現(xiàn)代有軌電車無接觸網(wǎng)技術應用分析

陳志雄

（威立雅交通巴黎地鐵中國有限公司，200041，上海∥工程師）

現(xiàn)代有軌電車無接觸網(wǎng)技術應用分析

陳志雄

（威立雅交通巴黎地鐵中國有限公司，200041，上海∥工程師）

無接觸網(wǎng)技術在現(xiàn)代有軌電車的應用，解決了有軌電車接觸網(wǎng)造成的“視覺污染”問題。介紹了采用地面供電技術的APS（交替式地面）系統(tǒng)、Tramwave（創(chuàng)威地面感應式）系統(tǒng)和Primove（電磁感應式）系統(tǒng)，以及各種車載儲能技術。分析比較了不同無接觸網(wǎng)技術的系統(tǒng)設計、性能和長期運營維護情況。車載儲能技術作為一種廣泛應用的工業(yè)技術，在達到小型化、高能量比、快速充放電和環(huán)保處理方式后，將成為現(xiàn)代有軌電車無接觸網(wǎng)技術的發(fā)展方向。

現(xiàn)代有軌電車；無接觸網(wǎng)技術；地面供電；車載儲能供電

Author’s addressVeolia Transport RATP China，200041，Shanghai，China

現(xiàn)代有軌電車是一種開放式的軌道交通系統(tǒng)，一般行駛在道路上，是一種平交制式［2］。其架空接觸網(wǎng)被視為城市景觀的一種“視覺污染”，從而促進推動了一種現(xiàn)代有軌電車新型供電技術——無接觸網(wǎng)技術的發(fā)展。該技術利用新型設備給列車供電，消除架空接觸線及支柱對歷史文化景點景觀的破壞。無接觸網(wǎng)技術主要有地面供電和車載儲能裝置供電（蓄電池或超級電）兩種技術類型，并已經(jīng)在一些項目中成功投入商業(yè)運營。

本文結合商業(yè)運營現(xiàn)代有軌電車項目經(jīng)驗，比較了不同無接觸網(wǎng)技術的系統(tǒng)設計、性能及長期運營維護情況，分析了其可靠性和維修成本，為科學決策提供參考。

1 地面供電技術

1.1 APS（交替式地面）供電技術

APS技術最先由Innorail在20世紀90年代提出，1998~2001年第一條試驗軌道在法國馬賽建成并進行相關試驗。后期，阿爾斯通以其Citadis車輛技術參與了APS系統(tǒng)改進工作，并在法國AYTREE工廠建設了一條專門的測試線。APS技術從此開始了長足進步，并在阿爾斯通的大力推薦下走向了商業(yè)應用。2003年，世界上第1條商業(yè)化應用的APS系統(tǒng)在波爾多11.5 km線路上正式投入運行。經(jīng)過10年商業(yè)運行，APS技術已經(jīng)趨于成熟，并在蘭斯、迪拜等多個城市推廣應用。

APS系統(tǒng)構造的特點是供電仍采用第三軌。第三軌埋設在兩股鋼軌之間的道床內(nèi)，鋼軌面與第三軌面均與地面持平。第三軌由3 m長的絕緣段和8 m長的導電段相間敷設而成。導電段由每隔22 m一處的控制箱控制。在導電段下方相應長度內(nèi)埋設有感應電路。當列車通過時，車輛與地面控制箱進行無線通信，控制箱收到車輛發(fā)來的信號后觸發(fā)列車覆蓋區(qū)段第三軌導電，車底中部的集電靴通過接觸獲得電能。而其他區(qū)段的第三軌則處于接地狀態(tài)，與走行鋼軌連接，電壓為“0”，不會產(chǎn)生任何危害［3］，如圖1所示。

