现代有轨电车无接触网技术应用分析

陈志雄

（威立雅交通巴黎地铁中国有限公司，200041，上海∥工程师）

现代有轨电车无接触网技术应用分析

陈志雄

（威立雅交通巴黎地铁中国有限公司，200041，上海∥工程师）

无接触网技术在现代有轨电车的应用，解决了有轨电车接触网造成的“视觉污染”问题。介绍了采用地面供电技术的APS（交替式地面）系统、Tramwave（创威地面感应式）系统和Primove（电磁感应式）系统，以及各种车载储能技术。分析比较了不同无接触网技术的系统设计、性能和长期运营维护情况。车载储能技术作为一种广泛应用的工业技术，在达到小型化、高能量比、快速充放电和环保处理方式后，将成为现代有轨电车无接触网技术的发展方向。

现代有轨电车；无接触网技术；地面供电；车载储能供电

Author’s addressVeolia Transport RATP China，200041，Shanghai，China

现代有轨电车是一种开放式的轨道交通系统，一般行驶在道路上，是一种平交制式［2］。其架空接触网被视为城市景观的一种“视觉污染”，从而促进推动了一种现代有轨电车新型供电技术——无接触网技术的发展。该技术利用新型设备给列车供电，消除架空接触线及支柱对历史文化景点景观的破坏。无接触网技术主要有地面供电和车载储能装置供电（蓄电池或超级电）两种技术类型，并已经在一些项目中成功投入商业运营。

本文结合商业运营现代有轨电车项目经验，比较了不同无接触网技术的系统设计、性能及长期运营维护情况，分析了其可靠性和维修成本，为科学决策提供参考。

1 地面供电技术

1.1 APS（交替式地面）供电技术

APS技术最先由Innorail在20世纪90年代提出，1998~2001年第一条试验轨道在法国马赛建成并进行相关试验。后期，阿尔斯通以其Citadis车辆技术参与了APS系统改进工作，并在法国AYTREE工厂建设了一条专门的测试线。APS技术从此开始了长足进步，并在阿尔斯通的大力推荐下走向了商业应用。2003年，世界上第1条商业化应用的APS系统在波尔多11.5 km线路上正式投入运行。经过10年商业运行，APS技术已经趋于成熟，并在兰斯、迪拜等多个城市推广应用。

APS系统构造的特点是供电仍采用第三轨。第三轨埋设在两股钢轨之间的道床内，钢轨面与第三轨面均与地面持平。第三轨由3 m长的绝缘段和8 m长的导电段相间敷设而成。导电段由每隔22 m一处的控制箱控制。在导电段下方相应长度内埋设有感应电路。当列车通过时，车辆与地面控制箱进行无线通信，控制箱收到车辆发来的信号后触发列车覆盖区段第三轨导电，车底中部的集电靴通过接触获得电能。而其他区段的第三轨则处于接地状态，与走行钢轨连接，电压为“0”，不会产生任何危害［3］，如图1所示。

图1 波尔多APS系统原理及主要设备示意图

经过10年的商业运行，运营商总结了不少APS系统的设计及维修经验，主要如下：

（1）完善的道床排水设计，能减少积水对导轨与集电靴接触的影响；

（2）特殊的十字路口路面及导轨设计，能避免路面重型卡车挤压造成的损坏；

（3）路面导轨绝缘段应使用耐磨材料，可避免过多维修及更换；

（4）安装在导轨框架内的馈电线深埋地下，不易检修，因此对其绝缘及质量可靠度要求高；

（5）雪天及冰冻天气下集电靴与导轨接触不良率高，需要加大除冰工作。若采用盐来除雪，需要及时清除，以避免盐的结晶对导电轨产生影响；

（6）车辆与APS系统的接口设计需要从运营及维修角度考虑，增强其实用性；

（7）对车载辅助电源及蓄电池的可靠度要求高，避免使用过程中控制系统断电造成列车停运；

（8）制定专有维修保养规程，从长远角度降低维修费用。

1.2 Tramwave（创威地面感应式）供电技术

安萨尔多的Tramwave系统同样采用地面第三轨供电技术为车辆提供电源，但其接触轨采用的是自然磁力技术，如图2所示。安装在车辆转向架上的集电靴与地面模块内的柔性导电排都装有永磁材料，当集电靴经过模块供电节表面时，模块内的柔性导电排受磁力吸引上升，导通供电电源正极，模块表面带电，集电靴通过与模块表面接触将电力引入车内。当集电靴离开模块供电节表面后，柔性导电排受重力作用，回落到与安全负极相接触的位置，模块表面失电，并保证模块供电节表面与安全负极相连，以确保乘客人身安全。该技术将在珠海市首期9 km的试验段线路上进行应用。

