浅谈新津现代有轨电车供电方式选择

(新筑股份　四川　成都　610000)

一、有轨电车的概念

通俗点来说：利用新型低地板多模块铰接钢轮钢轨车辆或者弹性车轮，电力牵引，包括电阻、液压、磁轨等多种制动方式，具有美观、环保、适应小曲线半径和大坡度运行、具备较强的启动/制动能力、以地面专用道为主的城市公共交通系统称为有轨电车(见图一)。

图一　新津R1线70%低地板有轨电车

二、建设现代有轨电车的原因

城市化进程加快使原有的空间组织模式发生改变。市民自我意识的提高期待乘坐更加安全、舒适、快捷的交通工具出行。

政府为缓解城市交通拥堵和环境污染，相比较私家车和公共汽车每公里人均排放CO2是45g与 15g(平均数)而言，有轨电车以电能为动力，无废气排放(能耗约0.07 千瓦时/坐席乘客)，不产生PM2.5 颗粒物，噪音在70dB 以下，是一种无污染的环保交通工具。

三、现代有轨电车在城市轨道交通中的功能定位与速度和安全

根据在城市轨道交通中所承担的作用，可以分为以下几类(见表一)：

表一　现代有轨电车的功能定位

速度与安全：设计速度为70km/h,平均运行速度在15-35km/h之间。通过类似于地铁控制的车地控制方式和司机操作(目视)来共同保障有轨电车运行安全，有效减少交通意外发生的比率。新津有轨电车最高运行速度：70km/h；列车设计最高速度：80km/h。

四、现代有轨电车的牵引供电方式

国内建设的现代有轨电车线路的供电方式主要有两种，第一种为架空接触网供电，第二种为无触网供电。

架空接触网供电是沿轨道上空架设的向有轨电车供电的输电线路(见图二)。由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础组成。一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。

图二　带补偿的弹性简单悬挂

接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给有轨电车。

支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。定位装置是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。

支柱与基础用以承受接触悬挂、支持装置和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。

架空接触网供电传承了传统的铁路供电方式，与现在的大部分地铁供电方式大致相同。车顶通过受电弓获取架空接触网上的电能牵引电车前进，电压为DC750V，利用钢轨回流。该供电方式构简单、技术成熟，且具有非常成功的工程应用业绩，是国内有轨电车最主要的供电方式之一。

传统的无触网供电也称地面供电，主要是在地面架设供电的第三轨，由受电靴将电能送到车辆进行供电，以钢轨进行回流或者建第四轨进行回流。这种系统简单可靠，但安全性不高。

随着城市轨道交通的发展，在现代化工业生产及科技支撑的前提下为保障公共安全，防止恐怖事件、社会治安及可预测的自然灾害的发生，使得多种无触网牵引供电方案研发成功并应用于实际工程项目。下面简要介绍几种无触网供电的形式。

1.第三轨供电技术。北京1969年开通的地铁就是使用第三轨供电。属于传统的无触网供电，在此不单独介绍。

2.地面接触轨供电、钢轨回流技术。即在地面上敷设供电轨(两钢轨之间)替代架空接触网。在车辆底部安装受电靴。沿供电轨每隔一段设置一个控制箱，在运行过程中，被车体完全覆盖的供电段通过感应装置才能接通电源，车辆由受电靴从供电轨上取电。当感应装置感应不到车辆通过时，供电轨不带电。由于其通电轨段仅限于车体下方并被车体包围，有效解决了其他车辆与行人的安全问题，并且使车辆在前进时通过不断切断导电体工作状态，实现车辆不断电的目的。阿尔斯通的APS系统就是使用该供电方式，已在巴黎、迪拜等城市得到广泛应用。

3.电磁线圈感应式非接触供电技术。以电磁感应原理，在轨道结构下面预埋电缆回路，在车体底部安装耦合线圈。通过车载储能装置启动车辆运行后，将电缆回路进行通电形成电磁场，使车辆磁力线不断耦合线圈的切割，从而产生电磁感应。庞巴迪的PRIMOVE系统就是使用该供电方式。

4.自然磁力供电技术。永磁材料分别安装在车辆转向架的受电靴和地面模块导电排上。当受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，受电靴通过与模块表面接触将电力引入车内。当受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。庞巴迪的安萨尔多Tramwave系统就是使用该供电方式。

5.电池组供电技术。是通过车辆自身携带的蓄电池组释放出来的能量来给车辆供电。该方案技术成熟，成本低；但电池占用空间大、功率密度低、寿命短，快速充电性能差适用于配合架空接触网供电辅助使用。

6.超级电容器供电技术。由车载超级电容器供电系统组成，利用多孔材料高比表面积特性和电解液离子极化形成的双电层来存储电能，其特性兼备了普通电容器的高功率特性和电池的高能量特性的优点，和普通电池的区别是存储电能的容量非常大，供电时间也较长。安装车载超级电容的有轨电车在制动时，电车制动再生的能量可以存储二次使用。此外，在车站加设快速充电设备(或接触网)，通过停站上下客的时间对超级电容进行快速充电，从而实现超级电容车辆持续供电。南京河西有轨电车线路就是使用该方式供电。

