關于城市軌道交通牽引供電制式選擇的研究

趙瑋

摘? 要：在城市軌道交通系統中，牽引供電制式的選擇是直流牽引系統設計及設備選型的基礎，本文是從城市軌道交通牽引供電制式中的電壓制式和受電制式兩方面進行研究，對各自制式的優缺點進行比較，研究出在不同的城市軌道交通系統中如何選擇牽引供電制式，并結合未來城市軌道交通的發展方向，提出了相對優選的牽引供電制式。

關鍵詞：城市軌道交通系統?? 牽引供電制式?? 電壓制式?? 受電制式

一、牽引供電制式中電壓制式的對比

“電”一直是城市軌道交通系統的能量提供形式，在傳統的牽引供電系統中，有采用直流系統，也有采用交流系統的。結合國內外多年發展的經驗，國家標準中已規定的電壓制式有單相工頻25kV交流制式、直流750V和直流1500V三種常用制式。其中單相工頻25kV交流制式一般適用于運量大、負荷重、速度高、運輸距離長的干線電氣化鐵路，而城市軌道交通的特點是快速、便捷、短運距、并成網絡化的發展趨勢，因此單相工頻25kV交流制式并不適用于城市軌道交通系統，因此不做比較，僅對直流750V和直流1500V電壓制式進行比較。

直流750V和直流1500V兩種電壓制式只有電壓等級不同，因此從電壓等級的影響方面進行對比，在相同負荷條件下，電壓等級對牽引供電系統的影響主要有供電牽引距離、絕緣距離以及線路損耗。

1、對牽引距離影響的對比

根據平均運量法中最大瞬時壓降的計算方法，雙邊供電時：

—最大瞬時壓降

—列車最大啟動電流

L—供電牽引距離

r—每公里饋出線的電阻值

m—饋出段內的列車數

—列車平均電流值

根據國標GB/T10411-2005中的相關規定：直流750V最大允許壓降為250V，而直流1500V最高允許壓降為500V。

列車啟動電流，在相同負荷情況下，直流1500V系統是直流750V系統的列車啟動電流的50%。

因此，在理論計算中，直流1500V的供電距離是直流750V供電距離的2—3倍。但因采用走行軌回流，走行軌電阻率高，過長距離會增加線路損耗，造成鋼軌軌電位提高，因此供電距離并不呈現成倍增長，在實際的應用中直流1500V的供電距離一般為3—4公里，而直流750V系統的供電距離一般不超過2公里。

電壓等級的提高使供電牽引距離大大增加，直流牽引系統的組網更加靈活、簡便。牽引距離的增加也使牽引變電站的數量大大減少，節省了工程的投資，因此直流1500V制式在牽引供電能力上有更大的優勢。

2、對絕緣距離影響的對比

電壓等級越高，供電系統對絕緣的要求越高，牽引供電系統的導流部分采用裸露的金屬材料，對車體與建筑物的絕緣采用空氣間隙絕緣，除支撐部分使用絕緣子（絕緣瓷瓶）外，根據GB/T 10411-2005中的相關規定，帶電體與建筑物、車體之間應滿足下表中最小安全凈距的要求：

帶電體與建筑物、車體間最小安全凈距

直流1500V比直流750V的靜態安全凈距高出了4倍。安全凈距的加大直接影響的就是對建筑物及車體安全距離的加大，相應的土建建設投資以及設備設計難度也將增加，而且電壓等級的升高對人身安全的影響也更加嚴重。因此直流750V制式對安全防護的要求更低，在工程運用中更加容易。

3、對線路損耗的影響的對比

在對能源的節約利用方面，因電壓等級的提高，相同負荷條件下，直流1500V系統的正常工作電流是直流750V系統的正常工作電流的50%。

根據：

p=Ir

p：損失在線路上的功率

I：正常工作電流

r：線路縱向電阻

牽引電流的降低，損失在線路上的功率將大大降低。因此，在相同的牽引機組容量下，直流1500V制式比直流750V制式所能輸出的功率更高，使得牽引系統有了更高的容載能力。

綜上所述，直流1500V電壓制式在軌道交通中應用擁有投資低、組網靈活、容載能力強、節能等諸多優點，而其中的絕緣距離加大等問題，可以通過適當加大建筑結構的方法解決，而且與城市軌道交通的發展方向一致，相較于其他兩種制式有更大的優勢。

二、牽引供電制式的受電制式的對比

牽引供電系統的受電方式是指將電能提供給列車的方式，在傳統的受電方式中，正極主要有第三接觸軌受電方式以及架空接觸網受電方式，負極多采用走行軌回流的方式，在一些新型的軌道交通系統中，也有采用第四接觸軌回流的方式。

1、正極受電制式的對比

第三接觸軌受電方式在北京地鐵有著豐富的應用經驗，第三接觸軌系統主要由接觸軌、絕緣支架（或絕緣瓷瓶）及其底座、防護罩、隔離開關、上網電纜等元件組成，車輛通過受電靴給列車供電，擁有組成結構簡單、后期維護少的特點，接觸軌材質現多采用鋼鋁復合軌，導電材料為鋁，導電截面積可以達到4390mm2，電阻≤0.0078Ω/km，相當于銅材質導電截面積約為2680mm2，載流能力在所有受電形式中首屈一指。但接觸軌在供電分區處需有14m左右的斷電區用來隔離供電區間，造成列車供電連續性差;在接觸軌端頭處需設置適當縱向坡度的端部彎頭供受電靴與接觸軌接觸，接觸斷開時拉弧打火現象嚴重，高速時還會對受電靴造成較大沖擊，嚴重時會損壞受電靴，甚至造成接觸軌接地短路等事故，因此，接觸軌受流列車運行速度一般被限制在≤90km/h，存在一定的局限性。

