城市轨道交通牵引供电及电力技术的应用研究

茅台学院实习实训教学中心 肖 杰

1 引言

当前，随着居民对于出行需求及品质要求的不断提升，各类交通工具开始出现，在提升人们出行效率的基础上，人们的出行品质也得到提升[1]。现如今，全球各类轨道交通工具都具有自身鲜明的特点，如可减少环境污染等问题。与此同时，在轨道交通运输工具运行过程中产生的噪音更少，以及不存在产生道路拥挤等情况[2]。目前，轨道交通工具的出现，正在悄无声息地改变人们的生活，为缓解城市交通压力，提升城市的整体风貌和地位有着十分重要的意义。

从目前轨道交通城市运输网络的整体发展情况来看，交通工具的研制和创新走在前列，但与之相匹配的各类配套设施发展相对较慢，已经成为制约轨道交通行业发展的瓶颈问题[3]。如牵引和供电技术作为轨道交通领域的核心关键技术，是城轨、地铁、有轨电车等交通工具的核心供电设备[4]。随着近年来的技术变革，以及轨道交通运输行业发展速度日益加快，城市人口数量的不断增加，供电方式也发生了一系列创新变革，已经由传统的交流直流两类牵引供电方式逐步向双直流供电方式转化[5]。

鉴于此，本文将对轨道交通行业中牵引供电以及其相关的核心技术进行讨论研究，具体研究情况如下文。

2 城市轨道交通牵引供电系统

一般而言，轨道交通基本包括地铁、轻轨、电力公交等不同的交通类型。从全球来看，首条地铁线路始建于英国，在历经9年的摸索之后，开始进入正常使用阶段。在首条铁路线运营的过程中，其动力提供方式主要是采用蒸汽机的方式，蒸汽机的出现为轨道交通行业的发展起到了先河作用。直至后来，随着经济社会的不断发展，以及城市规模的不断扩大，交通问题逐步发展成为阻碍城市现代化进程的主要问题。某些发达国家在面对以上问题时，开始逐步探索新型交通方式，轨道交通逐步进入研究人员的视野。当前，我国已经成为轨道交通运营里程最长的国家之一，北京和上海已经形成了较大规模的轨道交通网络。

综上所述，随着城市交通业务的迅猛发展，轨道交通工具已经成为居民出行的主要交通选择方式之一。在轨道交通生态圈内，供电系统是核心技术，对于轨道交通行业的发展有着重要的影响。牵引供电系统的发展也正在不断经历变革和创新，随着城市人口数量不断增长，城市交通问题已成为影响生活品质基本的原因。然而牵引供电系统是影响轨道交通装置运行是否顺畅的主要因素之一。

现如今，在城市有轨电车、地铁、轻轨、高速动车等轨道交通类列车中，均采用牵引供电系统供电。在国内外供电领域的核心专家的广泛研究基础上，供电方式已经由传统的直流、交流两类供电方式，逐步向双直流供电方式转化。

因此，本文将对两类供电系统进行研究，探讨两类不同的供电形式的应用场景及技术优势。同时，对相关的核心电力技术进行分析。

2.1 直流制式牵引供电系统

当前，直流制式牵引供电是轨道交通领域中应用最为广泛的一种供电方式，主要应用于城轨、电车中。在供电过程中，直流制式牵引供电采取双边供电的方式，牵引电压为直流1500V 或直流750V两种。该供电方式能最大限度降低供电事故发生的概率，一旦在传输过程中某条线路出现问题，可以随时对线路进行变化，辅助线路开始供电，快速满足电路对于供电的基本需求，同时零散供电电能输送方法，从而保障电能能够更加快速地向各个供电网络中进行传输，第一时间满足其对电能的需求，并且能够延伸电流传输的距离。

在此类供电系统中，主要是由主变电控制器、中压环网、其他混合变电所等核心设备组成，其具体工作示意图如图1所示。在运行过程中，在供电线路的两侧采用主变电所提供电能，电力供应过程中，采用中压环网进行电力分配和控制，牵引变电所负责电力的接收机变压，电分段为列车提供牵引供电。

图1 直流供电系统运行示意图

但是，该供电模式也存在其自身缺陷。由于其采用独有的变电模式，使得电流在运输过程中的长度会大大降低，进而对工程建设过程中所需要的建设投资成本要求比较高。在电能传输过程中，其传输效率比较低，无法较好的满足用户对于供电的需求。因此，经过论证，直流供电系统的优势并不明显。

2.2 交流制式牵引供电系统

在该供电系统中，均使用单向供电的方法进行的，在具体传输过程中使用双变压器开展电压的转化和变幻。在此种结构内部，存在两个不同类型的端口，在具体设置过程中，会把其中任意一个端口设置为公共接口，其他端口可放置于接地一侧，另作他用。在不同的变电所之间设置不同的分所，可以实现跨区域供电。

