地下鐵道供電制式與受流方式分析

許　斌

[摘要]對地下鐵道的供電制式與受流方式的技術(shù)經(jīng)濟性能進行分析，提出可采用的受流方式，為選擇供電制式與受流方式提供參考和建議。

[關(guān)鍵詞]地下鐵道 供電 受流 分析

中圖分類號：TM6文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220024－02

地下鐵道工程受到廣泛重視，在我國城市軌道交通建設(shè)中得到了飛速的發(fā)展。作為影響地下鐵道系統(tǒng)技術(shù)先進性和工程造價的重要因素供電制式與受流方式引起了人們的廣泛關(guān)注，為促進地下鐵道的順利發(fā)展，有必要進行系統(tǒng)的分析。

一、目前供電制式與受流方式

當(dāng)前世界各國的城市軌道系統(tǒng)和車輛存在多種供電制式和受流方式。無論是歐美，還是日本，早期的地鐵、輕軌系統(tǒng)均采用了直流1000V以下供電方式，如DC 600V，DC 750V等。隨著技術(shù)進步，20世紀(jì)70年代后期設(shè)計的地鐵系統(tǒng)更多地采用了DC 1500V的供電方式。

英國的倫敦、格拉斯哥等地的地鐵系統(tǒng)分別采用了DC 600V、DC 630V和DC 750V供電方式和接觸軌受流；而1980年開始投入運營的英國紐卡斯?fàn)柕罔F，則采用了DC 1500V供電方式和架空接觸網(wǎng)受流。法國各城市軌道交通普遍采用DC 750V供電方式，但接觸軌、架空接觸網(wǎng)兩種受流方式并存；而客流量較大的巴黎地區(qū)快車線則采用了DC 1500V供電方式，架空接觸網(wǎng)受流。在德國的各城市其城市軌道交通供電電壓制式為DC 600V、DC 750V，接觸軌、架空接觸網(wǎng)兩種受流方式并存。

日本多數(shù)城市快車、地鐵、輕軌均采用DC 1500V供電制式和接觸網(wǎng)受流；單軌鐵路、部分地鐵線路及新交通系統(tǒng)、小型地鐵等交通系統(tǒng)則采用了DC 750V供電方式和接觸軌受流。

在我國的香港，地鐵采用了DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流；輕軌采用DC 750V供電方式，架空接觸網(wǎng)受流。北京、天津地鐵均采用了DC 750V供電方式、接觸軌受流。上海地鐵一、二號線及全線高架的輕軌線路明珠線，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。廣州地鐵一、二號線采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。深圳地鐵一號線，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。南京地鐵一號線，采用DC 1500V供電制式，架空接觸網(wǎng)受流。其它如武漢、青島、重慶、大連等地的地鐵、輕軌、單軌等的供電制式分別為DC 750V、DC 1500V兩種。

二、供電制式與受流方式的選擇

（一）常規(guī)供電制式

在IEC（國際電工委員會）和UIC（國際鐵路聯(lián)盟）的規(guī)定中有600V、750V、1500V、3000V四種直流電壓制和25Kv，50Hz一種交流電壓制。我國GB50157《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》、GB3317-82《電力機車通用技術(shù)條件》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：城市軌道交通車輛的供電制式為DC 750V、DC 1500V兩種；干線電氣化鐵路的供電制式為AC 25Kv，50Hz。

1．DC 750V（DC 500～900V）供電制式。該電壓等級在國外的城市有軌交通（地鐵、輕軌、有軌電車）和工礦機車上早有應(yīng)用。我國少數(shù)工礦車輛也采用此制式，而在我國城市有軌交通中的應(yīng)用，則始于北京地鐵。20世紀(jì)50年代末期，北京地鐵以前蘇聯(lián)生產(chǎn)的凸輪變阻技術(shù)地鐵車輛為原形，開發(fā)了國產(chǎn)的北京地鐵車輛。經(jīng)過多年發(fā)展，后來陸續(xù)開發(fā)了多種車型，但供電制式則一直沿用DC 750V制式。采用該電壓的供電系統(tǒng)多用接觸軌受流，而部分輕軌系統(tǒng)和有軌電車系統(tǒng)則采用接觸網(wǎng)受流。

2．DC 1500V（DC 1000-1800V）供電制式。20世紀(jì)的七八十年代，DC 1500V供電制在世界各國得到了廣泛的應(yīng)用。其主要特點是：線路電壓高，電損耗及線路的電壓降小；供電距離長，變流站的數(shù)量相對減少。因此特別適合特大城市、大城市和近郊衛(wèi)星城區(qū)各種不同形式的軌道交通工具的聯(lián)網(wǎng)運營，也適用于中等容量的供電系統(tǒng)。DC1500V電壓供電的系統(tǒng)大多采用架空接觸網(wǎng)受流。

