懸掛式單軌交通供電系統經濟性分析

肖立君　向光海

摘 要：本文介紹了懸掛式單軌交通的特點，結合國內具體工程，分析了接觸軌和蓄電池兩種供電方案，通過經濟性對比得出了一定結論，并給出了相關的建議。

關鍵詞：懸掛式單軌；供電制式；接觸軌；蓄電池；經濟對比

中圖分類號：U239.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0146-03

隨著我國國民經濟的持續快速發展，國家城鎮化步伐加速，城市基礎設施特別是城市交通設施與城市化發展的矛盾逐漸顯現。從各國城市化發展的實踐來看，通過發展軌道交通來緩解出行壓力，是解決城市交通擁堵問題的主要措施。

《國務院關于加強城市基礎設施建設的意見（國發〔2013〕36號）》提出“公共交通基礎設施建設。鼓勵有條件的城市按照“量力而行、有序發展”的原則，推進地鐵、輕軌等城市軌道交通系統建設，發揮地鐵等作為公共交通的骨干作用，帶動城市公共交通和相關產業發展。”地鐵作為中大運量的軌道交通方式，在中心城區能夠不受地面環境影響，快速穿梭在地下，受到大中城市的普遍青睞。但其每公里5-8億元人民幣的造價，需要雄厚的財政支持及大運量的客流基礎。懸掛式單軌（也稱空軌）是一種中小運量的軌道交通方式，作為中小城市的骨干公共交通的同時也是地鐵的補充和延伸，規劃建設懸掛式單軌使其與其它公共交通相結合，發揮各自優勢，能更好的完善城市軌道交通運輸體系。

懸掛式單軌列車在空中運行，可以減少對道路資源的占用，同時開辟了新的交通運行空間，在無需擴展城市現有道路設施的基礎上可緩解城市交通難題，具有投資少、建設周期短等優點，在國內具有一定的應用前景。懸掛式單軌交通在我國尚處于起步階段，作為軌道交通供電系統設計人員，希望通過對懸掛式單軌交通供電系統的供電制式和經濟性的初步分析，為今后供電系統制式的選擇提供參考。

1 懸掛式單軌交通特點

懸掛式單軌交通明顯特征是車輛懸掛于帶型軌道梁下方。軌道梁呈箱型，下方開口，車輛走行輪、導向輪等置于梁體腔內，車輛通過懸吊裝置懸掛在軌道梁下方行駛。懸掛式單軌交通車輛圖1所示，軌道梁圖2所示。

懸掛式單軌交通橋梁圖3所示，一般情況下，標準軌道梁下部結構，單線采用倒L形墩柱，雙線采用Y形墩柱。城市道路凈高約為5m，車輛高度約2.6m，為了保證行車安全和滿足行人視覺兩個方面的要求，橋梁高度宜稍大，因此一般地段橋梁下面的凈高約為9.5m。

懸掛式單軌轉向架圖4所示，懸掛式單軌每節車輛裝有兩臺轉向架，轉向架由構架、橡膠輪胎、空氣彈簧、枕梁、牽引電機以及懸掛構件等裝置組成[1]。懸掛式單軌走行輪在走行軌上豎直平面內滾動，負責承重、牽引以及制動；導向輪在水平面內轉動，負責導向及緩和橫向振動。

懸掛式單軌交通具有幾點優勢：（1）投資少、經濟性好：地鐵建設需要5～8億元/km，輕軌需要3～4億元/km，而懸掛式單軌交通系統的資金投入僅約為1.2～2.0億元/km，懸掛式單軌交通的造價約為地鐵的20%～30%，約為輕軌的40%～50%。（2）施工簡單、建設周期短：懸掛式單軌施工簡單，軌道梁在工廠中預制，現場拼裝，既保證了精度又便于施工。施工過程中，主要進行地面打孔，挖掘量非常少，因此可以大大縮短建設工期。20公里左右的線路大約需要2年時間，約為地鐵建設三分之一的建設周期。（3）低碳、環保：懸掛式單軌采用電力驅動，運行中無廢氣排放。且采用橡膠輪胎，轉向架置于軌道梁內部，大大降低了運營中產生的噪音污染。

懸掛式單軌交通適用于：連接大城市和衛星城之間的主要交通干線；作為城區通往機場、碼頭、火車站等對外交通樞紐中心的客運交通干線；作為城市風景觀光游覽線；用于博覽會、游樂場等短途交通運輸或觀光。

