新型空軌交通供電關鍵技術研究

趙麥麗，胥偉，胡文超

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610000）

1 引言

近年來，隨著社會經濟快速發展，城市交通矛盾越來越突出。省會城市及經濟基礎較好的城市，一般采用建設地鐵或輕軌等軌道交通形式來緩解交通，而中小城市因經濟水平低、人口數量少、城市發展規劃受限制等原因，不能達到申請建設地鐵或輕軌等軌道交通?？哲墸纯罩熊壍懒熊嚕菓覓焓絾诬壗煌ㄏ到y，因其建設周期快、投資小、占地少、噪音小、景觀效果好等優點，能適應中小城市軌道交通發展需要，也可作為地區景觀性標志。

國內不少城市已開始規劃并加快籌建空軌交通，有效緩解城市交通擁堵的同時，還能降低污染，達到節能環保的目的。

2 國內外發展現狀

空軌系統距今已有一百多年的歷史，僅有德國和日本有運營線路。

德國是最早建設空軌的國家，世界上第一條空軌線路——烏帕塔爾線，位于德國烏帕塔爾市，全長13km，于1900年建成，日載客量超過70000人，現運營情況良好。德國多特蒙德市，建有2條空軌線路，其中1號線3km，2號線1.05km，均為單線運行。日本在1961年引進空軌相關技術，截至目前已建成并投運4條空軌線路：湘南線、千葉都市1號線、千葉都市2號線、上野動物園懸臂式游園線，其中千葉都市1號線為世界運營長度最長的空軌線路。

經過多年的發展，空軌系統因其獨有的優勢，逐漸成為國內全新軌道交通項目的重要選擇形式。2011年，國內開始引進空軌列車制造技術。青島四方股份公司內有一段試驗線，國內正在研究采用新能源（蓄電池）供電方式的空軌列車，我國首列新能源懸掛式空中列車已在成都雙流運行，見下圖。目前，空軌項目在國內還尚無運營先例。

3 空軌系統組成及供電制式

空軌系統主要由軌道梁、車站、車輛、供電系統及控制系統等組成[1]。

空軌與傳統的輪軌系統設計理念相反，軌道梁處于列車上方，并由鋼支柱或混凝土支柱支撐，列車被懸掛并滑動運行。

目前國外運營的空軌項目都采用了DC750V接觸軌供電方式，國內青島四方股份公司內的試驗線也采用了接觸軌供電方式，我國首列新能源懸掛式空中列車已在成都雙流運行。

采用接觸軌供電時，接觸軌安裝于箱梁內部，根據車輛需求確定采用何種受流方式。車輛的受電靴與接觸軌接觸對列車進行供電。接觸軌供電技術安全成熟可靠，運營維護經驗豐富，沿線需設牽引變電所以及配合上網電纜敷設路徑，初期工程投資較大。

采用蓄電池供電方式時，供電系統需根據行車組織要求在某些車站或車場設置充電裝置以滿足充電要求。與接觸軌供電制式相比，采用蓄電池供電的技術還不夠成熟，也無相關類似運營經驗，沿線雖不需設置牽引變電所、接觸軌及上網電纜，初期投資較小，維護檢修工作量較小，但隨著線路運營時間增長，蓄電池續航里程會隨電池使用時間及充電次數的增加而逐漸減少，后期更換蓄電池的投資將是一筆可觀的數目。

空軌項目具體采用何種供電制式，應結合線路特點、車輛選型及外部電源條件統籌考慮。

4 供電系統關鍵技術研究

4.1 供電方式及中壓供電網絡方案

空軌系統一般建設在城市，且線路短、運量低、負荷小，采用分散供電方式外部電源投資相對較低，結合城市電網配電網絡電壓等級多采用10kV，故供電方式一般采用10kV分散式供電方式，10kV供電網絡采用分區環網接線方案。

空軌列車由于特殊的結構，列車被架設在空中，雖減少了征地面積，但采用何種分區方案，如何解決并尋找技術經濟合理的環網電纜敷設路徑直接關系到空軌供電系統可靠性、工程投資、運營維護管理方便性、維護工作量及運營成本的高低[2]。

本文以大邑空軌項目（采用接觸軌供電時）為例，提出以下三個10kV分區環網接線方案：

4.1.1 單環網方案

中壓網絡采用單環網接線形式，即把全線的變電所劃分成幾個供電分區，每個供電分區的某一個變電所從地方電網引入一回10kV電源，分區內的變電所以單線環網形式連接。具體接線方案見下圖。

