城市軌道交通牽引供電及電力技術分析

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摘要：針對目前中國城市軌道交通存在的問題，提出了一種基于牽引供電技術的城市軌道交通牽引供電系統。論述了城市軌道交通的牽引供電系統，對接觸網、第三軌進行了簡要的介紹，并對三者的利弊進行了深入分析。有關部門需參照更多標準，以便各個城市根據自己的情況選擇最適合的牽引供電模式。

關鍵詞：第三軌；電力系統；接觸網；城市軌道交通

在許多城市中，城市軌道交通是一種新型運輸方式。軌道交通與汽車、公交車等交通工具相比具有明顯的差異和優點，例如噪聲低、污染低、不會造成交通堵塞等，尤其是在那些人口眾多、交通擁擠的地方更是如此。現在的地鐵已成為城市交通網絡中一個重要組成部分，在緩解通流壓力方面作出了重大的貢獻。從某種角度來說，城市軌道交通已經成為城市交通網中不可或缺的一部分，在交通運輸、緩解交通壓力等方面都起到了重要作用，希望城市軌道交通能夠更好發展，任何情況下都能穩定運行。隨著城市化進程持續加快，城市規模逐步擴大，人口激增，交通問題日益突出。國家科技進步為中國運輸體系的發展提供了更加強大的支持。交通系統技術發展成熟，種類繁多。新型的城市軌道交通速度快、污染少、可緩解城市交通堵塞，是今后中國城市交通發展的主要趨勢。盡管中國運輸體系的發展技術水平較高，但遇到的困難也很多，需要持續革新。在改革技術手段的基礎上，重點關注牽引供電系統等關鍵技術，并持續優化。只有這樣，才能保證電力技術的應用功能得到充分發揮，才能保證城市發展軌道交通的安全。因此，對城市軌道交通的牽引電源和電力技術進行研究在軌道交通發展中起著特殊的作用[1]。

1中國城市軌道交通的發展狀況

地鐵、輕軌、公交車等公共交通是城市軌道交通的一部分。19世紀50年代早期軌道交通首次在英國出現。倫敦的大都會鐵路歷時9年建成，于1863年初正式投入使用。它的主要動力來自于蒸汽機車，以蒸汽為動力，驅動蒸汽機車運輸。隨著全球經濟的發展和人口不斷增長，中國的運輸方式也隨之發生了變化。交通堵塞問題是全球范圍內普遍存在的，中國交通堵塞的情況更為嚴峻。中國在交通建設和發展過程中，對城市軌道交通的發展給予了越來越多的關注。目前，全球三大城市軌道交通運營里程最長的國家為中國、美國、韓國。

2牽引供電系統在城市軌道交通中的應用

[2-3]軌道交通牽引供電系統指在運輸線路上進行電力輸送的電力供應，保證電力機車、輕軌、地鐵等正常運行，其供電采用牽引網傳輸。起初，地鐵有交流和直流2種動力形式，與技術發展相結合的雙重標準電力供應經過相關專家們的努力而得以實現。隨著社會的進步和城市的發展，人口增長和交通堵塞問題日趨嚴重，城市軌道交通系統也面臨著越來越大的挑戰。交通牽引電力系統關系著交通出行的順暢度。以下是2種不同的電力供應方式在城市軌道交通中的應用細節。

2.1直流制

很多城市在建設接觸網、牽引網、變電站等，部分單位對其進行了大量的研究。電力系統采用的是1500V供電方法，而城市軌道交通則是由電力系統雙邊供電。電力系統之所以選擇雙向電源，主要是因為一旦有一條電力線出現故障，就能立刻對線路進行替換，這樣才能更好地保證電力運輸和牽引電力。建立直流牽引供電網絡時，也可以采取雜散的電流保護方法，實現向單獨的電力供應網絡的均勻傳輸，還可以進行更遠的傳送。采用直流系統本身的電力傳輸方式，電力供應的距離會縮短，會增加項目投資，而且直流牽引電力系統的傳輸效率也不高，所以直流牽引供電系統沒有建設優勢。

2.2交流制

交流牽引電力系統是一種單向連接的電力系統。電廠在同一時間安裝了2個變壓器，并對其進行了單獨的雙繞組變壓。該結構為開放式三角形，電網的接入端為高壓側。表面有2個端口和1個公用的端口，其他的端口連接到牽引母線上，將低壓端置于接地端。對于牽引的電力供應系統的降壓系統，除了在電源系統的末端提供壓力外，還包括在整個線路上設置增壓系統，更好地保證了線路照明系統正常運行。牽引式交流電源系統在很長一段時間內都是動態的，所以會產生很大的瞬間接觸壓力，因此，在交流牽引電力系統中的設備一定要很耐磨損。