2 國內外現狀

1893年德國人Eugen Langen開始研究懸掛式單軌系統（應用于后來的烏帕塔爾市）。1972年，德國聯邦政府委托西門子公司和多特蒙德大學對懸掛式單軌進行技術改造，并把這種現代懸掛式列車系統的名稱定為“H-Bahn”[2]。空軌車輛在德國和日本等地有運營線路，目前德國和日本的5個城市，共7條懸掛式單軌線路正在運營。國外部分單軌項目情況表1所示。

懸掛式單軌作為城市公共交通在我國起步較晚。2011年德國H-Bahn國際空列集團聯合中國中鐵寶橋集團、中車集團等單位，對懸掛式單軌交通系統開展研究。隨著國際空列集團的市場推介，國內成都、貴州、濟源、泰安、樂山等城市均已有項目的前期規劃規劃和建設中。截止目前我國尚無已投入商業運營線路，但已有2條試驗線成功運行。國內運行單軌項目情況表2所示。

3 懸掛式單軌供電方案

3.1 基礎資料

以國內某懸掛式單軌交通工程為例，對車輛供電采用不同的制式制定相應方案，并進行經濟性對比分析。

（1）線路：全長約6.7km，全部為高架線。（2）車站：設車站8座，平均站間距900m，最大站間距1700m，最小站間距590m。（3）車輛編組：2輛編組，最高速度50km/h。（4）列車運行交路：近、遠期均采用單一交路運行，近期高峰小時開行對數15對，遠期高峰小時開行對數20對。

3.2 接觸軌供電方案

3.2.1 牽引供電電壓等級選取

國內外采用接觸軌供電制式的懸掛式單軌交通，應用的牽引供電電壓等級主要有AC400V、DC1500V、DC750V三種。

在IEC（國際電工委員會）和UIC（國際鐵路聯盟）的規定中有600V、750V、1500V、3000V四種直流電壓制和AC25kV、50Hz的一種交流電壓制式。我國GB 50157-2003《地鐵設計規范》、GB/T 3317-2006《電力機車通用技術條件》等有關標準中規定：城市軌道交通車輛的供電制式為DC750V、DC1500V兩種；干線電氣化鐵路的供電制式為AC25kV、50Hz。AC25kV電壓等級適用于城際線或省間等長大距離、大規模客流、重載的鐵路或城郊軌道交通項目，絕緣距離要求比其它電壓等級明顯大的多，對于距離短、客流量小、車型小，梁體內空間小的懸掛式單軌系統，屬于大馬拉小車的情況，技術及經濟不合理。國外懸掛式單軌AC400V電壓等級，采用的是三相四線制。根據我國《地鐵設計規范》和《供配電設計規范》，AC400電壓等級電動機電壓波動允許范圍為±5%額定電壓。根據計算，按最大壓降5%控制，AC400V接觸軌按與DC750V接觸軌同等單位電阻計算，對于2輛編組列車，AC400V電源最長供電臂長度為650m（國外資料，AC400V電壓等級供電臂一般長度為500m）。本線平均站間距為900m，因此AC400V電壓等級供電能力不夠，且AC400V電壓等級不是我國軌道交通標準供電電壓等級，因此不推薦采用。DC750V電壓等級在我國輕軌線路和早期地鐵線路應用較多；DC1500V電壓等級在我國地鐵項目應用比較多。基本可以判斷懸掛式單軌交通有DC750V和DC1500V兩種電壓等級可供選擇。根據模擬計算，采用DC750V電壓等級，本線正線需設置2座牽引變電所，一座牽引所解列，另一座牽引所單邊供電距離約3.8km。采用DC1500V，由于本線線路短，正線設置1座牽引所即具備全線供電能力，但從保證供電可靠性角度，另設置1座，兩座牽引所相互支援供電。DC750V和DC1500V牽引供電設備，包括變電內設備、接觸軌等，投資基本相當，DC1500V高出不到5%；經向車輛廠家咨詢，采用兩種不同電壓等級，均可實現，車輛費用也基本相當。

綜上分析，由于本線線路短，采用DC750V電壓等級較為合理：設備投資少，采用低電壓等級低，絕緣要求低，設備部件更易選型。

3.2.2 外電源及中壓供電網絡方案

地鐵外電源供電方式主要有分散式、集中式和混合式三種。懸掛式單軌交通載客量少、車輛編組小、發車間隔大，宜采用分散式供電方式。根據潮流計算，僅考慮滿足供電能力，本線設置1座AC10kV開閉所即可滿足全線負荷需求。但鑒于空軌懸掛于空中，人員疏散及救援相對地面困難，從安全運營角度建議全線設置2座開閉所。

