆瑞;施翊 新型有轨电车及其创新的供电制式 2008(06)3.柴适 有轨电车供电新技术 2011(04)4.周春燕 上海轨道交通运营成本控制刍议 2010(07)5.刘新平 新型有轨电车信号系统方案研究 2012(05)本文链接：http:/