圖1 波爾多APS系統(tǒng)原理及主要設備示意圖

經(jīng)過10年的商業(yè)運行，運營商總結了不少APS系統(tǒng)的設計及維修經(jīng)驗，主要如下：

（1）完善的道床排水設計，能減少積水對導軌與集電靴接觸的影響；

（2）特殊的十字路口路面及導軌設計，能避免路面重型卡車擠壓造成的損壞；

（3）路面導軌絕緣段應使用耐磨材料，可避免過多維修及更換；

（4）安裝在導軌框架內(nèi)的饋電線深埋地下，不易檢修，因此對其絕緣及質(zhì)量可靠度要求高；

（5）雪天及冰凍天氣下集電靴與導軌接觸不良率高，需要加大除冰工作。若采用鹽來除雪，需要及時清除，以避免鹽的結晶對導電軌產(chǎn)生影響；

（6）車輛與APS系統(tǒng)的接口設計需要從運營及維修角度考慮，增強其實用性；

（7）對車載輔助電源及蓄電池的可靠度要求高，避免使用過程中控制系統(tǒng)斷電造成列車停運；

（8）制定專有維修保養(yǎng)規(guī)程，從長遠角度降低維修費用。

1.2 Tramwave（創(chuàng)威地面感應式）供電技術

安薩爾多的Tramwave系統(tǒng)同樣采用地面第三軌供電技術為車輛提供電源，但其接觸軌采用的是自然磁力技術，如圖2所示。安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的集電靴與地面模塊內(nèi)的柔性導電排都裝有永磁材料，當集電靴經(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，集電靴通過與模塊表面接觸將電力引入車內(nèi)。當集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。該技術將在珠海市首期9 km的試驗段線路上進行應用。

圖2 Tramwave系統(tǒng)供電原理

1.3 Primove（電磁感應式）供電技術

龐巴迪Primove系統(tǒng)采用的是地面感應線圈非接觸供電技術。該系統(tǒng)通過在沿線地面敷設供電裝置，以非接觸方式為列車提供牽引電能。Primove系統(tǒng)是利用電能與磁場相互轉(zhuǎn)化的原理實現(xiàn)能量傳輸?shù)摹．敻袘到y(tǒng)檢測到有車輛通過時接通電源，線圈產(chǎn)生的磁場被列車底部安裝的受流器感應，并轉(zhuǎn)化為電能供給車輛牽引系統(tǒng)（如圖3所示）。線路沿線敷設DC 750 V供電電纜，每隔一段距離在線路側埋設一套逆變裝置；一次側線圈敷設在地面兩條走行軌中間，二次側線圈安裝在列車上。首先將DC 750 V逆變?yōu)楦哳l交流電，輸入地面的一次側線圈，當列車上的二次側線圈與一次側線圈位置重合時，二次側線圈感應高頻交流電，經(jīng)整流和逆變后為列車的交流電機供電。只有當列車進入相應區(qū)段時，地面一次側線圈才接通電源，其他時刻地面一次側線圈處于斷電狀態(tài)。其供電分區(qū)是隨車輛運行而改變的，從而保障沿線人員和車輛的安全［7］。目前，此技術還處于試驗階段，沒有城市計劃采用該技術。

圖3 Primove系統(tǒng)供電原理

1.4 地面供電技術的比較分析

地面供電技術共同具有的優(yōu)勢與缺點為：

（1）具有接觸網(wǎng)同等能量輸出技術指標，類似于地鐵中使用的第三軌技術。

（2）不受外界環(huán)境影響，消除了“視覺污染”。（3）不影響道路交通及行人。

（4）造價高——APS系統(tǒng)工程造價約350萬歐元/km，折合人民幣約2 900萬元/km；Tramwave系統(tǒng)造價為1 500萬~2 000萬元/km；Primove系統(tǒng)造價為2 000萬~2 500萬元/km。