图2 Tramwave系统供电原理

1.3 Primove（电磁感应式）供电技术

庞巴迪Primove系统采用的是地面感应线圈非接触供电技术。该系统通过在沿线地面敷设供电装置，以非接触方式为列车提供牵引电能。Primove系统是利用电能与磁场相互转化的原理实现能量传输的。当感应系统检测到有车辆通过时接通电源，线圈产生的磁场被列车底部安装的受流器感应，并转化为电能供给车辆牵引系统（如图3所示）。线路沿线敷设DC 750 V供电电缆，每隔一段距离在线路侧埋设一套逆变装置；一次侧线圈敷设在地面两条走行轨中间，二次侧线圈安装在列车上。首先将DC 750 V逆变为高频交流电，输入地面的一次侧线圈，当列车上的二次侧线圈与一次侧线圈位置重合时，二次侧线圈感应高频交流电，经整流和逆变后为列车的交流电机供电。只有当列车进入相应区段时，地面一次侧线圈才接通电源，其他时刻地面一次侧线圈处于断电状态。其供电分区是随车辆运行而改变的，从而保障沿线人员和车辆的安全［7］。目前，此技术还处于试验阶段，没有城市计划采用该技术。

图3 Primove系统供电原理

1.4 地面供电技术的比较分析

地面供电技术共同具有的优势与缺点为：

（1）具有接触网同等能量输出技术指标，类似于地铁中使用的第三轨技术。

（2）不受外界环境影响，消除了“视觉污染”。（3）不影响道路交通及行人。

（4）造价高——APS系统工程造价约350万欧元/km，折合人民币约2 900万元/km；Tramwave系统造价为1 500万~2 000万元/km；Primove系统造价为2 000万~2 500万元/km。

（5）维护成本高——车载及地面APS系统的设备年维修费用约10万欧元/km。

（6）技术专有——阿尔斯通车辆与APS系统捆绑。

（7）地面供电轨或者线圈需要设计可靠的保护，以达到在积水、积雪和结冰情况下安全可靠运行。

（8）十字路口需要加强路基设计，以保护地面供电设备不会被汽车等损坏。

（9）配备的车载储能供电装置可靠度要求较高，以便列车在地面设备短暂失电情况下能够运营一段距离，驶入正常区段。Tramwave和Primove技术作为试验技术，需要通过商业运行继续验证其可靠性、可用性。

此外，Primove技术利用的是感应式电力传输原理，其电磁场对于周边环境有一定影响，需要重点考虑，以达到环境保护要求。Tramwave技术是电磁力吸引内部导电排“波浪式”运动供电，其对于材料可靠性要求高，以保证运动中不会损坏，并且对后期维修保养提出了更高要求。

2 车载储能装置供电技术

随着科学技术的发展，车辆厂商开发了车载储能装置——蓄电池或超级电容，通过控制系统进行切换替代外部电源，持续向列车提供牵引电能及辅助电能，如图4所示［5-6］。

图4 车载储能系统原理图

2.1 车载储能装置案例

法国尼斯市有轨电车的创新点在于既可以通过架空电缆供电（DC 750 V持续电流），也可以在穿过市中心两个历史悠久的广场时利用列车上的蓄电池自主供电（见图5）。尼斯市有轨电车1号线的每列车上均配有68个12 V的镍氢蓄电池（总重约1.2 t），能以80 A·h供电27 k W·h使列车通过2段约450 m长的电池自主供电区段。

图5 法国尼斯车载蓄电池车辆

在法国巴黎T3线，1列阿尔斯通CITADIS列车正在进行车载超级电容试验工作（见图6）。1个超级电容组由48个15 kg重的模块组成，总容量为3 000 F，总重1.7 t，安装于列车顶部。列车在不使用接触网的情况下运行时，超级电容为列车持续提供电能。列车停车时20 s就能完成充电工作。列车再生制动能量也可以为超级电容充电。在运营过程中，车载超级电容列车相对其他列车节能30%。

沈阳市有轨电车采用了超级电容技术，当列车通过十字路口等无电区域时，车载储能系统向列车供电，中途车站设计有刚性接触网充电桩，为停靠列车充电。当采用储能系统供电时，列车的最大行驶距离为1 km，并能够起动停止2次。

