城市軌道交通牽引供電及電力技術(shù)分析

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摘要：針對目前中國城市軌道交通存在的問題，提出了一種基于牽引供電技術(shù)的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)。論述了城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)，對接觸網(wǎng)、第三軌進(jìn)行了簡要的介紹，并對三者的利弊進(jìn)行了深入分析。有關(guān)部門需參照更多標(biāo)準(zhǔn)，以便各個城市根據(jù)自己的情況選擇最適合的牽引供電模式。

關(guān)鍵詞：第三軌；電力系統(tǒng)；接觸網(wǎng)；城市軌道交通

在許多城市中，城市軌道交通是一種新型運(yùn)輸方式。軌道交通與汽車、公交車等交通工具相比具有明顯的差異和優(yōu)點(diǎn)，例如噪聲低、污染低、不會造成交通堵塞等，尤其是在那些人口眾多、交通擁擠的地方更是如此?，F(xiàn)在的地鐵已成為城市交通網(wǎng)絡(luò)中一個重要組成部分，在緩解通流壓力方面作出了重大的貢獻(xiàn)。從某種角度來說，城市軌道交通已經(jīng)成為城市交通網(wǎng)中不可或缺的一部分，在交通運(yùn)輸、緩解交通壓力等方面都起到了重要作用，希望城市軌道交通能夠更好發(fā)展，任何情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。隨著城市化進(jìn)程持續(xù)加快，城市規(guī)模逐步擴(kuò)大，人口激增，交通問題日益突出。國家科技進(jìn)步為中國運(yùn)輸體系的發(fā)展提供了更加強(qiáng)大的支持。交通系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟，種類繁多。新型的城市軌道交通速度快、污染少、可緩解城市交通堵塞，是今后中國城市交通發(fā)展的主要趨勢。盡管中國運(yùn)輸體系的發(fā)展技術(shù)水平較高，但遇到的困難也很多，需要持續(xù)革新。在改革技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注牽引供電系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，并持續(xù)優(yōu)化。只有這樣，才能保證電力技術(shù)的應(yīng)用功能得到充分發(fā)揮，才能保證城市發(fā)展軌道交通的安全。因此，對城市軌道交通的牽引電源和電力技術(shù)進(jìn)行研究在軌道交通發(fā)展中起著特殊的作用[1]。

1中國城市軌道交通的發(fā)展?fàn)顩r

地鐵、輕軌、公交車等公共交通是城市軌道交通的一部分。19世紀(jì)50年代早期軌道交通首次在英國出現(xiàn)。倫敦的大都會鐵路歷時9年建成，于1863年初正式投入使用。它的主要動力來自于蒸汽機(jī)車，以蒸汽為動力，驅(qū)動蒸汽機(jī)車運(yùn)輸。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口不斷增長，中國的運(yùn)輸方式也隨之發(fā)生了變化。交通堵塞問題是全球范圍內(nèi)普遍存在的，中國交通堵塞的情況更為嚴(yán)峻。中國在交通建設(shè)和發(fā)展過程中，對城市軌道交通的發(fā)展給予了越來越多的關(guān)注。目前，全球三大城市軌道交通運(yùn)營里程最長的國家為中國、美國、韓國。

2牽引供電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

[2-3]軌道交通牽引供電系統(tǒng)指在運(yùn)輸線路上進(jìn)行電力輸送的電力供應(yīng)，保證電力機(jī)車、輕軌、地鐵等正常運(yùn)行，其供電采用牽引網(wǎng)傳輸。起初，地鐵有交流和直流2種動力形式，與技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的雙重標(biāo)準(zhǔn)電力供應(yīng)經(jīng)過相關(guān)專家們的努力而得以實(shí)現(xiàn)。隨著社會的進(jìn)步和城市的發(fā)展，人口增長和交通堵塞問題日趨嚴(yán)重，城市軌道交通系統(tǒng)也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。交通牽引電力系統(tǒng)關(guān)系著交通出行的順暢度。以下是2種不同的電力供應(yīng)方式在城市軌道交通中的應(yīng)用細(xì)節(jié)。