3．AC 25Kv，50Hz供電制式。在所有的供電制式中，AC 25Kv，50Hz供電制已被世界公認為是最經(jīng)濟、最有效的供電方式。作為交流供電體系，它可以克服直流供電制帶來的電路損耗問題，供電距離可在40km以上，是大容量的軌道交通供電系統(tǒng)，一般主要應(yīng)用于干線鐵路中，在市郊列車和近郊快速軌道車輛中也有應(yīng)用。該供電制式有利于干線鐵路和市郊鐵路的過軌聯(lián)運。

（二）DC 750V與 DC 1500V供電制式比較

與DC 750V相比，DC 1500V供電制式的優(yōu)點有：

1．DC 1500V牽引變電所供電距離可達3.5km，較DC 750V的增加一倍，因而變電所總數(shù)減少一半；

2．供電電流減少一半，線路上的電阻損耗大大減少，帶來明顯的節(jié)電效果及減少導(dǎo)線截面積等好處；

3．車輛受電端電壓降小。假定線路電阻相同，則DC 1500V時車輛受電端電壓降只有DC 750V的一半，這對車輛起動，功率的發(fā)揮等都有相當(dāng)大的好處；

4．所有電氣設(shè)備的電流容量減小，有利于車輛的輕量化設(shè)計，增加載客量；

5．高電壓的電氣設(shè)備體積小，易于安裝在有限的車體空間中，方便了設(shè)備布置，特別是在采用大的牽引功率時；

6．采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)受流列車車速較DC 750V接觸軌的高；

7．由于軌道交通系統(tǒng)中的走行軌也是牽引供電的回流軌，與牽引變電所負極相接，而軌道交通牽引供電電壓相對于干線電氣化鐵路電壓低，回流軌與道床間形成電位差，從而沿走行軌向道床泄漏電流，形成雜散電流。為減少這種雜散電流，提高系統(tǒng)的電壓是有效的途徑之一。經(jīng)驗表明，采用DC 750V電壓供電時雜散電流較大，而DC 1500V電壓時牽引電流較小，故雜散電流也較小，減輕了對地下金屬構(gòu)筑物的危害；

8．采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)受流，有利于組成地下、地面和高架等不同型式的軌道交通工具的過軌運行，可充分地發(fā)揮軌道交通的網(wǎng)絡(luò)功能。從這一角度而言，DC 1500V供電制式應(yīng)成為今后城軌系統(tǒng)，特別是地鐵系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

DC 750V供電制的優(yōu)點在于：

1．采用DC 750V接觸軌供電，不影響城市景觀，且受風(fēng)速影響較小；而采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)供電時，則受風(fēng)速影響較大，如5級風(fēng)即應(yīng)限速，8級風(fēng)時車輛應(yīng)停止運行；

2．對車輛的VVVF（變頻變壓控制）逆變器功率元件的電壓等級而言，選用DC 750V供電制式時較之DC 1500V時的低，因而元件成本低，易于采購和系統(tǒng)維護；

3．接觸軌采用鋼作為接觸軌材料，可以降低導(dǎo)體材料的費用。

（三）架空接觸網(wǎng)與接觸軌的比較

理論上，在采用專用車道的系統(tǒng)中，架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種方式均適合；而不設(shè)專用車道的系統(tǒng)中，出于安全等因素，應(yīng)優(yōu)先考慮采用架空接觸網(wǎng)方式。一般而言，在選用DC 1500V作為地鐵系統(tǒng)的牽引供電電壓時，多采用架空接觸網(wǎng)供電方式；當(dāng)選DC 750V作地鐵系統(tǒng)的牽引供電電壓時，多選用接觸軌方式；輕軌系統(tǒng)則應(yīng)根據(jù)不同的運用環(huán)境，合理地選擇架空接觸網(wǎng)或接觸軌方式；有軌電車系統(tǒng)，則大多采用架空接觸網(wǎng)方式。

對于地面的軌道交通系統(tǒng)，采用架空接觸網(wǎng)與接觸軌相比，有以下優(yōu)點：

1．在地面交叉路口處，架空接觸網(wǎng)供電可給列車提供不間斷的電力供應(yīng)，而接觸軌供電在交叉道口處則要間斷；

2．即使是在非專用道，架空接觸網(wǎng)供電仍具有很高的安全系數(shù)，而地面接觸軌供電時，為確保乘客安全，需要裝設(shè)護欄；

3．架空接觸網(wǎng)供電的線路布局，道岔建設(shè)和交叉道口十分簡單，其供電系統(tǒng)維修車間和車場的布局，設(shè)計和施工也簡單。軌道、街道和步行道交叉使用，可以不受限制；

