現代有軌電車無接觸網牽引供電方式研究

蔡 波 李鯤鵬

（1.廈門軌道交通集團有限公司，361004，廈門；2.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級工程師）

現代有軌電車的牽引供電方式一般采用DC 750 V架空接觸網供電制式。該供電方式系統成熟，結構簡單，投資成本低，具有豐富的設計、建設和運營維護經驗。但是，架空接觸網在非封閉式的營運環境中所帶來的景觀和安全問題也不容忽視，特別是在交叉路口和對景觀特別敏感的區域。為了適應現代城市對景觀和安全的要求，阿爾斯通、龐巴迪、西門子、卡佛、安薩爾多等主要的有軌電車系統供應商都在積極進行無架空接觸網系統的研究與實踐。本文從牽引供電的基本功能出發，系統分析現代有軌電車無架空接觸網解決方案。

1 牽引供電方式的分類

牽引供電的功能是實現從靜止供電設施向移動列車提供持續的電力。有軌電車牽引供電方式主要有實時授流和非實時授流兩類基本方案，如圖1所示。實時授流方案需要在沿線敷設供電設施（如架空接觸網、接觸軌等），通過車載受電器（如受電弓、集電靴）實時接觸，實現電能由電網向移動列車的持續大容量電力供應。此種供電方式在國鐵AC25 kV和地鐵DC750 V、DC1 500 V的牽引供電制式中普遍采用。非實時授流方案采用車載儲能牽引，列車在特定地段進行快速充電，非充電區段不設置沿線供電設施。此種供電方式在現代電動汽車領域普遍采用。實時授流方案根據電能傳輸的方式又分為接觸式供電和非接觸式供電。接觸式供電方式可以采用滑動接觸和滾動接觸兩種基本類型，一般車輛正極采用滑動接觸供電，負極采用滾動接觸供電。大容量的非接觸式供電主要是基于電磁感應原理的電能傳輸，根據回流方式的不同可分為鋼軌回流和專用軌回流兩種基本類型。

由圖1可知，實現無架空接觸網供電有兩條基本技術路線：一種是采用實時授流供電，沿地面敷設供電設施，如在封閉式專用路權的城市軌道交通中普遍采用的第三軌供電方式；另一種是采用車載儲能式牽引供電，徹底取消沿線敷設的供電設施。但是，傳統的第三軌供電在非封閉式半專用路權中面臨兩方面的問題：①供電軌不能突出地面安裝，以避免影響其他車輛和人員通行；②需要解決沿線車輛和人員的安全問題，在沒有列車通過時，供電軌應為斷電狀態（即當且僅當列車完全對此區段擁有絕對路權時供電軌才能帶電）。其解決方案是將沿線供電設施劃分為若干小的供電分區，每個供電分區的長度小于列車長度；每個供電分區帶電與否隨列車運行同步控制。為了適應現代有軌電車無架空接觸網的需求，國內外頗具實力的有軌電車公司均推出了各具特色的無架空接觸網解決方案。采用地面供電方式的有阿爾斯通APS、龐巴迪PRIMOVE、安薩爾多TRAMWAVE，采用車載儲能式牽引供電的有西門子、卡佛和中國南車株洲電力機車有限公司推出的現代有軌電車系統。

圖1 有軌電車牽引供電方式基本分類示意圖

2 地面牽引供電方案

采用地面牽引供電是實現現代有軌電車無架空接觸網牽引供電的有效方案之一。目前，比較有代表性的3種地面供電方案分別是阿爾斯通的APS、龐巴迪的PRIMOVE和安薩爾多的TRAMWAVE，它們均采用分區段控制地面供電設施實現向運行中的列車提供持續的電力供應，但在具體實現方案上存在差異（見表1）。

表1 采用地面供電的無架空接觸網解決方案特征分析表

2.1 APS系統

APS地面供電設施的基本結構如圖2所示。其采用標準埋地式供電軌結構，主要由工形絕緣軌、接觸軌、DC750 V電纜、接地電纜和檢測回路等組成。在道岔區和交叉道口，供電模塊的結構需作相應調整。工形絕緣軌為玻璃纖維，高度一般為17 cm。與電纜連接的2根金屬板條安裝在工形軌的表面。工形軌的中心是4條狹槽，用于敷設DC750 V電纜、絕緣節回線，以及通信和輔助設備。接觸軌長8 m，兩導電軌間由3 m長的絕緣節所分隔。絕緣節安裝有平行塑料接觸板條，向集電靴提供連續的行走表面。