架空接觸網受流制式來源于電氣化鐵路，是車輛利用受電弓接觸懸置在車輛上方的帶電接觸線為列車提供電能的一種受電方式，最早的架空接觸網采用柔性懸掛方式，由接觸線、支持裝置、定位裝置、補償裝置、架空地線、支座等組成，構成結構復雜，后期維護量大，可靠性較接觸軌系統有所降低，因此在柔性架空接觸網的基礎上又發展了剛性架空接觸網，剛性架空接觸網改變了傳統架空接觸網的懸掛式安裝方式，使用剛性匯流排將接觸線固定，剛性接觸網提高了系統的可靠性，降低了后期維護工作，又保留了柔性接觸網供電連續性好的優點，不存在斷電區，適用于高速運行的列車，最高運行速度可達到140km/h，但剛性架空接觸網也有一定的局限性，因其安裝特性，只能運用于隧道內，在高架區段仍要使用柔性懸掛方式，并且需要在相接處設置剛柔過度裝置。

綜上所述，根據軌道交通系統發展方向，在正極受電制式中，剛性架空接觸網形式因其供電連續性好，可靠性高，后期維護少，運行速度高等特點，在正極受電制式中得到越來越多的應用，相較于第三接觸軌方式也有較大的優勢。

2、負極回流制式的對比

在現有的城市軌道交通系統中，無論是第三接觸軌系統還是架空接觸網系統，多數都采用了利用走行軌作為回流路徑的方式，但因為直流系統要求絕緣安裝，走行軌作為直流系統的一部分也許要絕緣安裝，但走行軌是主要承載列車重量的元件，多采用60kg/m鋼軌，相較于銅鋁材質的接觸軌（網）電阻率高，使得線路縱向電阻過高，線路損耗大，造成走行軌對地電位升高，又因為無法使用絕緣子（絕緣瓷瓶）等作為主絕緣，只能采用鋪設絕緣層，使用絕緣扣件等方式加強走形軌絕緣，但絕緣效果并不好（地鐵設計規范（GB50157-2003）中規定，對新建線路走行軌對地電阻之間的過渡電阻值要求為不小于15Ω·km）。走行軌對地絕緣不良，對地電位升高，直接造成了雜散電流的增大，進而產生了對結構鋼筋及金屬管線的電腐蝕等問題，降低了地鐵系統的使用壽命。

為了解決雜散電流的問題，可以從幾個方面進行研究，一降低走行軌縱向電阻同時增強走行軌對地絕緣的方式，但鋼軌的材質局限了這方面的研究方向，只能采取走行軌并接電纜，走行軌間增加均流電纜的方式，減小走行軌的縱向電阻;而增強走行軌對地絕緣的方式也沒有找到好的方法，因此，第二個研究方向應運而生，使走行軌脫離回流路徑的角色，使用專用的回流路徑，即第四軌回流方式，第四軌回流可以使用與接觸軌（網）相同材質的銅、鋁或合金等材料，起到降低回流系統電阻率的目的，并可以利用絕緣支架（或絕緣瓷瓶）等元件加強回流路徑的絕緣電阻，使直流系統完全對地絕緣。從而杜絕雜散電流的問題。

第四軌回流技術需對車輛結構重新進行設計，對直流牽引供電系統的保護配置也有較大影響，現在只在一些新型的軌道交通系統中有所運用（如低速磁懸浮系統），但應用經驗過少，因此第四軌回流方式的應用還需要進行更多的科學論證和設計實驗。因此走行軌回流的方式依舊是未來軌道交通中最多采用的方式。

三、結論

結合上述的研究分析結果以及在以往的應用實踐中總結的經驗：

直流750V系統因其供電能力的限制，多采用第三接觸軌受電，走行軌回流的方式，此種方式適用于短運距，低載荷，低運行速度的城市軌道交通系統。

直流1500V供電距離長，容載能力強，多采用架空接觸網受電制式，走行軌回流的方式，適用于長運距、高載荷、高運行速度的城市軌道交通系統。

直流750V接觸網供電制式，根據上述的分析結論，直流750V電壓制式的供電能力有限，運距短，不能充分體現出接觸網系統高運行速度的特性，因此直流750V接觸網制式并不合理，不適用于工程應用。

直流1500V第三接觸軌供電制式，此種供電制式也是爭議最大的，電壓等級的提高，使得第三接觸軌對建筑物，對車體的安全凈距要求也有了較大的提高。對建筑物及支撐絕緣可以通過加大建筑結構，提高絕緣支座絕緣等級的方式解決，但接觸軌位于列車下方，安裝的空間有限，如何保證接觸軌對車體的安全凈距是一個急需解決的課題，在現有的應用上，還沒有定型的產品予以驗證，而接觸軌采用下部受流方式，接觸軌與車體間增加絕緣護板的方式，以此來減小安全凈距的方式是一個解決此問題的方向，但因沒有確切的實際應用經驗，其安全性還有待進一步驗證。

結合未來城市軌道交通的發展趨勢，直流1500V剛性架空接觸網供電制式應當是未來城市軌道交通牽引供電制式的最優選擇。而隨著科技的不斷發展，雜散電流的問題也被越來越多的專家學者所關注，如何解決雜散電流問題已成為軌道交通行業的一個重要課題，除了從減小走形軌電阻率和加強走行軌對地絕緣的方面進行研究外，第四軌回流方式作為可以徹底解決雜散電流問題的方法，應該作為一個重點的研究方向。

參考文獻

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