目前未有針對懸掛式單軌系統專門的設計規范來定義負荷等級，因此對各類負荷采用單路電源（單環網）還是雙路電源（雙環網）還存在爭議。接觸軌供電方案和蓄電池供電方案采用統一的環網型式，不影響經濟性對比結論。鑒于懸掛式單軌的特殊懸掛型式，參照跨座式單軌供電系統，中壓供電網絡按雙環網方案考慮。采用接觸軌供電模式，牽引變電所內設置整流機組，將AC10kV電源轉換為DC750V。懸掛式單軌供電系統圖5所示。

3.2.3 車載電池供電方案

目前應該用于懸掛式單軌的電池類型為磷酸鐵鋰動力蓄電池，電池位于橋梁腔內，置于轉向架之間，隨車移動，通過儲存的電能向車輛供電。在車輛基地設置充電場所，利用充電樁向電池充電。充電樁輸入電壓為AC380V。為充分發揮蓄電池的儲能特性并充分享受分時電價優惠政策，在晚上用電低谷期向蓄電池充電。

按照蓄電池車輛每次充電時間約為1h～2h，每次行駛70km，車公里能耗1.9kWh/節/km（含再生能量吸收）考慮，同時，為滿足發車間隔，以增配電池組的方式實現運營時期的列車電能。按3.1節基礎資料，車輛在正線一個往返需要電能為50kWh。按全日行車計劃，全天全線用電量近期需約6270kWh，遠期需約8660kWh。

車載電池制式，供電系統不需要向車輛供電，由于充電樁進線電源電壓為AC380V，可直接采用AC10/0.4kV配電變壓器供電，因此供電系統不需要配置常規的牽引供電系統，包括整流機組、接觸軌等，只需配置動照配電網絡。供電系統構成方案如圖6所示。

4 懸掛式單軌經濟性對比

4.1 對比原則

（1）以列舉的線路為例進行分析，由于該地電費分時段計費，不同時段電費不同，因此經濟性對比費用除包含設備固定費用外，還應將變動費用（電費）計入。當地電費政策表3所示，每度電電池成本暫按照約3000元考慮，國家給予新能源補貼暫按照1700元考慮。（2）費用除一次性投入外，由于設備壽命不同，更換周期不同，相同時間段內綜合投入會不同，因此經濟對比中時間因素應考慮在內，比較周期統一按30年考慮。（3）完整的供電系統，除牽引變電所、接觸軌、環網等組成部分外，還包括電力監控系統、動力照明系統（含降壓所）等。由于電力監控系統、動力照明系統受牽引供電系統方案變化影響不大，因此本節經濟對比中對于費用相同部分不再列出，僅對比不同部分。

4.2 經濟性對比

各供電方案綜合經濟對比表表4所示。

上表僅列出了不同項的費用，對于相同項沒有計列；表中費用為30年費用，DC750V供電設備壽命按30年考慮，電池壽命按5年考慮；“/”前后含義：不考慮電池回收費用/40%殘值回收；（）內費用為考慮了國家新能源補貼的費用。

5 結論及建議

本文以列舉工程為例進行分析，通過對采用接觸軌供電、車載電池供電兩種方案的經濟性對比，主要結論如下：

（1）接觸軌供電方案供電設備一次性到位，使用周期30年，車載電池每5年一個更換周期，從4.2節表4中（表中電池供電方案固定費用為30年內更換5次后的總費用）可以看出，系統初期投資，車載電池方案費用少。（2）全壽命周期考慮，在沒有國家能源補貼的的情況下，接觸軌供電方案節省投資。（3）在經濟方面投資相近的情況下，由于接觸軌供電方式更為成熟，會更有優勢。（4）本文以某線為例，經濟對比中考慮了該地的分時計費的電費政策，對于其他省區城市應以當地電費政策為依據。（5）接觸軌供電方案中，因實例工程站間距小，采用DC750V更為合理，但對于存在大間距的線路，如超過7km的車站間距，宜考慮采用DC1500V電壓等級，盡量避免設置區間牽引所，方便檢修。（6）懸掛式單軌交通電池技術尚處在不斷自我完善的過程，運營經驗尚存在欠缺，充電過程對運營的影響還需要進一步的工程驗證，因此，工程實施時需要結合工程實際情況以及國家的能源政策，最終確定不同方案的經濟性。

參考文獻

[1]李芾，許文超，安琪.懸掛式單軌車的發展及其現狀[J].機車電傳動，2014，（2）：16-20.

[2]姚學斌，屈海洋，雷張文，等.懸掛式單軌車輛[J].工業，2015，（20）：204.