（5）維護成本高——車載及地面APS系統(tǒng)的設備年維修費用約10萬歐元/km。

（6）技術專有——阿爾斯通車輛與APS系統(tǒng)捆綁。

（7）地面供電軌或者線圈需要設計可靠的保護，以達到在積水、積雪和結冰情況下安全可靠運行。

（8）十字路口需要加強路基設計，以保護地面供電設備不會被汽車等損壞。

（9）配備的車載儲能供電裝置可靠度要求較高，以便列車在地面設備短暫失電情況下能夠運營一段距離，駛入正常區(qū)段。Tramwave和Primove技術作為試驗技術，需要通過商業(yè)運行繼續(xù)驗證其可靠性、可用性。

此外，Primove技術利用的是感應式電力傳輸原理，其電磁場對于周邊環(huán)境有一定影響，需要重點考慮，以達到環(huán)境保護要求。Tramwave技術是電磁力吸引內(nèi)部導電排“波浪式”運動供電，其對于材料可靠性要求高，以保證運動中不會損壞，并且對后期維修保養(yǎng)提出了更高要求。

2 車載儲能裝置供電技術

隨著科學技術的發(fā)展，車輛廠商開發(fā)了車載儲能裝置——蓄電池或超級電容，通過控制系統(tǒng)進行切換替代外部電源，持續(xù)向列車提供牽引電能及輔助電能，如圖4所示［5-6］。

圖4 車載儲能系統(tǒng)原理圖

2.1 車載儲能裝置案例

法國尼斯市有軌電車的創(chuàng)新點在于既可以通過架空電纜供電（DC 750 V持續(xù)電流），也可以在穿過市中心兩個歷史悠久的廣場時利用列車上的蓄電池自主供電（見圖5）。尼斯市有軌電車1號線的每列車上均配有68個12 V的鎳氫蓄電池（總重約1.2 t），能以80 A·h供電27 k W·h使列車通過2段約450 m長的電池自主供電區(qū)段。

圖5 法國尼斯車載蓄電池車輛

在法國巴黎T3線，1列阿爾斯通CITADIS列車正在進行車載超級電容試驗工作（見圖6）。1個超級電容組由48個15 kg重的模塊組成，總容量為3 000 F，總重1.7 t，安裝于列車頂部。列車在不使用接觸網(wǎng)的情況下運行時，超級電容為列車持續(xù)提供電能。列車停車時20 s就能完成充電工作。列車再生制動能量也可以為超級電容充電。在運營過程中，車載超級電容列車相對其他列車節(jié)能30%。

沈陽市有軌電車采用了超級電容技術，當列車通過十字路口等無電區(qū)域時，車載儲能系統(tǒng)向列車供電，中途車站設計有剛性接觸網(wǎng)充電樁，為停靠列車充電。當采用儲能系統(tǒng)供電時，列車的最大行駛距離為1 km，并能夠起動停止2次。

圖6 法國巴黎T3線超級電容車輛

南京河西現(xiàn)代有軌電車將在全線使用鋰電池技術，并在車站設置剛性接觸網(wǎng)充電樁。

2.2 車載儲能裝置供電技術特點

車載儲能技術是電動汽車技術在現(xiàn)代有軌電車上的延展，具有以下特點：

（1）全線除充電設備外，無需敷設地面設備。

（2）車載儲能設備體積大、質(zhì)量大，對載客數(shù)量有一定影響。

（3）不會受到積水、積雪影響。

（4）再生制動能量節(jié)能，可減少電網(wǎng)峰值功率和電網(wǎng)壓降。

（5）車輛維修成本相對傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術增加0.4歐元/（車·km）。

（6）大電流快速充電要求增加變電站容量。

（7）沒有技術壟斷，各車輛廠家均在開發(fā)自主知識產(chǎn)權技術。

儲能介質(zhì)的選擇對于儲能裝置整體設計有著重要影響。超級電容與蓄電池技術性能比較見表1。

表1 超級電容與蓄電池技術比較

車載儲能技術隨著蓄電池及超級電容技術的發(fā)展而進步，是未來無接觸網(wǎng)技術發(fā)展的主流方向，建設單位應根據(jù)實際情況選擇合適類型的儲能技術。