2.1直流制

很多城市在建設(shè)接觸網(wǎng)、牽引網(wǎng)、變電站等，部分單位對其進(jìn)行了大量的研究。電力系統(tǒng)采用的是1500V供電方法，而城市軌道交通則是由電力系統(tǒng)雙邊供電。電力系統(tǒng)之所以選擇雙向電源，主要是因?yàn)橐坏┯幸粭l電力線出現(xiàn)故障，就能立刻對線路進(jìn)行替換，這樣才能更好地保證電力運(yùn)輸和牽引電力。建立直流牽引供電網(wǎng)絡(luò)時，也可以采取雜散的電流保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)向單獨(dú)的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的均勻傳輸，還可以進(jìn)行更遠(yuǎn)的傳送。采用直流系統(tǒng)本身的電力傳輸方式，電力供應(yīng)的距離會縮短，會增加項目投資，而且直流牽引電力系統(tǒng)的傳輸效率也不高，所以直流牽引供電系統(tǒng)沒有建設(shè)優(yōu)勢。

2.2交流制

交流牽引電力系統(tǒng)是一種單向連接的電力系統(tǒng)。電廠在同一時間安裝了2個變壓器，并對其進(jìn)行了單獨(dú)的雙繞組變壓。該結(jié)構(gòu)為開放式三角形，電網(wǎng)的接入端為高壓側(cè)。表面有2個端口和1個公用的端口，其他的端口連接到牽引母線上，將低壓端置于接地端。對于牽引的電力供應(yīng)系統(tǒng)的降壓系統(tǒng)，除了在電源系統(tǒng)的末端提供壓力外，還包括在整個線路上設(shè)置增壓系統(tǒng)，更好地保證了線路照明系統(tǒng)正常運(yùn)行。牽引式交流電源系統(tǒng)在很長一段時間內(nèi)都是動態(tài)的，所以會產(chǎn)生很大的瞬間接觸壓力，因此，在交流牽引電力系統(tǒng)中的設(shè)備一定要很耐磨損。

3接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)也叫架空接觸網(wǎng)，架空電纜、高架電力電纜是目前城市軌道交通中普遍采用的電力供應(yīng)方式，另一種電力供應(yīng)方式為第3個軌道。接觸網(wǎng)只有導(dǎo)線的一個電極，在集電器上獲得電能，然后由鐵輪軌道來完成電流的回歸。如果采用膠輪的系統(tǒng)，例如無軌電車，觸網(wǎng)會有2條電線，它們不會互相接觸，主要是由2個集電桿進(jìn)行電力收集。根據(jù)懸吊的種類，一般可劃分成鏈型懸掛、簡易懸掛、剛性懸掛。鏈?zhǔn)綉覓臁⒑喴讘覓於际侨嵝詰覓?，所以也可以分為柔性和剛?種接觸網(wǎng)[4]。

3.1柔性接觸網(wǎng)

簡單懸吊無承力線，僅有導(dǎo)線，其優(yōu)勢在于支撐高度低，結(jié)構(gòu)簡單，在支撐位置上的載荷相對較小。因此，在沒有支撐的情況下，軌道交通和城市輕軌中普遍采用了簡易懸掛。簡明懸吊的不足之處在于懸吊點(diǎn)具有較大的剛性點(diǎn)和較小的跨距。使用時導(dǎo)引頭的導(dǎo)向性較差，線路會出現(xiàn)上下擺動，所以不能在高鐵上使用。鏈形懸吊是用吊繩將承載線和電線連接在一起的，解決了簡易懸掛存在的有硬點(diǎn)和小跨度2個問題，所以在跨度大、速度大、長距離的電力系統(tǒng)中，較多采用鏈?zhǔn)綉覓旒夹g(shù)。在市內(nèi)軌道交通中，若采用鏈?zhǔn)綉覓?，雷車最快的時候可以達(dá)到120km/h。柔性接觸網(wǎng)是軌道交通供電系統(tǒng)中比較常用的一種形式，結(jié)構(gòu)上以簡易懸掛、鏈?zhǔn)綉覓鞛橹?，并且簡易懸掛本身很方便，在處理它的時候通常無需布置承力線，只要將電線布置好就行了。它的結(jié)構(gòu)很簡單，支撐的高度也很低，主要用于無軌或輕軌軌道交通的電力供應(yīng)系統(tǒng)中。盡管簡易懸掛有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也有一個很大的缺點(diǎn)，那就是它的懸空硬點(diǎn)、跨度小，易產(chǎn)生振動。用鏈條吊著充分利用吊繩的連接，保證了電線與承力線的連接高效，并且具有速度快、跨度大等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)單純懸空的不足。這種方法不但可以用于電氣化鐵道中，并可在高速鐵路系統(tǒng)中推廣使用，從而保持牽引電力系統(tǒng)本身的功能。