7.混合型蓄能装置供电技术。由充电的超级电容器和一组牵引蓄电池共同组成形成混合动力方式。

8.飞轮储能技术供电技术。是将能量储存在高速旋转的飞轮中，利用飞轮实现电能到机械能再到电能转换的储能装置。

9.氢燃料供电技术。把氢输入燃料电池中，通过液态氢与空气中的氧结合而发电，即，驱动电动机运转。西南交通大学作为项目主持单位承担的世界首列商用型燃料电池/超级电容混合动力100%低地板现代有轨电车已在中车唐山公司已下线。一次快速加氢只需15分钟，可持续行驶40公里以上，最高运行时速70公里。

五、新津现代有轨电车外电源的供电方式选择

新津现代有轨电车项目供电方式是根据当地的外在配套条件和建设要求结合本工程自身特点，在借鉴传统项目评价方法的基础上，通过构建一套含技术性、经济性、适应性、施工及环境影响和生产力与生产关系相匹配的评价指标体系(见表二)，得出：新津有轨电车外电源接入采用分散式供电方式，因为：1)新津规划线路周边工业及经济发展相对较为成熟，能够为有轨电车供电网络提供较为可靠的电源。2)有轨电车用电负荷相对较轻，本地城市电网充足、富余量大，共用线路能够满足其用电需求。3)整体外电源接入费用较低，节约建设投资及后期运营成本。4)多个电源接入点使供电系统调度组织方式较为灵活。

表二　外电源供电方案优选

即外电源供电采用10kV分散式供电，由附近城网提供，单环网接线型式(图三)。变电所采用单母线接线方式，设置一套牵引整流机组与一台变电所用配电变压器。牵引网供电电压采用DC750V(见表三)，牵引供电方式采用架空接触网与车载超级电容相结合，架空接触网采用带补偿的简单悬挂方式。牵引变电所采用箱式牵引变电所。杂散电流腐蚀防护系统设置监测网，电力监控系统采用单监控单元方案。

表三　系统电压参数及范围

图三　单环网主接线

六、新津有轨电车牵引网供电方式选择

新津有轨电车有触网路段和无触网路段的供电设计在满足中长期运行需求的情况下，参考综合评价指标体系(见表二)并考虑以下3个主要因素：1)地区特点：新津县位于成都市南部，区域产业较为密集，经济发展较快。2)项目背景：是西南地区建设的第一条有轨电车线路，形成示范效应，推动有轨电车产业化。3)功能特点：线路从新津城区连接至新城区、天府新区新津区域及旅游景点，同时接驳成绵乐新津南站，并将与地铁10号线延长线接驳。

为了保留城市中的自然景观与精美建筑，并且能与城市有良好的兼容性。在该路段采用车载的储能装置——超级电容给有轨电车供电。电车制动再生的能量可以存储二次使用，降低了设备功率峰值的同时又合理地利用了再生能源。

在不影响城市自然景观与精美建筑的情形下，在该路段采用架空接触网(DC750V)给有轨电车供电。采用架空接触网(带补偿的简单接触悬挂)供电还可以降低设备和变电站的功率要求，节约一次投资。

简单接触悬挂(简称简单悬挂)是由一根接触线(CTAH150)直接固定在H型钢支柱支持装置上的悬挂形式。在接触线下锚处装设了横张力弹簧补偿装置(NS1250-800/NS120-730)，以调节张力和弛度的变化，通过加装8～16m弹性吊索悬挂接触线，减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件。另外将跨距适当缩小(跨距之比不大于1.5：1)以增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。

通过开发的专用软件——有轨电车直流牵引供电系统仿真软件。分别进行局部无触网牵引供电计算与验算，并建立防真平台和配置继保模块。模拟在列车运行过程中(包括坡度、曲线、限速等要求)进行城市轨道牵引供电计算，以及多列车在线路上运行时的牵引网网压(有触网路段)、充电站(无触网路段)交流侧电网网压和功率的变化以及有轨电车在系统接入处的功率变化过程、钢轨电位、牵引变电所负荷变化过程，计算出变电所容量、所需接触线大小等参数，见表四与表五。

表四　线材规格及张力表

表五　A3/A4变电所容量

在接触网路段，利用H型钢支柱特点，将上网电缆隐藏于支柱内即“隐蔽敷设”。在提高景观效果的同时也使设计变得简约(见图四)。

图四　上网电缆隐藏敷设

七、结束语

2013年3月7日，新津现代有轨电车项目正式取得立项批文，从此所有的新筑人便有了一个共同的梦想 —— 让家乡的父老乡亲坐上有轨电车。

2015年3月，新津现代有轨电车正式进入施工阶段，在高标准的要求下以最快的速度完成基础设施建设。

2016年1月7日，新津现代有轨电车示范线R1线实现了首列车顺利吊装上线，现已通电开展各类测试及调试工作，调试结束后将在线路上进行试运行。在调试过程中吸引了国内很多城市的有轨电车建设者前来参观考察。