4．現(xiàn)代的架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)可以容納到城市環(huán)保當(dāng)中去，電桿的支撐結(jié)構(gòu)，其顏色可考慮與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相匹配，不會產(chǎn)生負面影響。

綜上所述，對于接觸軌而言，可靠性高，造價低，少維護是其主要特點，另外還可降低隧道的結(jié)構(gòu)高度。目前尚未出現(xiàn)過因接觸軌故障而影響列車運行的記錄。此外接觸軌的磨耗量很小。但是，由于接觸軌長期暴露于地面，系統(tǒng)中要求具有防止人員觸電，防止污染的良好絕緣和封閉措施，還必須考慮腐蝕后的維護和受流的可靠性。采用架空接觸網(wǎng)的受流方式則較為靈活，架空接觸網(wǎng)可確保帶電體與車輛、人員之間的安全距離，可降低對城市軌道交通線路的封閉要求。但目前架空接觸網(wǎng)受流方式在可靠性、可維護性等方面與接觸軌相比仍有一定的差距。

從國外的實際運用情況看，新建的城軌系統(tǒng)中采用架空接觸網(wǎng)受流方式的占據(jù)大多數(shù)，并成為一種趨勢。這是因為現(xiàn)代城軌系統(tǒng)的列車既可行駛在地下，也可行駛在地面，還可行駛在高架線路上，其復(fù)雜的線路條件決定了列車的受流方式應(yīng)優(yōu)先采用架空接觸網(wǎng)。目前國內(nèi)的上海、廣州地鐵車輛在駛離了市區(qū)后均駛上了地面，因此統(tǒng)一的架空接觸網(wǎng)受流方式可以降低其車輛系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時還極大地降低了系統(tǒng)的綜合造價。在國外的城市軌道交通系統(tǒng)中，列車的地面運營里程也遠遠大于地下的運營里程。

三、結(jié)論

1．從國外城市軌道交通的發(fā)展來看，供電電壓制式一般是根據(jù)所在城市的客流，是否是各類軌道交通工具聯(lián)運（地鐵、輕軌等），以及車輛平均運行速度等的要求進行選擇。值得注意的是，近年來由于技術(shù)上的進步，城市軌道交通車輛的供電制式正朝著提高牽引電壓等級的方向發(fā)展，特別是近年來修建的軌道交通系統(tǒng)，幾乎都選擇了DC 1500V的供電制式。

2．隨著客流量增加，車體尺寸大型化，列車編組的增長和速度的提高，對列車的整體動力性能也有了更高的要求，即要求列車在較短的時間內(nèi)迅速加速至最高運行速度，或在較短的時間內(nèi)從最高運行速度迅速減速停車，對列車總功率的需求也比以前大大增加了，車輛的單軸功率從75kW增加至200kW，因此必須提高列車的供電電壓，增加系統(tǒng)的容量。而接觸軌系統(tǒng)出于安全等方面的考慮，很難提高電壓，再加上現(xiàn)代的城軌車輛需要開行連接市郊線的直通車，因此大多數(shù)新建的地鐵或輕軌系統(tǒng)開始采用DC 1500V架空接觸網(wǎng)供電方式。

3．隨著技術(shù)的不斷進步，特別是絕緣技術(shù)和新材料的廣泛應(yīng)用，地鐵在采用架空接觸網(wǎng)時，可以盡量控制隧道的高度，降低建設(shè)成本。德國、日本等開發(fā)了可縮小空間的鋼體架線方式，同時還研制成功了可以在低隧道中工作的受電弓，這樣，隧道高度就與接觸軌大體相同。此外，從工程投資費用上進行比較，兩種供電制式的系統(tǒng)單價基本相當(dāng)。且牽引變電所的設(shè)備投資和架空線的土建費均比接觸軌低得多，雖然隧道工程的投資，架空接觸網(wǎng)方式比接觸軌方式要略高一些，但由于車輛電傳動系統(tǒng)造價降低，其綜合差價可以彌補采用接觸網(wǎng)帶來隧道工程投資的增加。此外，國內(nèi)許多城市的論證結(jié)果表明，在工程費用上采用DC1500V架空方式是經(jīng)濟的。

參考文獻：

[1]地市軌軌道交通研究，上海鐵道大學(xué)，上海：上海鐵道大學(xué)出版社，1998.

[2]崔元鑒編，地下鐵道，北京：中國鐵道出版社，1984.

[3]高渠清著，隧道及地下工程論文選集，北京：中國鐵道出版社，1996.

作者簡介：

許斌，男，漢，福建莆田人，大學(xué)本科，供電專業(yè)，工程師。