3.2剛性接觸網(wǎng)

剛性懸架是用硬金屬條代替了傳統(tǒng)的柔性導(dǎo)軌，這是一種新的懸吊方法。隨著材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，剛性懸架具有較大的接觸面積和與第三軌道供電的優(yōu)勢，很好解決了由于軌道太重造成的不能懸掛的問題。地鐵由地面向地下線路行駛時，與地面列車直接相連。采用剛性懸架，可實(shí)現(xiàn)無縫對接，無需重新更換機(jī)車。另外，由于采用了集電弓，所以不會有使用集電靴易脫落的缺陷，因而加快了工作速度。當(dāng)采用剛性界面時，可以更好地進(jìn)行系統(tǒng)的操作，這是一種特殊的能力。在使用剛性接觸網(wǎng)時，一般采用硬金屬條，原來的金屬絲被替換成了更好的懸架。從有關(guān)經(jīng)驗(yàn)來看，采用剛性接觸具有許多優(yōu)越性，如增大了接觸區(qū)域，并極大地消除了原有的牽引電源存在的缺陷。對于中國城市軌道交通系統(tǒng)總體來說，這是一種由下往上的轉(zhuǎn)變。使用剛性接觸網(wǎng)可以有效地達(dá)到縫合銜接，無需其他操作。剛性接觸網(wǎng)連接架上的架設(shè)，一般采用集電弓的形式，在使用過程中不會發(fā)生脫扣現(xiàn)象，從而使接觸網(wǎng)在使用過程中發(fā)生變化。通常情況下，它主要用于高速軌道交通中。

4第三軌的構(gòu)成與特征[5]

4.1第三軌的構(gòu)成

第三軌基本上包括接觸軌接頭、末端彎頭、防爬裝置和安裝基座。接觸式軌道以鋼鋁制為主，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是損耗低、質(zhì)量好、導(dǎo)電率高、電能損耗低。接觸軌接頭一般可分為溫度伸縮接頭和正常接頭，其中溫度伸縮接頭是用來克服由于周圍溫度而引起的接觸軌道變形；普通連接采用鋁合金魚尾鋼板來固定每一節(jié)的導(dǎo)軌，不保留溫度伸縮縫，但支撐點(diǎn)和連接間距不得少于600mm。末端彎頭用來保證接觸斷軌平穩(wěn)通過。防爬裝置用于對接觸導(dǎo)軌的自由伸縮部分的膨脹伸縮量加以限制。安裝基座一般是一個整體的絕緣基座，并裝在枕木或?qū)к壣稀?

4.2第三軌的特征

第三軌導(dǎo)電性好，因?yàn)槠洳捎昧虽撲X復(fù)合接觸軌道；單位電阻小，從而可以使電力消耗大幅減少；不再需要在線路上增加饋電電纜，節(jié)省了很多運(yùn)營成本。另外，由于接觸導(dǎo)軌是復(fù)合材料，所以它耐腐蝕，質(zhì)量輕，維修量少，維修成本低，運(yùn)營成本大幅下降。因?yàn)榈谌壟c步行軌道相鄰，所以不會對周邊環(huán)境造成太大的影響。但是，由于在安裝時第三導(dǎo)軌與地面的距離很接近，所以在人員安全防護(hù)方面很難保證，絕緣設(shè)備很容易被污染。這種情況下，會出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，進(jìn)而影響行車。

53種不同類型接觸網(wǎng)的優(yōu)劣[6]

