超級電容牽引供電制式在現代有軌電車上的應用

李 君 孔小銘

（天津泰達城市軌道投資發展有限公司，天津300457）

0 引言

現代有軌電車區別于輕軌和地鐵的建設方式，運營線路大多與社會行駛道路共線，穿梭于城市之中，對城市景觀要求較高，而傳統接觸網供電制式對城市景觀，尤其是敏感區域的影響更大。為充分體現與城市景觀的融合，現代有軌電車的供電制式逐步由接觸網向無觸網發展，尤其是超級電容無觸網供電制式的出現，大大提升了沿線景觀和城市形象，因而受到了各車輛主機廠和各城市的廣泛關注。

本文將從現代有軌電車供電制式分類、不同供電制式的優缺點、超級電容工作原理及技術特點以及國內超級電容有軌電車應用現狀等多個角度進行詳細闡述，為后續新線有軌電車工程提供決策依據。

1 現代有軌電車供電制式分類

現代有軌電車作為城市軌道交通的重要分支機構，在供電制式分類上比地鐵、輕軌等傳統軌道交通更多種多樣。從已運營和在建項目建設情況來看，當前有軌電車有兩種不同的供電制式：第一種是接觸網供電，第二種是無接觸網供電，如圖1所示。

圖1 現代有軌電車供電制式分類

1.1 接觸網供電系統

現代有軌電車接觸網供電系統類似于輕軌和地鐵的傳統接觸網供電系統，主要由接觸懸掛和支持裝置組成，接觸網供電導線采用高導電率的銀銅合金，承力索采用硬銅絞線，支持裝置采用旋轉腕臂方式或軟橫跨方式。接觸網供電導線懸掛在立柱上，車輛通過受電弓從接觸網導線受電。目前，天津、上海、沈陽等已建成的現代有軌電車多采用此種供電方式，如圖2所示。它的優點為應用廣泛，技術成熟可靠，造價低，國內生產廠家均具備生產能力；但其景觀效果稍差，不適用于景觀要求較高的城市。

1.2 無觸網供電系統

1.2.1 第三軌供電系統

（1）APS地面供電系統：由阿爾斯通公司研發的地面供電系統，特點是供電軌埋設在兩股鋼軌之間，供電軌表面與軌道面均與地面相持平，屬于第三軌供電制式。車輛底部安裝受電靴，運行中，地面感應裝置檢測到有車輛通過時，相應導電軌接通電源而帶電，車輛通過受電靴從導電軌上受電，沒有車輛通過時導電軌不帶電，不對從上面通過的人和社會車輛造成危險。

圖2 天津濱海新區現代有軌電車

它的優點是技術成熟，景觀效果較好；缺點是工程造價高，且道路表面積水時可能出現漏電隱患，因此對沿線區域排水系統要求較高，我國較多城市排水系統估計很難達到要求。

（2）Tramwave地面供電系統：由意大利安薩爾多公司研發的地面供電系統。該系統采用連續的3～5 m長的模塊組成，每個模塊上均勻分布著若干段50 cm長金屬板。在兩股軌道中間埋設電源，電源上方安裝導電軌，當列車通過時，受車底磁性受流器作用，導電模塊在磁力作用下提升，將電源和導電軌接通，受流器和導電軌相接觸得電；列車通過后，磁力消失，導電模塊落下，導電軌失電。國內北京、珠海應用該技術。

它的優點是景觀效果好，導電軌長度短，且與APS地面供電系統相比，積水深度為10 cm時受流器范圍外電壓在安全標準內；缺點是工程造價高，平交路口施工質量要求高，后期運營維護工作量大。

1.2.2 磁感應供電系統

由龐巴迪公司研發的磁感應供電系統，原理是將電纜預先埋設在軌道下方并形成回路，在車輛底部布置耦合線圈，車輛通過車載儲能裝置啟動，電纜回路通電形成電磁場，運行中車輛底部耦合線圈不斷切割磁力線，產生電磁感應，形成電流，為車輛供電。它的缺點是建設及運營維護成本高。

1.2.3 儲能式供電系統

（1）蓄電池供電系統：蓄電池作為儲能裝置的最大優點是單體電壓高、能量密度高，適用于車輛空間有限的情況，它的缺點也比較明顯：充電時間較長。國內首輛采用蓄電池驅動的現代有軌電車是南京河西有軌電車，該車由南京浦鎮公司生產，該型車充分結合低地板有軌電車技術與蓄電池儲能技術，充電方式為車站采用架空接觸軌充電，站區間為無網，由車載蓄電池提供牽引動力。車站接觸軌安裝在站臺區域上方，當列車進站時受電弓升起，利用停站的較短時間為蓄電池充電，出站后降弓，由蓄電池獨立供電牽引至下一車站再進行充電。該車型配置兩組蓄電池裝置，每組蓄電池能量達49 kW·h，容量至少為92 Ah，列車充滿電后可在AW3工況下獨立運行8 km。

（2）超級電容供電系統：現代有軌電車超級電容供電系統是近幾年迅速發展起來的一種新型供電系統，它的充放電過程與蓄電池不同，是一種電荷聚集的物理反應，電容單體安全穩定，在火燒、沖擊、擠壓等情況下都不存在爆炸或燃燒的危險。它引起大家廣泛關注的最大優點是充電速度極快，可在極短的時間內在大電流下迅速完成充電作業；缺點是能量密度低，質量體積較大，對當前整車減重指標有較大影響，且占用車輛設備空間大。武漢、廣州和淮安等地都采用無觸網超級電容供電系統，如圖3所示。

圖3 武漢“光谷量子號”現代有軌電車

2 超級電容工作原理及技術優點

2.1 工作原理

超級電容器是利用電極/電解質界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速氧化還原反應所產生的法拉第“準電容”來實現電荷和能量儲存的一種新型儲能裝置。它的基本原理和其他類型的雙電層電容器一樣，均是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。在雙電層電容器中，采用活性炭材料制成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液。當在兩端施加電壓時，對應的多孔電極上分別聚集正負電子，且因為電場作用，電解質溶液中的正負離子將分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯。

2.2 技術優點

對比蓄電池等其他新型儲能裝置，超級電容有如下技術優點：（1）綠色節能，不污染環境；（2）使用壽命長，可進行50萬次充放電，是一般蓄電池的200倍；（3）充電速度超快；（4）充放電效率高，最高可達98%；（5）功率密度高；（6）免維護，工作溫度范圍廣（-40～50℃）；（7）能量回收強，緊急制動能量回收高達85%，比普通有軌電車節能30%左右。

3 國內超級電容現代有軌電車技術參數對比

因超級電容具有技術成熟、可靠度高和全線無觸網、景觀效果好等優勢，國內多個城市都采用此技術，表1列舉了武漢、廣州和淮安等國內采用超級電容供電制式的現代有軌電車技術參數對比。

表1 國內超級電容現代有軌電車技術參數對比

4 結語

超級電容作為一種新型的車載儲能裝置，具有安全可靠、綠色環保、免維護等特點，特別是具有超大續航和快速充電能力，是改善和解決電能動力應用問題的突破性元器件。隨著國內城市軌道交通的迅猛發展，城市建設對軌道交通的安全運行、環保等要求越來越嚴格，超級電容無觸網供電制式在滿足城市景觀高要求的同時，也有效解決了當前地面軌道交通所遇到的各種問題，符合城市未來發展需要。

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