采用單環網供電方式時，環網電纜敷設數量較少、使用的開關設備數量較少，需要3路10kV外部進線電源，但對于動力照明一二級負荷來說，無第二路備用電源。

4.1.2 雙環網方案

中壓網絡采用雙環網接線形式，即把全線的變電所劃分成幾個供電分區，每個分區的某一個變電所從地方電網引入兩回10kV電源，分區內的其他變電所以雙環網形式連接。具體接線方案見下圖。

采用雙環網供電方案時，供電可靠性高，供電質量較好，每座車站及車場設置兩臺配電變壓器，保證了動力照明一二級負荷兩路電源的需求。但環網電纜敷設數量是單環網方案的兩倍，同時外部進線電源需要4回，比單環網方案增加了1回，城市電網需增加1回10kV饋出線間隔，外部電源投資增加的同時，也提高了環網電纜敷設數量及維護工作量。

4.1.3 單環網+成套三相逆變方案

中壓網絡采用單環網接線形式，即把全線的變電所劃分成幾個供電分區，每個供電分區的某一個變電所從地方電網引入一回10kV電源，分區內的變電所以單線環網形式連接。正線每座車站均設置一套成套三相逆變電源裝置，為車站動力照明負荷提供第二路電源。具體接線方案見下圖。

上述方案，在原單環網方案的基礎上，每座車站變電所增設一套成套三相逆變電源裝置，配電變壓器與成套三相逆變電源裝置互為熱備用。正常運行方式下，由配電變壓器承擔全部動力照明負荷，成套三相逆變電源裝置處于備用狀態，當配電變壓器退出運行時，切除該所供電范圍內的三級負荷，由成套三相逆變電源裝置承擔該所供電范圍內的動力照明一、二級負荷。

對于車輛基地變電所，當一臺配電變壓器退出運行時，切除該所供電范圍內的三級負荷，由另一臺變壓器承擔該所供電范圍內的動力照明一、二級負荷。

4.2 變電所

變電所形式分土建變電所與箱式變電所兩種。土建變電所是變電所與空軌車站合建，有利于環網電纜及上網電纜的敷設，運營維護管理與車站同步，但土建面積需求較大。

箱式變電所可設置在車站附近或線路沿線。采用箱式變電所可減少車站面積，降低土建投資，但同時增加了變電所選址的相關工作。

箱式變電所內部平面布置原則上采用標準化設計，使設備布置緊湊、合理，符合變電所設備接線關系，電纜敷設徑路順暢，便于運營管理與維護[3]。

為減少占地面積，綜合考慮柜后檢修，除變壓器外，其他開關設備和控制設備布置采用單列或雙列混合近墻布置方式，安裝于開關設備隔室內；整流變壓器、配電變壓器等分別安裝于單獨的變壓器隔室內。

4.3 接觸軌

一般接觸軌的受流方式分為上部接觸受流、下部接觸受流及側部接觸受流三種方式。具體采用何種受流方式應根據車輛選型確定。大邑空軌項目采用側部接觸受流方式。接觸軌沿軌道箱型梁內側壁設置，一側設正極接觸軌、另一側設負極接觸軌，正、負極接觸軌均絕緣安裝。

接觸軌主要有C型鋼鋁復合軌、工字型鋼鋁復合軌軌、T型匯流排+滑觸線等形式。

鑒于C型鋼鋁復合軌有效受流面寬、滿足受流靴安全取流要求；占空小，滿足在單軌箱型梁內的安裝空間要求，同時，C型鋼鋁復合軌使用旋轉式內卡固定、安裝方便、定位準確、安裝精度高，推薦空軌項目接觸軌采用C型鋼鋁復合軌。

4.4 電纜敷設

空軌列車懸掛在空中，沿線的環網電纜敷設可采用地面電纜溝或埋管等方式，也可在箱梁上方設置電纜槽。采用地面敷設方式時方便檢修，但投資較大，與道路管線存在配合。電纜敷設在箱梁上方的電纜槽中時，應做好從箱變至電纜槽的路徑配合，具體根據工程情況確定，這種方式投資較小，但電纜及箱梁的檢修工作量較大，維護檢修及運營維護管理不便。

5 結語

空軌，作為一種輕型、低運量、建設周期短、建設速度快的軌道交通形式，不僅能滿足中小城市居民出行需求，也能極大促進旅游業發展，給游客提供高質量的出行體驗。相比傳統地鐵工程，空軌供電系統設計方案靈活，可根據線路特點、車輛選型及城市外部電源條件等進行有針對性的設計，以達到安全可靠、節能環保、維護方便、節約投資的目的。