无供电接触轨的单轨交通系统可行性分析

林云志，罗 兵

（1.中铁电气化局集团有限公司，北京 100036；2.中铁电气化局城铁公司，北京 100036）

0 引言

有轨电车是采用电力驱动在轨道上进行行驶的轻型轨道交通工具，不排放废气，是一种绿色环保型交通工具[1]。

动力电池是较为传统的蓄电池，按正极材料可分为以下几大类：铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂电池。技术发展到今天，以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池代表了当前最先进、能够大功率应用的动力蓄电池。在汽车、轨道车辆等方面应用较为广泛[2]。

1 超级电容简介

超级电容又叫双电层电容器，是 20 世纪七八十年代发展起来的一种新型储能装置，结构上同普通电解电容非常相似，属于双电层电容器，采用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得高达 80 000 F 的超大容量。超级电容目前正处于快速成长期，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容相比传统动力电池存在较为明显的优势，可从以下 3 个工程指标进行比较分析。

（1）能量密度。指单位重量所储存的总能量多少，与材料有关。综合重量和能量密度，可以判断其是否可以作为纯动力源。

（2）功率密度。指单位重量在放电时能以何种速率进行能量输出，表征其放电输出特性。功率密度高，瞬态释放能量高，在高功率输出的时候效用就高[3]。

（3）循环次数。即充放电次数，决定了使用寿命和维护成本。

以 7 500 F 超级电容为例，相比传统动力电池，能量密度和功率密度范围由图 1 给出。

图1 能量密度和功率密度 Ragone 图

由图1可知，超级电容的能量密度较低，可进行短时供能，通过多个大容量超级电容串并联，能够提高总能量。超级电容功率密度很高，可以提供瞬时高峰能量吸收和输出，特别适合车辆的起动和制动。超级电容低很多，但是在能量密度上具有非常好的优势，特别适用于有限空间中的应急应用，如制动、应急通风、空调等负载[4]。

表1 给出了关键工程指标对比，蓄电池循环寿命比

表1 关键工程指标对比

2 超级电容动力牵引配置可行性分析

以目前正在运行的某地 2 号、3 号地铁线车辆数据为例，结合国内新出的超级电容参数（表 2）进行计算。

表2 每组车载超级电容储能单元主要参数

2.1 单轨车辆概况

车辆主要由车体、客室设备、转向架、牵引制动系统、辅助电源装置、空气制动系统、空调与通风系统、车体连接装置、照明、列车自动控制系统、通信装置、故障自诊断系统、司机室设备等组成。

单轨车辆（Mc 型车为例）车体外形尺寸为14.8 m（13.9 m）×2.98 m×5.30 m。轨面以上车辆高度 3.84 m，车厢地板距轨面高度1.13 m。构造速度 80 km/h，最高运行速度 75 km/h。车辆为 2 轴转向架，全车 4 根轴，每根车轴轴重为 11.0 t。每列车动力转向架占转向架总数的 3/4。

2.2 车辆动力牵引配置标准

2.2.1 牵引性能

当列车处于超员载荷、轮胎半磨耗状态，运行在干燥、清洁的平直轨道和额定电压下，速度从 5 km/h 加速到 30 km/h的平均起动加速度为 0.833 m/s2，冲击率极限 0.75 m/s3，构造速度 80 km/h。

2.2.2 制动性能

车辆设有常用制动、紧急制动和停放制动。常用制动冲击率小于等于 0.75 m/s3，对空载至超载的所有负载，常用制动平均减速度 1.1 m/s2。

紧急制动采用空气制动，对空载至超载的所有负载，紧急制动平均减速度为 1.25 m/s2。

2.2.3 列车故障运行能力

在坡长不超过 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列AW3 载荷并且损失 1/2 动力的列车，能够起动并且以不低于 15 km/h 的速度沿全线运行 1 个往返。

在坡长不超过 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列空载（AW0）无故障的列车可以牵引或推进 1 列相同数量车辆编组 AW3 载荷并失去动力的列车，以不低于 15 km/h的速度沿全线运行 1 个往返。

2.3 车辆牵引配置可行性

目前牵引供电制式采用 DC 1500V 跨座式单轨制式，在走行梁两侧绝缘敷设正、负极刚性接触轨。每节全动力车厢配有 4 台功率为 105 kW 的牵引电动机，400 V交流供电；半动力车厢配有 2 台功率为 105 kW 牵引电动机，400 V 交流供电。每 2 节车厢设置 1 套附属设备，功率为110 kW，用于车内照明、空调等功能。

2.3.1 轴重配置可行性

AW3 车辆每节车重 41.3 t，轴重 11 t，四轴车。若配置 26.7 kW · h 电量，1 200 F单体电容约重 2.3 t。按照上述计算，增加电容（1 200 F）后的重量为 43.6 t，满足轴重要求。原来单轨车辆内有电池组，如全部采用超级电容，该电池组可以取消。

2.3.2 空间配置可行性

1 200 F 单体电容体积 1 076.5 cm3。每组电容80 F/900 V 重量 840 kg，体积 0.65 m3。全动力车厢一节3 组电容组，总重量为 2.52 t（实际容量为 27 kW · h），占地 1.95 m3。半动力车厢只需要 1.5 组即可满足容量需求，重量为 1.26 t，占地 1 m3。

2.3.3 供电能力可行性

根据车辆数据可知，原有电池组在无需外接供电情况下，可以维持 50% 的空调通风和全部的通信信号系统供电 45 min。电池组本身的供电能力加上超级电容的供电能力和单轨车到站充电补充的电能，可以维持正常情况下全部空调和通信信号系统的供电。

如果考虑取消电池组改由超级电容供电，则其相应的重量和体积也可以核减用于放置超级电容组。由前面车辆数据可知，全车按照 6 节编组计算，共有 330 kW用于照明和空调。车头和车尾为司机室，是半动力车厢，牵引电机容量只有210 kW。如果也按照全动力车厢配置超级电容组计算，扣除牵引供电使用的极端情况，还有190×2 = 380 kW 的富裕容量满足空调照明等需求，且轴重完全满足要求。

3 车站接触网供电模式可行性分析

供电制式如果改为就近 1 kV 低压电缆供电，将可以规避主所的建设以及外电源电缆和路由的建设。从工程建设和全寿命周期运营角度，2 种供电方式对比如表 3 所示。超级电容供电模式相对于单纯的接触轨供电模式（未考虑能量反馈装置），建设投资要稍高一些。虽然取消了接触轨和牵引变电所，但由于车站增加了充电机，车辆加装了超级电容组和电容管理电路，预估单纯的建设费用将增加。如果考虑每个牵引变电所都安装能量反馈装置，此种建设模式的费用将比安装充电机和车辆加装超级电容的费用要多。

表3 2 种供电方式对比

由于区间取消了接触轨，可减掉接触轨的运行维护成本及职工的维护作业成本，在运维与安全作业方面，超级电容 + 车站接触网供电模式全面优于接触轨供电模式。

超级电容本身具备制动反馈，决定了我们在系统设计上要比目前的整流接触轨 + 制动能馈的系统更简单，使得该系统节能环保等方面要优于接触轨供电模式。

4 展望

该供电方式可以推广到中小型单轨交通（含跨座式和悬挂式），作为一种全线的供电方式使用。后期研究可选择高架线作为模拟线路，进一步深化将超级电容技术应用于不同运量单轨系统的技术可行性、经济可行性及安全保障性的分析研究评价工作。