圖2 APS供電軌斷面示意圖

接觸軌（第三軌）在軌道中間按8 m長度分段敷設，二段之間為3 m長的絕緣段，沿線每隔22 m設一個接觸軌電氣控制箱。當列車進入某一供電分區時，相應控制箱內的控制單元接收到列車上發來的編碼信號后，向該接觸軌供電，其余供電分區處于斷電狀態，以保證行人的安全。

2.2 PRIMOVE系統

PRIMOVE（地面感應線圈非接觸供電）通過在沿線地面敷設供電設施，以非接觸方式為列車提供實時牽引電能。其利用車地實時通信，實現跟隨車輛運行的分區供電，保障沿線人員和車輛的安全性。PRIMOVE系統需沿線路敷設DC750 V供電和回流電纜，每隔一段距離在軌旁埋設一套逆變裝置；變壓器一次側線圈敷設在地面走行軌中間，變壓器二次側線圈作為車載受電器安裝在列車上。PRIMOVE給鋪設在走行軌中間的閉合線圈提供高頻（約20 kHz）交流電以產生磁場，磁場通過裝在車底的閉合線圈時在線圈中產生電能，實現電能由地面向車輛的傳輸。只有當列車進入相應的位置時，地面一次線圈才通高頻交流電，其他時刻地面一次線圈處于斷電狀態。如圖3所示，PRIMOVE地面供電設施除了常規的整流牽引變電所之外，沿線路敷設的主要設備有軌道中間的一次感應線圈、線圈磁屏蔽層、列車位置信號接收裝置，以及各區段的線圈供電控制箱、逆變器箱、地面設備監控和數據采集裝置。

圖3 PRIMOVE地面一次感應線圈

2.3 TRAMWAVE系統

TRAMWAVE地面供電系統的基本工作原理如圖4所示。TRAMWAVE供電軌嵌入式安裝在兩條鋼軌中間的連續導管內，不影響行人及其它車輛的穿行。供電軌只有在車輛駛過時才能被轉向架下的車載磁性集電靴接觸性激活，且僅位于車下固定的一小段區塊有電，其它位置不帶電。安裝在車輛轉向架上的集電靴與地面模塊內的柔性導電排都裝有永磁材料，當集電靴經過模塊供電節表面時，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高壓電引入車內；當集電靴離開模塊供電節表面后，柔性導電排受重力作用，回落到安全負極相接觸的位置，模塊表面失電，且模塊供電節表面與安全負極相連，以確保乘客人身安全。

TRAMWAVE供電軌的基本構件為一個長3 m（或5 m）、用于內嵌的模塊化組件，如圖5所示。該模塊組件內容納了地面供電系統的所需元素。一系列500 mm長且彼此絕緣的鋼制接觸板安裝于模塊組表面。所有模塊組連接在一起形成了TRAMWAVE地面供電軌。車輛駛過時，只有與車下集電靴接觸的一塊500 mm或最多2塊共1 000 mm的線段為激活通電狀態，其它均不帶電，保證了供電的安全要求。TRAMWAVE供電系統模組具有自己的電路安全環，負極回流不經過車輪及鋼軌，有效避免了雜散電流的危害。

圖4 TRAMWAVE基本工作原理示意圖

圖5 TRAMWAVE供電軌斷面結構示意圖

3 車載儲能式牽引供電方案

車載儲能式牽引供電是現代有軌電車的一個重要發展方向，是現代電動汽車理念在有軌電車系統中的延伸與發展。特別是現代儲能技術（如超級電容、鋰電池）和現代電力電子技術及其控制技術的發展，使得儲能式牽引供電技術有了跨越式的發展。在龐巴迪、西門子、阿爾斯通、卡佛等公司新一代有軌電車系統中，已經看到了儲能式有軌電車的雛形。現代有軌電車基本采用交流傳動系統，常用制動為再生電制動，車輛的制動動能被轉換為電能并存儲到車載儲能裝置中。為了應對局部區段架設架空接觸網的困難，采用車載儲能裝置進行列車的動力牽引。

