现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究

蔡 波 李鲲鹏

（1.厦门轨道交通集团有限公司，361004，厦门；2.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥第一作者，高级工程师）

现代有轨电车的牵引供电方式一般采用DC 750 V架空接触网供电制式。该供电方式系统成熟，结构简单，投资成本低，具有丰富的设计、建设和运营维护经验。但是，架空接触网在非封闭式的营运环境中所带来的景观和安全问题也不容忽视，特别是在交叉路口和对景观特别敏感的区域。为了适应现代城市对景观和安全的要求，阿尔斯通、庞巴迪、西门子、卡佛、安萨尔多等主要的有轨电车系统供应商都在积极进行无架空接触网系统的研究与实践。本文从牵引供电的基本功能出发，系统分析现代有轨电车无架空接触网解决方案。

1 牵引供电方式的分类

牵引供电的功能是实现从静止供电设施向移动列车提供持续的电力。有轨电车牵引供电方式主要有实时授流和非实时授流两类基本方案，如图1所示。实时授流方案需要在沿线敷设供电设施（如架空接触网、接触轨等），通过车载受电器（如受电弓、集电靴）实时接触，实现电能由电网向移动列车的持续大容量电力供应。此种供电方式在国铁AC25 kV和地铁DC750 V、DC1 500 V的牵引供电制式中普遍采用。非实时授流方案采用车载储能牵引，列车在特定地段进行快速充电，非充电区段不设置沿线供电设施。此种供电方式在现代电动汽车领域普遍采用。实时授流方案根据电能传输的方式又分为接触式供电和非接触式供电。接触式供电方式可以采用滑动接触和滚动接触两种基本类型，一般车辆正极采用滑动接触供电，负极采用滚动接触供电。大容量的非接触式供电主要是基于电磁感应原理的电能传输，根据回流方式的不同可分为钢轨回流和专用轨回流两种基本类型。

由图1可知，实现无架空接触网供电有两条基本技术路线：一种是采用实时授流供电，沿地面敷设供电设施，如在封闭式专用路权的城市轨道交通中普遍采用的第三轨供电方式；另一种是采用车载储能式牵引供电，彻底取消沿线敷设的供电设施。但是，传统的第三轨供电在非封闭式半专用路权中面临两方面的问题：①供电轨不能突出地面安装，以避免影响其他车辆和人员通行；②需要解决沿线车辆和人员的安全问题，在没有列车通过时，供电轨应为断电状态（即当且仅当列车完全对此区段拥有绝对路权时供电轨才能带电）。其解决方案是将沿线供电设施划分为若干小的供电分区，每个供电分区的长度小于列车长度；每个供电分区带电与否随列车运行同步控制。为了适应现代有轨电车无架空接触网的需求，国内外颇具实力的有轨电车公司均推出了各具特色的无架空接触网解决方案。采用地面供电方式的有阿尔斯通APS、庞巴迪PRIMOVE、安萨尔多TRAMWAVE，采用车载储能式牵引供电的有西门子、卡佛和中国南车株洲电力机车有限公司推出的现代有轨电车系统。

图1 有轨电车牵引供电方式基本分类示意图

2 地面牵引供电方案

采用地面牵引供电是实现现代有轨电车无架空接触网牵引供电的有效方案之一。目前，比较有代表性的3种地面供电方案分别是阿尔斯通的APS、庞巴迪的PRIMOVE和安萨尔多的TRAMWAVE，它们均采用分区段控制地面供电设施实现向运行中的列车提供持续的电力供应，但在具体实现方案上存在差异（见表1）。

表1 采用地面供电的无架空接触网解决方案特征分析表

2.1 APS系统

APS地面供电设施的基本结构如图2所示。其采用标准埋地式供电轨结构，主要由工形绝缘轨、接触轨、DC750 V电缆、接地电缆和检测回路等组成。在道岔区和交叉道口，供电模块的结构需作相应调整。工形绝缘轨为玻璃纤维，高度一般为17 cm。与电缆连接的2根金属板条安装在工形轨的表面。工形轨的中心是4条狭槽，用于敷设DC750 V电缆、绝缘节回线，以及通信和辅助设备。接触轨长8 m，两导电轨间由3 m长的绝缘节所分隔。绝缘节安装有平行塑料接触板条，向集电靴提供连续的行走表面。

图2 APS供电轨断面示意图

接触轨（第三轨）在轨道中间按8 m长度分段敷设，二段之间为3 m长的绝缘段，沿线每隔22 m设一个接触轨电气控制箱。当列车进入某一供电分区时，相应控制箱内的控制单元接收到列车上发来的编码信号后，向该接触轨供电，其余供电分区处于断电状态，以保证行人的安全。