5.1柔性接觸網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

簡易鏈?zhǔn)郊芸战佑|網(wǎng)的接觸線與承載纜繩均有拉力，當(dāng)接觸網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，有可能出現(xiàn)斷線危險。夾持構(gòu)件在承受各種豎向載荷的同時，也承擔(dān)著導(dǎo)線的拉力引起的各種水平載荷和斷裂沖擊載荷，這也是零件失效的原因。一旦出現(xiàn)故障，將會造成很大的影響。這是一項高難度的維修工作，需要大量的人力，維修和修復(fù)難度大，需要專門的維修設(shè)施。

5.2剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與接觸軌類似，剛性接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單、事故影響范圍小、運(yùn)行維護(hù)工作量小等優(yōu)勢。但其弊端是具有較高的作業(yè)面，操作和維修工作要求有專門的維修車輛。

5.3第三軌的優(yōu)點(diǎn)與不足

第三種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命更長、電功率相同等特點(diǎn)。與接觸網(wǎng)相比，無論是在安裝和維修方面都要花費(fèi)大量的精力和費(fèi)用，而且不會受到氣候的影響，適用于小型隧道。第三條軌道的常見問題是支撐絕緣子損壞、開裂或污垢，因而無需專門的維修機(jī)器。加之作業(yè)面低，零部件種類少，即使是維修作業(yè)也很簡單。但是因?yàn)榈谌龡l軌道非常接近地面，所以一旦有人靠近，就很難做到萬無一失。因?yàn)殡x地面太近，所以很容易受到相應(yīng)的污染?，F(xiàn)在的絕緣設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)雨水與自然風(fēng)的自潔，所以要經(jīng)常清潔，否則極易造成絕緣閃絡(luò)事故，從而對車輛的運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

6城市軌道交通的供電系統(tǒng)和技術(shù)管理方式

6.1供電方式的科學(xué)選用

為了保障城市軌道交通供電系統(tǒng)的安全運(yùn)營，應(yīng)合理選用供電方法，該方法可以保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。員工應(yīng)當(dāng)清楚地了解電力供應(yīng)的目前狀況，并根據(jù)需要提供的電力和電力系統(tǒng)的運(yùn)行反饋，選用適當(dāng)?shù)姆椒訌?qiáng)處理。員工應(yīng)依據(jù)電力系統(tǒng)目前的抗干擾性能情況提高電力系統(tǒng)的抗干擾能力，防止故障的發(fā)生。員工要根據(jù)供電方式的基本原理，確定各種供、用電方式對城市軌道交通的供電方式的影響，根據(jù)不利因素分析結(jié)果選用適當(dāng)?shù)姆椒ā?

6.2加強(qiáng)電力供應(yīng)管理

對軌道交通運(yùn)營工作進(jìn)行綜合規(guī)劃，合理配置管理工作的內(nèi)容可以促進(jìn)城市的電力資源的合理分配和利用。在正規(guī)的管理程序中，有關(guān)工作人員要自覺承擔(dān)起自己的崗位責(zé)任，堅持以科學(xué)管理和安全治理為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對城市電網(wǎng)調(diào)度的優(yōu)化。根據(jù)城市軌道交通供電系統(tǒng)的供電狀況，員工應(yīng)當(dāng)從工作需要出發(fā)，制定相應(yīng)的管理制度。根據(jù)城市軌道交通發(fā)展的需要，合理選用不同的供電方式，實(shí)現(xiàn)對目前有關(guān)資源的合理分配和使用。電力供應(yīng)模式的選擇應(yīng)以集中供電為主，分散供電為輔，提升城市軌道交通電力系統(tǒng)的安全操作水平。

7結(jié)論

隨著中國各大城市的交通壓力日益增加，中國許多地區(qū)的動車、地鐵、輕軌都在建設(shè)，既方便了人們的出行，又為城市軌道交通電力系統(tǒng)的通電帶來新的挑戰(zhàn)，特別是在人流量、車輛流量方面。對于更大的城市來說，迫切需要滿足城市軌道交通的電力供應(yīng)。在交通高峰期，城市軌道交通穩(wěn)定、高效、持續(xù)供電非常關(guān)鍵。對于市軌道交通的電力供應(yīng)，需要進(jìn)行更加細(xì)致深入的研究，加強(qiáng)它在減輕城市交通壓力方面的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者：鐘迪盛 單位：福州中電科軌道交通有限公司