3.1 車載儲能裝置系統基本構成

與傳統有軌電車相比，儲能式有軌電車在其主電路結構中增加了儲能裝置的充電和放電回路及其相應的控制系統。車載大容量儲能裝置DC／DC變流裝置可設置于地面變電所或車輛上，放置的位置不同，主電路的結構也不同。

（1）DC／DC充電裝置放置于地面充電站。若DC／DC充電裝置放置于地面充電站，則充電站內配置整流變壓器和DC／DC變換器。充電站的輸入電源一般為AC10 kV，輸出電壓為DC500～900 V，地面充電站需根據車載儲能裝置兩端的電壓進行實時調壓控制。即充電裝置與被充列車需要進行一對一配置。此種充電方案的設備構成如圖6所示。

（2）DC／DC充電裝置放置于車輛上。若儲能裝置充電模塊設置于車輛上，則供電系統只需為車輛受電裝置提供DC750 V電源，故充電站與常規直流牽引變電所基本一致，可以采用大雙邊供電和單邊供電。此種充電方案的設備構成如圖7所示。

圖6 DC／DC充電裝置放置于地面變電所的系統構成示意圖

圖7 DC／DC充電裝置放置于車輛上的系統構成示意圖

兩種充電方案對儲能式有軌電車牽引供電系統的影響見表2。西門子、阿爾斯通、龐巴迪、卡佛和北車大連機車車輛有限公司等的車輛系統將DC／DC充電裝置放置在車輛上，中國南車株洲電力機車有限公司將DC／DC充電裝置放置于地面充電站，兩種放置方案均為可行技術方案。從減輕車輛質量的角度，儲能式有軌電車宜將充電模塊放置在地面充電站。從車輛系統的兼容性方面考慮，現代儲能式有軌電車主電路系統的設計宜保持與既有有軌電車外部牽引供電接口的一致性，保持車載儲能式牽引與實時供電牽引的兼容性，將DC／DC充放電控制裝置置于車載，既可實現儲能式牽引與常規牽引供電方式的兼容，又能夠實現對車載儲能裝置的安全高效控制。

表2 DC／DC充放電控制模塊放置位置方案對比分析

3.2 車載儲能介質的選擇

車載儲能介質是保障儲能式有軌電車安全、可靠運行的關鍵。目前，在有軌電車系統中具有應用業績的車載存儲介質主要有蓄電池、超級電容、飛輪及其組合方式。飛輪儲能是一種大容量的機械儲能技術，在軌道交通領域尚處于初步研發應用階段。蓄電池和超級電容儲能技術在有軌電車系統和電動汽車領域已開始工程應用。

根據有軌電車運行的特點，車載儲能介質除了安全、可靠之外，還應具備高功率密度、高能量密度、使用壽命長、環境適應性強、充電速度快等基本特征。表3對比分析了蓄電池和超級電容對現代有軌電車的適應性。鋰電池為化學電池，屬于能量密集元件，能量密度占優勢；超級電容屬于物理電池，為功率密集儲能元件，功率密度占優勢。

表3 超級電容與蓄電池的主要性能對比表

針對有軌電車停站頻繁、要求充放電時間短的特點，車載儲能裝置宜選用超級電容，但其能量密度相對較低。就減輕車載儲能裝置質量而言，鋰電池等其他高效電池作為儲能介質也是可行的。采用超級電容和蓄電池混合式存儲單元，能夠發揮各自的優點，是一個值得深入研究的方向。

3.3 充電方式的選擇

車載儲能裝置一般采用恒流充電、恒壓充電和兩種方式的組合等充電控制模式。無論采用何種充電模式，均需將地面直流電通過充電網向車載儲能裝置快速充電。類似有軌電車牽引供電方式，充電方式主要有如表4所列的四種基本形式。