2.2 PRIMOVE系统

PRIMOVE（地面感应线圈非接触供电）通过在沿线地面敷设供电设施，以非接触方式为列车提供实时牵引电能。其利用车地实时通信，实现跟随车辆运行的分区供电，保障沿线人员和车辆的安全性。PRIMOVE系统需沿线路敷设DC750 V供电和回流电缆，每隔一段距离在轨旁埋设一套逆变装置；变压器一次侧线圈敷设在地面走行轨中间，变压器二次侧线圈作为车载受电器安装在列车上。PRIMOVE给铺设在走行轨中间的闭合线圈提供高频（约20 kHz）交流电以产生磁场，磁场通过装在车底的闭合线圈时在线圈中产生电能，实现电能由地面向车辆的传输。只有当列车进入相应的位置时，地面一次线圈才通高频交流电，其他时刻地面一次线圈处于断电状态。如图3所示，PRIMOVE地面供电设施除了常规的整流牵引变电所之外，沿线路敷设的主要设备有轨道中间的一次感应线圈、线圈磁屏蔽层、列车位置信号接收装置，以及各区段的线圈供电控制箱、逆变器箱、地面设备监控和数据采集装置。

图3 PRIMOVE地面一次感应线圈

2.3 TRAMWAVE系统

TRAMWAVE地面供电系统的基本工作原理如图4所示。TRAMWAVE供电轨嵌入式安装在两条钢轨中间的连续导管内，不影响行人及其它车辆的穿行。供电轨只有在车辆驶过时才能被转向架下的车载磁性集电靴接触性激活，且仅位于车下固定的一小段区块有电，其它位置不带电。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，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高压电引入车内；当集电靴离开模块供电节表面后，柔性导电排受重力作用，回落到安全负极相接触的位置，模块表面失电，且模块供电节表面与安全负极相连，以确保乘客人身安全。

TRAMWAVE供电轨的基本构件为一个长3 m（或5 m）、用于内嵌的模块化组件，如图5所示。该模块组件内容纳了地面供电系统的所需元素。一系列500 mm长且彼此绝缘的钢制接触板安装于模块组表面。所有模块组连接在一起形成了TRAMWAVE地面供电轨。车辆驶过时，只有与车下集电靴接触的一块500 mm或最多2块共1 000 mm的线段为激活通电状态，其它均不带电，保证了供电的安全要求。TRAMWAVE供电系统模组具有自己的电路安全环，负极回流不经过车轮及钢轨，有效避免了杂散电流的危害。

图4 TRAMWAVE基本工作原理示意图

图5 TRAMWAVE供电轨断面结构示意图

3 车载储能式牵引供电方案

车载储能式牵引供电是现代有轨电车的一个重要发展方向，是现代电动汽车理念在有轨电车系统中的延伸与发展。特别是现代储能技术（如超级电容、锂电池）和现代电力电子技术及其控制技术的发展，使得储能式牵引供电技术有了跨越式的发展。在庞巴迪、西门子、阿尔斯通、卡佛等公司新一代有轨电车系统中，已经看到了储能式有轨电车的雏形。现代有轨电车基本采用交流传动系统，常用制动为再生电制动，车辆的制动动能被转换为电能并存储到车载储能装置中。为了应对局部区段架设架空接触网的困难，采用车载储能装置进行列车的动力牵引。

3.1 车载储能装置系统基本构成

与传统有轨电车相比，储能式有轨电车在其主电路结构中增加了储能装置的充电和放电回路及其相应的控制系统。车载大容量储能装置DC／DC变流装置可设置于地面变电所或车辆上，放置的位置不同，主电路的结构也不同。

（1）DC／DC充电装置放置于地面充电站。若DC／DC充电装置放置于地面充电站，则充电站内配置整流变压器和DC／DC变换器。充电站的输入电源一般为AC10 kV，输出电压为DC500～900 V，地面充电站需根据车载储能装置两端的电压进行实时调压控制。即充电装置与被充列车需要进行一对一配置。此种充电方案的设备构成如图6所示。

（2）DC／DC充电装置放置于车辆上。若储能装置充电模块设置于车辆上，则供电系统只需为车辆受电装置提供DC750 V电源，故充电站与常规直流牵引变电所基本一致，可以采用大双边供电和单边供电。此种充电方案的设备构成如图7所示。

图6 DC／DC充电装置放置于地面变电所的系统构成示意图

图7 DC／DC充电装置放置于车辆上的系统构成示意图

两种充电方案对储能式有轨电车牵引供电系统的影响见表2。西门子、阿尔斯通、庞巴迪、卡佛和北车大连机车车辆有限公司等的车辆系统将DC／DC充电装置放置在车辆上，中国南车株洲电力机车有限公司将DC／DC充电装置放置于地面充电站，两种放置方案均为可行技术方案。从减轻车辆质量的角度，储能式有轨电车宜将充电模块放置在地面充电站。从车辆系统的兼容性方面考虑，现代储能式有轨电车主电路系统的设计宜保持与既有有轨电车外部牵引供电接口的一致性，保持车载储能式牵引与实时供电牵引的兼容性，将DC／DC充放电控制装置置于车载，既可实现储能式牵引与常规牵引供电方式的兼容，又能够实现对车载储能装置的安全高效控制。