图6 法国巴黎T3线超级电容车辆

南京河西现代有轨电车将在全线使用锂电池技术，并在车站设置刚性接触网充电桩。

2.2 车载储能装置供电技术特点

车载储能技术是电动汽车技术在现代有轨电车上的延展，具有以下特点：

（1）全线除充电设备外，无需敷设地面设备。

（2）车载储能设备体积大、质量大，对载客数量有一定影响。

（3）不会受到积水、积雪影响。

（4）再生制动能量节能，可减少电网峰值功率和电网压降。

（5）车辆维修成本相对传统接触网技术增加0.4欧元/（车·km）。

（6）大电流快速充电要求增加变电站容量。

（7）没有技术垄断，各车辆厂家均在开发自主知识产权技术。

储能介质的选择对于储能装置整体设计有着重要影响。超级电容与蓄电池技术性能比较见表1。

表1 超级电容与蓄电池技术比较

车载储能技术随着蓄电池及超级电容技术的发展而进步，是未来无接触网技术发展的主流方向，建设单位应根据实际情况选择合适类型的储能技术。

随着实际使用案例越来越多，这项技术正从区段使用延伸到全线使用，设计及运营要求也在不断提高。其关键点主要有：

（1）车辆设计需要考虑储能装置的布局要求，以平衡整体质量。

（2）蓄电池或超级电容设计应向小型化、高能量传输比方向发展。

（3）储能装置的DC/DC控制器非常关键，需要考虑电磁环境影响、控制逻辑及频繁切换影响，选择可靠器件。

（4）车载电源容量应该有备用电源容量考虑，以在主电源故障情况下驱使列车前行一段到充电位置，或者启动控制系统，保障列车在降级情况下等待救援。

（5）设计专有司机操作规程，应对十字路通行要求，避免中途停车-起动时电能消耗过快。

（6）车辆维修费用高出传统制式车辆，需要很好地与厂商进行谈判，降低维修成本。

3 综合比较

根据实际应用经验，将上述两种无接触网技术与传统接触网技术进行了比较分析，具体见表2。

4 结语

对于现代有轨电车而言，传统接触网技术是一种成熟、可靠及经济的技术选择，但会造成一定的“视觉污染”。随着科学技术的发展，无接触网技术正进一步提高其可靠性及经济性，是未来的发展趋势。在已经成功商用的技术中，阿尔斯通APS技术造价较贵，完全依赖进口，受到了诸多限制；而车载储能技术随着蓄电池及超级电容小型化、高能量比、快速充放电、环保处理而快速发展，将是未来无接触网技术发展方向。

表2 传统接触网系统与无接触网系统性能比较

［1］ 周翊民.现代有轨电车的快速发展时社会发展的必然需要［J］.城市轨道交通研究，2013（8）：1.

［2］ 訾海波，过秀成，扬洁.现代有轨电车应用模式及地区适用性研究［J］，城市轨道交通研究，2009（2）：46.

［3］ 周庆瑞，施翃.新型有轨电车及其创新的供电制式［J］.都市快轨交通，2008（6）：95.

［4］ Alstom APS Bordeaux Definition［R］.2008.

［5］ 王椹榕.城市轨道交通车载超级电容储能系统实验平台开发［D］.北京：北京交通大学，2012.

［6］ Ogasa M（日本）.用锂离子充电电池的无接触导线有轨电车［J］.变流技术与电力牵引，2005（3）：39.

［7］ 何治新.现代有轨电车牵引供电方式选择［J］.城市轨道交通研究，2013（7）：105.

图7 某列列车实时监控界面

（4）提高列车区间运行速度。8号线部分站距较短，存在列车运行速度受限制的现象。可以采取跳停或开行大站列车的方式提高列车区间运行速度，以缩短列车运营时间，为列车偏移创造条件，最终实现提高运能的目标。

4 结语

城市轨道交通作为城市公共交通主动脉，面对日益严峻的客流压力，除了采用基本的增能方式外，还应打破常规，利用先进系统的新功能不断探索增能的新办法。本文提出的运用列车偏离功能实现越行车站也是基于此方面考虑。

参考文献

［1］ 张国宝.城市轨道交通运营组织［M］.上海：上海科学技术出版社，2006：57.

［2］ 邵伟中，刘瑶，陈光华，等.巴黎市域轨道交通线路及车站布置特点分析［J］.城市轨道交通研究，2006（1）：62.

［3］ 沈景炎.城市轨道交通车站配线的研究［J］.城市轨道交通研究，2006（9）：1.

［4］ 李素莹，陈光华，车永兵.上海轨道交通1号线开行大小交路运行方案的实践［J］.城市轨道交通研究，2007（1）：50.

（收稿日期：2012-09-01）

Analysis of Catenary-free Technology Applied in Modern Trams

Chen Zhixiong

Catenary-free technology has been used in modern trams，which solves the“visual pollution”due to the contact system and is adopted by many cities.The ground level power supply systems like APS，Tramwave and Primove，as well as the on-board energy storage technology are introduced，which provide different solutions for trams power supply.Through an analysis and comparison of the design，operation and long-term maintenance of different catenary-free technology systems，the on-board energy storage technology is considered to be the development trend for modern trams when it solves problems like miniaturization，high energy quatity，rapid charge and discharge speed，as well as the green recycle mode.

morden trams；catenary-free technology；ground power supply；on-board energy storage power supply

U 482.103

2013-09-27）