隨著實際使用案例越來越多，這項技術正從區(qū)段使用延伸到全線使用，設計及運營要求也在不斷提高。其關鍵點主要有：

（1）車輛設計需要考慮儲能裝置的布局要求，以平衡整體質(zhì)量。

（2）蓄電池或超級電容設計應向小型化、高能量傳輸比方向發(fā)展。

（3）儲能裝置的DC/DC控制器非常關鍵，需要考慮電磁環(huán)境影響、控制邏輯及頻繁切換影響，選擇可靠器件。

（4）車載電源容量應該有備用電源容量考慮，以在主電源故障情況下驅(qū)使列車前行一段到充電位置，或者啟動控制系統(tǒng)，保障列車在降級情況下等待救援。

（5）設計專有司機操作規(guī)程，應對十字路通行要求，避免中途停車-起動時電能消耗過快。

（6）車輛維修費用高出傳統(tǒng)制式車輛，需要很好地與廠商進行談判，降低維修成本。

3 綜合比較

根據(jù)實際應用經(jīng)驗，將上述兩種無接觸網(wǎng)技術與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術進行了比較分析，具體見表2。

4 結語

對于現(xiàn)代有軌電車而言，傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術是一種成熟、可靠及經(jīng)濟的技術選擇，但會造成一定的“視覺污染”。隨著科學技術的發(fā)展，無接觸網(wǎng)技術正進一步提高其可靠性及經(jīng)濟性，是未來的發(fā)展趨勢。在已經(jīng)成功商用的技術中，阿爾斯通APS技術造價較貴，完全依賴進口，受到了諸多限制；而車載儲能技術隨著蓄電池及超級電容小型化、高能量比、快速充放電、環(huán)保處理而快速發(fā)展，將是未來無接觸網(wǎng)技術發(fā)展方向。

表2 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)系統(tǒng)與無接觸網(wǎng)系統(tǒng)性能比較

［1］ 周翊民.現(xiàn)代有軌電車的快速發(fā)展時社會發(fā)展的必然需要［J］.城市軌道交通研究，2013（8）：1.

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［5］ 王椹榕.城市軌道交通車載超級電容儲能系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)［D］.北京：北京交通大學，2012.

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［7］ 何治新.現(xiàn)代有軌電車牽引供電方式選擇［J］.城市軌道交通研究，2013（7）：105.

圖7 某列列車實時監(jiān)控界面

（4）提高列車區(qū)間運行速度。8號線部分站距較短，存在列車運行速度受限制的現(xiàn)象。可以采取跳停或開行大站列車的方式提高列車區(qū)間運行速度，以縮短列車運營時間，為列車偏移創(chuàng)造條件，最終實現(xiàn)提高運能的目標。

4 結語

城市軌道交通作為城市公共交通主動脈，面對日益嚴峻的客流壓力，除了采用基本的增能方式外，還應打破常規(guī)，利用先進系統(tǒng)的新功能不斷探索增能的新辦法。本文提出的運用列車偏離功能實現(xiàn)越行車站也是基于此方面考慮。

參考文獻

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（收稿日期：2012-09-01）

Analysis of Catenary-free Technology Applied in Modern Trams

Chen Zhixiong

Catenary-free technology has been used in modern trams，which solves the“visual pollution”due to the contact system and is adopted by many cities.The ground level power supply systems like APS，Tramwave and Primove，as well as the on-board energy storage technology are introduced，which provide different solutions for trams power supply.Through an analysis and comparison of the design，operation and long-term maintenance of different catenary-free technology systems，the on-board energy storage technology is considered to be the development trend for modern trams when it solves problems like miniaturization，high energy quatity，rapid charge and discharge speed，as well as the green recycle mode.

morden trams；catenary-free technology；ground power supply；on-board energy storage power supply

U 482.103

2013-09-27）