表2 DC／DC充放电控制模块放置位置方案对比分析

3.2 车载储能介质的选择

车载储能介质是保障储能式有轨电车安全、可靠运行的关键。目前，在有轨电车系统中具有应用业绩的车载存储介质主要有蓄电池、超级电容、飞轮及其组合方式。飞轮储能是一种大容量的机械储能技术，在轨道交通领域尚处于初步研发应用阶段。蓄电池和超级电容储能技术在有轨电车系统和电动汽车领域已开始工程应用。

根据有轨电车运行的特点，车载储能介质除了安全、可靠之外，还应具备高功率密度、高能量密度、使用寿命长、环境适应性强、充电速度快等基本特征。表3对比分析了蓄电池和超级电容对现代有轨电车的适应性。锂电池为化学电池，属于能量密集元件，能量密度占优势；超级电容属于物理电池，为功率密集储能元件，功率密度占优势。

表3 超级电容与蓄电池的主要性能对比表

针对有轨电车停站频繁、要求充放电时间短的特点，车载储能装置宜选用超级电容，但其能量密度相对较低。就减轻车载储能装置质量而言，锂电池等其他高效电池作为储能介质也是可行的。采用超级电容和蓄电池混合式存储单元，能够发挥各自的优点，是一个值得深入研究的方向。

3.3 充电方式的选择

车载储能装置一般采用恒流充电、恒压充电和两种方式的组合等充电控制模式。无论采用何种充电模式，均需将地面直流电通过充电网向车载储能装置快速充电。类似有轨电车牵引供电方式，充电方式主要有如表4所列的四种基本形式。

表4 充电方式的技术经济比较

架空充电网充电方式技术通用，投资相对较低，但安装位置受车站建筑形式和位置限制。APS、PRIMOVE和TRAMWAVE等三种地面充电方式技术成熟，充电位置的设置较为灵活，比较适合半专有路权的现代储能式有轨电车系统，但需进行技术转让和国产化工作。将地面供电方式与车载储能牵引相结合是现代储能式有轨电车的发展方向，既可以避免全线敷设地面供电设施所带来的高昂的建设和运营维护成本，又可以降低在交叉路口等非专用路权区段车载储能不够的风险，提高整个储能式牵引供电的可靠性和可用性。

4 牵引供电方式的选择

地面供电方式和车载储能式牵引供电均成功实现了无架空接触网供电，解决了在核心城区和景观敏感地区的景观和公共安全问题。针对具体的工程项目，有轨电车牵引供电方式的选择应遵循全寿命周期成本最低原则。即初期投资成本和运营维护成本综合最低化原则。

传统的架空接触网供电和钢轨回流供电方式具有技术成熟、运营可靠、投资低等特点，在有轨电车系统中具有广泛的应用基础。因此，在实际工程应用中可采用地面供电与架空接触网供电相结合的方式：在对景观有特别要求的局部区段采用APS系统，其余区段采用架空接触网供电。例如，法国波尔多共计43.3 km的CITADIS 100%底地板有轨电车线路中有13.5 km APS线路。

地面供电方式 （如 APS、PRIMOVE 和TRAMWAVE）虽然解决了实时牵引供电对景观的不利影响，但沿线需埋设大量的地面供电设施，对沿线设备的安全性、可靠性、防水性要求较高，对沿线的市政排水功能也有非常高的要求。此外，沿线敷设供电设施初期投资成本高，后期的维护成本也非常可观。我国南方一些城市（如广州）雨水非常多，全线采用地面供电设施是不合适的。

储能式牵引供电方式简化了沿线牵引供电设施，但增加了有轨电车的复杂度、车辆质量、空载运行能耗，以及车辆储能装置日常运行维护和更换成本。由于受储能介质能量密度的限制，车载储能装置的存储能量有限。例如，目前60 m长的有轨电车编组，车载储能的有效牵引供电距离一般在1.5～2 km左右，若考虑到路权、线路曲线、坡度等因素的影响，其牵引供电距离将进一步减少。储能式牵引供电方式对线路特征和站位的设置有一定的限制性影响。储能式牵引供电和地面供电方式相结合可有效解决其在非专用路权区段牵引供电的可用性和可靠性。

因此，应结合线路特征、线路沿线的景观和安全性要求，经过技术经济综合评估后确定有轨电车牵引供电的方式。

5 结语

实现无架空接触网牵引供电是现代有轨电车可持续发展的现实需求，是有轨电车牵引供电的发展方向。

（1）地面牵引供电和车载储能式牵引供电均是实现无架空接触网供电方式的有效解决方案，车载储能式牵引供电和地面牵引供电相结合是现代有轨电车牵引供电方式的发展方向。

（2）与蓄电池相比，超级电容更加适应列车频繁牵引与制动的运行特征，是车载储能介质选择的方向。采用超级电容和蓄电池混合式存储单元，能够发挥各自高功率密度和高能量密度的优点，是车载储能介质进一步研究的方向之一。

（3）应结合线路特征及线路所处的环境，经技术经济比较后确定牵引供电的方式。局部区段无架空接触网供电是一种比较经济实用的解决方案。

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