3接觸網

接觸網也叫架空接觸網，架空電纜、高架電力電纜是目前城市軌道交通中普遍采用的電力供應方式，另一種電力供應方式為第3個軌道。接觸網只有導線的一個電極，在集電器上獲得電能，然后由鐵輪軌道來完成電流的回歸。如果采用膠輪的系統，例如無軌電車，觸網會有2條電線，它們不會互相接觸，主要是由2個集電桿進行電力收集。根據懸吊的種類，一般可劃分成鏈型懸掛、簡易懸掛、剛性懸掛。鏈式懸掛、簡易懸掛都是柔性懸掛，所以也可以分為柔性和剛性2種接觸網[4]。

3.1柔性接觸網

簡單懸吊無承力線，僅有導線，其優勢在于支撐高度低，結構簡單，在支撐位置上的載荷相對較小。因此，在沒有支撐的情況下，軌道交通和城市輕軌中普遍采用了簡易懸掛。簡明懸吊的不足之處在于懸吊點具有較大的剛性點和較小的跨距。使用時導引頭的導向性較差，線路會出現上下擺動，所以不能在高鐵上使用。鏈形懸吊是用吊繩將承載線和電線連接在一起的，解決了簡易懸掛存在的有硬點和小跨度2個問題，所以在跨度大、速度大、長距離的電力系統中，較多采用鏈式懸掛技術。在市內軌道交通中，若采用鏈式懸掛，雷車最快的時候可以達到120km/h。柔性接觸網是軌道交通供電系統中比較常用的一種形式，結構上以簡易懸掛、鏈式懸掛為主，并且簡易懸掛本身很方便，在處理它的時候通常無需布置承力線，只要將電線布置好就行了。它的結構很簡單，支撐的高度也很低，主要用于無軌或輕軌軌道交通的電力供應系統中。盡管簡易懸掛有許多優點，但是它也有一個很大的缺點，那就是它的懸空硬點、跨度小，易產生振動。用鏈條吊著充分利用吊繩的連接，保證了電線與承力線的連接高效，并且具有速度快、跨度大等優點，可以彌補單純懸空的不足。這種方法不但可以用于電氣化鐵道中，并可在高速鐵路系統中推廣使用，從而保持牽引電力系統本身的功能。

3.2剛性接觸網

剛性懸架是用硬金屬條代替了傳統的柔性導軌，這是一種新的懸吊方法。隨著材料與結構力學的發展，剛性懸架具有較大的接觸面積和與第三軌道供電的優勢，很好解決了由于軌道太重造成的不能懸掛的問題。地鐵由地面向地下線路行駛時，與地面列車直接相連。采用剛性懸架，可實現無縫對接，無需重新更換機車。另外，由于采用了集電弓，所以不會有使用集電靴易脫落的缺陷，因而加快了工作速度。當采用剛性界面時，可以更好地進行系統的操作，這是一種特殊的能力。在使用剛性接觸網時，一般采用硬金屬條，原來的金屬絲被替換成了更好的懸架。從有關經驗來看，采用剛性接觸具有許多優越性，如增大了接觸區域，并極大地消除了原有的牽引電源存在的缺陷。對于中國城市軌道交通系統總體來說，這是一種由下往上的轉變。使用剛性接觸網可以有效地達到縫合銜接，無需其他操作。剛性接觸網連接架上的架設，一般采用集電弓的形式，在使用過程中不會發生脫扣現象，從而使接觸網在使用過程中發生變化。通常情況下，它主要用于高速軌道交通中。

4第三軌的構成與特征[5]

4.1第三軌的構成

第三軌基本上包括接觸軌接頭、末端彎頭、防爬裝置和安裝基座。接觸式軌道以鋼鋁制為主，它的結構特點是損耗低、質量好、導電率高、電能損耗低。接觸軌接頭一般可分為溫度伸縮接頭和正常接頭，其中溫度伸縮接頭是用來克服由于周圍溫度而引起的接觸軌道變形；普通連接采用鋁合金魚尾鋼板來固定每一節的導軌，不保留溫度伸縮縫，但支撐點和連接間距不得少于600mm。末端彎頭用來保證接觸斷軌平穩通過。防爬裝置用于對接觸導軌的自由伸縮部分的膨脹伸縮量加以限制。安裝基座一般是一個整體的絕緣基座，并裝在枕木或導軌上。

4.2第三軌的特征

第三軌導電性好，因為其采用了鋼鋁復合接觸軌道；單位電阻小，從而可以使電力消耗大幅減少；不再需要在線路上增加饋電電纜，節省了很多運營成本。另外，由于接觸導軌是復合材料，所以它耐腐蝕，質量輕，維修量少，維修成本低，運營成本大幅下降。因為第三軌與步行軌道相鄰，所以不會對周邊環境造成太大的影響。但是，由于在安裝時第三導軌與地面的距離很接近，所以在人員安全防護方面很難保證，絕緣設備很容易被污染。這種情況下，會出現閃絡現象，進而影響行車。