在交流制式供电过程中，需要长期保持动态电流状态获取，因此很有可能会瞬时产生接触电压，因此在电路设置过程中，需要安装相关的耐磨设施，从而保障电路运行的安全性和稳定性。

2.3 两类供电方式比较分析

根据上文所述，直流交流均存在其优势和劣势之处。鉴于此，本文将从供电形式、供电设施、牵引网结构等多个方面进行主要技术特征比较。

表1 直流交流供电形式主要技术特征比较

在供电制式的选择过程中，交流方式一般适用于距离相对较长的供电方式、高负荷、运量较大的铁路线路，对于直流供电方式，其应用场景一般为运行功率较小，供电距离比较短，并且列车需要频繁启停的铁路线路。城市轨道线路运输过程中，两类供电方式均可以使用。另外，供电方式在选择过程中，也不能一概而论，必须同时考虑路网规划、项目预算等因素。通常情况下，对于线路较长、速度要求较高以及地下路段比较少的线路，一般选择交流制式进行供电，对于地下区段长、隧道的净空要求相对严格的铁路线路，一般采用直流式供电方式。

3 电力技术分析

电力技术作为供电系统稳定运行的关键技术之一，在设计和制作过程中研发人员需要对相关的技术进行合理的使用，在线路设计和系统设计过程中，将电力的基本优势发挥出来，从而为牵引供电线路的稳定运行提供保障，提升供电的效率。目前，在众多电力系统中，该项技术是保障供电网络不断优化设计的重要关键技术之一，在对接触网进行设计和安装过程中，主要的电力技术要点如下。

3.1 刚性接触

该种接触网主要是使用硬质金属条来代替软导线的一种新型的悬挂方式。随着对该项技术研究的不断完善，使用刚性接触可以将“第三轨”接触面积大的潜能开展深度挖掘，进而对因为钢轨重量过高而不能对问题进行很好处置的问题进行解决。同时，在此种方式采用集电弓的方法，这便规避了在供电过程中发生集电靴脱落等现象，进而大幅提升了列车供电过程中的工作效率。

3.2 柔性接触

一般简单悬挂方式中部存在承力线，此种结构简化可以减轻支撑过程中的负荷。所以，该种悬挂在城市轨道交通以及无轨电车领域使用较为广泛。该种结构也存在着较大的缺陷，其缺陷主要为悬挂存在硬点，并且跨度相对较小，因本身导线原因会导致在实际使用过程中来回摆动。正因为此种接触的缺陷，致使该接触方式无法在高铁线路中得到应用。因此，近年来出现了一种链型悬挂，该种悬挂主要是将悬索装置将承力线与导线进行直接关联，避免了悬挂中出现的跨度小以及用点弱的现象，进而将悬挂应用在城市地铁建设过程中，使得其工作效率得到大幅提升。

3.3 第三轨

在轨道交通列车运行过程中，第三轨的结构主要有绝缘体、防护套、接触轨、铁轨、轨枕等结构组成，接触轨主要是使用钢铝复合轨道材料，这样不但能够降低器材的具体损耗，并且减轻整体的重量，提升金属的导电率。在使用过程中，线路的电能损耗比较少，受流方式主要分为上部、侧部和下部受流三类。接触头根据形式可以分为，温度伸缩接头以及正常接头两种。其中，温度接头可以解决由于接轨温度变化而产生的热胀冷缩现象，正常接头采用铝制围板材料，并且对导电轨道进行固化，避免出现伸缩缝的出现。

图2 第三轨的结构示意图

该供电方式由于轨道结构比较简单，并不需要大量的悬挂结构，因此其打造成本会比传统的接触网低，因此众多轨道交通供电系统并不存在专用接触网。为了提高线路的导电性，第三轨技术使用的是铝钢复合材料，此外其单位电阻也小，基于这些优点牵引网的能耗可以得到很好的改善。另外，相较传统技术，也无需额外配备相应的沿线电缆，从而降低了城市轨道交通的运营成本。而且，复合材料制作的接触轨有耐磨损和耐腐蚀等优点，因此运维成本也比较低。

4 结论

综上所述，现如今随着我国轨道交通运输行业压力的不断增大，动车、城轨和地铁已经成为人们主要的出行方式，以上出行方式满足了人们对于出行的要求。通过不同供电技术运用使车辆高峰阶段能够保持稳定运行，为城市轨道交通带来较高的收益。因此，在未来应该聚焦轨道交通牵引供电及相关核心电力技术的研究，从而不断提升轨道交通工具运行的稳定性和安全性，提升人们的出行品质。