表4 充電方式的技術經濟比較

架空充電網充電方式技術通用，投資相對較低，但安裝位置受車站建筑形式和位置限制。APS、PRIMOVE和TRAMWAVE等三種地面充電方式技術成熟，充電位置的設置較為靈活，比較適合半專有路權的現代儲能式有軌電車系統，但需進行技術轉讓和國產化工作。將地面供電方式與車載儲能牽引相結合是現代儲能式有軌電車的發展方向，既可以避免全線敷設地面供電設施所帶來的高昂的建設和運營維護成本，又可以降低在交叉路口等非專用路權區段車載儲能不夠的風險，提高整個儲能式牽引供電的可靠性和可用性。

4 牽引供電方式的選擇

地面供電方式和車載儲能式牽引供電均成功實現了無架空接觸網供電，解決了在核心城區和景觀敏感地區的景觀和公共安全問題。針對具體的工程項目，有軌電車牽引供電方式的選擇應遵循全壽命周期成本最低原則。即初期投資成本和運營維護成本綜合最低化原則。

傳統的架空接觸網供電和鋼軌回流供電方式具有技術成熟、運營可靠、投資低等特點，在有軌電車系統中具有廣泛的應用基礎。因此，在實際工程應用中可采用地面供電與架空接觸網供電相結合的方式：在對景觀有特別要求的局部區段采用APS系統，其余區段采用架空接觸網供電。例如，法國波爾多共計43.3 km的CITADIS 100%底地板有軌電車線路中有13.5 km APS線路。

地面供電方式 （如 APS、PRIMOVE 和TRAMWAVE）雖然解決了實時牽引供電對景觀的不利影響，但沿線需埋設大量的地面供電設施，對沿線設備的安全性、可靠性、防水性要求較高，對沿線的市政排水功能也有非常高的要求。此外，沿線敷設供電設施初期投資成本高，后期的維護成本也非常可觀。我國南方一些城市（如廣州）雨水非常多，全線采用地面供電設施是不合適的。

儲能式牽引供電方式簡化了沿線牽引供電設施，但增加了有軌電車的復雜度、車輛質量、空載運行能耗，以及車輛儲能裝置日常運行維護和更換成本。由于受儲能介質能量密度的限制，車載儲能裝置的存儲能量有限。例如，目前60 m長的有軌電車編組，車載儲能的有效牽引供電距離一般在1.5～2 km左右，若考慮到路權、線路曲線、坡度等因素的影響，其牽引供電距離將進一步減少。儲能式牽引供電方式對線路特征和站位的設置有一定的限制性影響。儲能式牽引供電和地面供電方式相結合可有效解決其在非專用路權區段牽引供電的可用性和可靠性。

因此，應結合線路特征、線路沿線的景觀和安全性要求，經過技術經濟綜合評估后確定有軌電車牽引供電的方式。

5 結語

實現無架空接觸網牽引供電是現代有軌電車可持續發展的現實需求，是有軌電車牽引供電的發展方向。

（1）地面牽引供電和車載儲能式牽引供電均是實現無架空接觸網供電方式的有效解決方案，車載儲能式牽引供電和地面牽引供電相結合是現代有軌電車牽引供電方式的發展方向。

（2）與蓄電池相比，超級電容更加適應列車頻繁牽引與制動的運行特征，是車載儲能介質選擇的方向。采用超級電容和蓄電池混合式存儲單元，能夠發揮各自高功率密度和高能量密度的優點，是車載儲能介質進一步研究的方向之一。

（3）應結合線路特征及線路所處的環境，經技術經濟比較后確定牽引供電的方式。局部區段無架空接觸網供電是一種比較經濟實用的解決方案。

［1］廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州市海珠區環島新型有軌電車工程車輛選型專題報告［R］.廣州：廣州地鐵設計研究院有限公司，2013.

［2］楊穎，陳中杰.儲能式電力牽引輕軌交通的研發［J］.電力機車與城軌車輛，2012，35（5）：5.

［3］薛美根，楊立峰，程杰.現代有軌電車主要特征與國內外發展研究［J］.城市交通，2008，6（6）：88.

［4］陳新濺，陳中杰，陳超錄，等.儲能式電力牽引輕軌車電氣牽引系統研制［J］.機車電傳動，2013（1）：73.

［5］王波，明瑞利，賀方會.現代有軌電車系統分析與規劃要點［J］.都市快軌交通，2012（6）：25.

［6］王超，顧保南.歐洲現代有軌電車的發展及其啟示［J］.城市軌道交通研究，2008（1）：11.

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