53種不同類型接觸網的優劣[6]

5.1柔性接觸網的優點和缺點

簡易鏈式架空接觸網的接觸線與承載纜繩均有拉力，當接觸網出現短路故障時，有可能出現斷線危險。夾持構件在承受各種豎向載荷的同時，也承擔著導線的拉力引起的各種水平載荷和斷裂沖擊載荷，這也是零件失效的原因。一旦出現故障，將會造成很大的影響。這是一項高難度的維修工作，需要大量的人力，維修和修復難度大，需要專門的維修設施。

5.2剛性接觸網的優點和缺點

與接觸軌類似，剛性接觸網具有結構簡單、事故影響范圍小、運行維護工作量小等優勢。但其弊端是具有較高的作業面，操作和維修工作要求有專門的維修車輛。

5.3第三軌的優點與不足

第三種導軌具有結構簡單、使用壽命更長、電功率相同等特點。與接觸網相比，無論是在安裝和維修方面都要花費大量的精力和費用，而且不會受到氣候的影響，適用于小型隧道。第三條軌道的常見問題是支撐絕緣子損壞、開裂或污垢，因而無需專門的維修機器。加之作業面低，零部件種類少，即使是維修作業也很簡單。但是因為第三條軌道非常接近地面，所以一旦有人靠近，就很難做到萬無一失。因為離地面太近，所以很容易受到相應的污染。現在的絕緣設備無法實現雨水與自然風的自潔，所以要經常清潔，否則極易造成絕緣閃絡事故，從而對車輛的運行產生不利的影響。

6城市軌道交通的供電系統和技術管理方式

6.1供電方式的科學選用

為了保障城市軌道交通供電系統的安全運營，應合理選用供電方法，該方法可以保證電力系統的安全運行。員工應當清楚地了解電力供應的目前狀況，并根據需要提供的電力和電力系統的運行反饋，選用適當的方法加強處理。員工應依據電力系統目前的抗干擾性能情況提高電力系統的抗干擾能力，防止故障的發生。員工要根據供電方式的基本原理，確定各種供、用電方式對城市軌道交通的供電方式的影響，根據不利因素分析結果選用適當的方法。

6.2加強電力供應管理

對軌道交通運營工作進行綜合規劃，合理配置管理工作的內容可以促進城市的電力資源的合理分配和利用。在正規的管理程序中，有關工作人員要自覺承擔起自己的崗位責任，堅持以科學管理和安全治理為目標，實現對城市電網調度的優化。根據城市軌道交通供電系統的供電狀況，員工應當從工作需要出發，制定相應的管理制度。根據城市軌道交通發展的需要，合理選用不同的供電方式，實現對目前有關資源的合理分配和使用。電力供應模式的選擇應以集中供電為主，分散供電為輔，提升城市軌道交通電力系統的安全操作水平。

7結論

隨著中國各大城市的交通壓力日益增加，中國許多地區的動車、地鐵、輕軌都在建設，既方便了人們的出行，又為城市軌道交通電力系統的通電帶來新的挑戰，特別是在人流量、車輛流量方面。對于更大的城市來說，迫切需要滿足城市軌道交通的電力供應。在交通高峰期，城市軌道交通穩定、高效、持續供電非常關鍵。對于市軌道交通的電力供應，需要進行更加細致深入的研究，加強它在減輕城市交通壓力方面的作用。

參考文獻：

［1］陳維榮，王璇，李奇，等.光伏電站接入軌道交通牽引供電系統發展現狀綜述［J］.電網技術，2019，43（10）：3663-3670.

［2］李群湛.論干線鐵路與城市軌道統一牽引供電方式［J］.中國科學：技術科學，2018，48（11）：1179-1189.

［3］劉建，劉志剛.新一代智慧型城市軌道交通牽引供電系統的創新理念與實踐［J］.都市快軌交通，2018，31（1）：129-135.

［4］胡海濤，鄭政，何正友，等.交通能源互聯網體系架構及關鍵技術［J］.中國電機工程學報，2018，38（1）：12-24，339.

［5］陳宮鍺，姚應峰.地鐵車輛段過渡工程方案研究［J］.現代城市軌道交通，2013（6）：55-57.

［6］何洋陽，黃康，王濤，等.軌道交通牽引供電系統綜述［J］.鐵道科學與工程學報，2016，13（2）：352-361.

作者：鐘迪盛 單位：福州中電科軌道交通有限公司