高速公路電氣化發(fā)展設(shè)想

母傳偉 張利軍 趙 虎

1.中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司

2.哈爾濱市第二建筑工程公司

3.河北省秦皇島市海港區(qū)區(qū)委

1 現(xiàn)狀物流運輸對高速公路電氣化的迫切需要

近年來，國內(nèi)高速公路發(fā)展迅猛，國家高速公路網(wǎng)由7條首都放射線、11條北南縱線、18條東西橫線以及地區(qū)環(huán)線、并行線、聯(lián)絡(luò)線等組成，總計約11. 8萬km；除此之外，交通運輸部發(fā)布《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年—2030年）》還提出了遠期展望線計劃1. 8萬km，主要發(fā)展西部地區(qū)，總規(guī)模約40萬km。也就是說，到2030年，我國將基本實現(xiàn)首都輻射省會、省際多路連通、地市高速通達、縣縣國道覆蓋的目標。高速公路物流運輸相對于鐵路、水運和空運來說有更突出的優(yōu)點——方便快捷靈活，物流成本較低。目前的高速公路運輸是通過燃油發(fā)動機為動力的大型運輸汽車來完成，大量的物流運量帶來尾氣排放量大、能源消耗高、運輸費用高等一系列問題，給大氣環(huán)境帶來巨大污染。傳統(tǒng)汽車尾氣排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境主要污染源之一，公眾對環(huán)境保護的呼聲日益高漲。

石油為地球稀缺資源，目前世界石油短缺問題已經(jīng)十分嚴重，而且世界原油儲量也越來越少，價格越來越高，建設(shè)電氣化高速公路是將來的運輸問題的必然趨勢，既減少了汽車對石油資源的依賴，又減輕了大氣污染，是未來理想的運輸方式。從宏觀經(jīng)濟分析，公路運輸是目前石油資源的最大消耗用項，也是二氧化碳最大排放項。

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國目前每年公路上在運行的大卡車和大客車總量約為220萬輛，每年要消耗石油約9850萬t，按目前平均油價7600元/t計算，全國公路運輸中的大卡車和大客車每年消耗的石油總成本約為7182億元。目前汽車技術(shù)水平分析，內(nèi)燃機實際每產(chǎn)生1kW功率的平均油耗210g，按每7.6元/kg的油價計算，內(nèi)燃機每產(chǎn)生1kW功率的成本約為1.6元，而每消耗1kW電力的峰谷平均價約為0.8元，加上內(nèi)燃機潤滑和維修成本高，采用電力驅(qū)動交流無軌電車運行費用僅是用油汽車成本的45%。如果全國20%大卡車和大客車采用電力驅(qū)動行駛，每年全國將減少1890萬t石油量消耗，全國每年的運輸能源總成本將下降760億元，如果將這節(jié)省的錢用于建設(shè)公路上的交流滑觸網(wǎng)電車供電系統(tǒng)，每年可建76000km電車線路，由此可見，電氣化高速公路建設(shè)是一項具有經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益的利國利民的好事。

2 高速公路電氣化解決方案

2.1 高速公路電氣化供電牽引網(wǎng)

對高速公路進行電氣化改造，在高速公路加裝供電牽引網(wǎng)，移植城市無軌電車供電方式，沿高速公路架設(shè)輸電線路。在高速公路路肩和中央分隔帶間隔一定距離架設(shè)供電架線桿，在桿上固定絕緣懸吊線，在行車道上方懸吊架設(shè)動力輸電線，與系統(tǒng)牽引網(wǎng)作變送聯(lián)網(wǎng)。在車上有一帶電刷的活動的支架，汽車的電動發(fā)動機由牽引網(wǎng)供電驅(qū)動，從高速公路出入口到高速公路的連接線上架設(shè)有交流或直流輸電線，這些輸電線與高速公路的輸電線相連。

電氣化高速公路牽引網(wǎng)主要包括供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)兩部分，其中供電系統(tǒng)包括回流導線以及牽引變電所至接觸網(wǎng)的饋電線。接觸網(wǎng)部分包括接觸網(wǎng)懸掛裝置、支撐裝置、定位裝置，在兩對應的架線桿上端設(shè)橫跨，在橫跨下面配上下定位索，在每車道上方沿道路方向架設(shè)一根承拉線，承拉線懸掛在橫跨上，在每根承拉線下面通過懸吊一根接觸線，接觸線通過定位索固定在相應的車道上；在每錨段兩段的線索下設(shè)補償裝置。兩接觸線間設(shè)隔離線，牽引網(wǎng)穩(wěn)定、安全，能動態(tài)地實現(xiàn)汽車的變道。

2.2 電動汽車集電裝置

電動汽車在電氣化高速公路上行駛，通過可伸縮的集電弓從高架接觸網(wǎng)上獲取電力。電動汽車集電弓可分為單臂弓和雙臂弓，均由集電滑板、框架、臂桿、底架、彈簧、氣缸、支撐絕緣子等組成。

集電弓是靠集電滑板在上部接觸線上摩擦接觸而受電，由于接觸線和集電滑板之間有振動等因素造成導致接觸不平順，在高速摩擦接觸中會產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，電弧放電會危害車上電氣設(shè)備、集電滑板和接觸線。在電氣化高速公路實施過程中，要改進集電滑板材料，增加其耐磨耗能力；實現(xiàn)軟接觸，減少滑板和接觸線間的接觸壓力，可以減少兩者之間的磨耗，延長集電滑板和接觸線的壽命。碳素復合材料將是改進集電滑板材料的一個發(fā)展方向，新型碳素材料做成的滑板在潤滑性能、導電性能、抗摩擦損性能和實現(xiàn)軟接觸方面更具優(yōu)勢，可以降低離線率，減少電弧放電現(xiàn)象，有效改善集電弓的集電性能。

在借鑒電氣化鐵路電力機車配電線集電弓架和城市無軌電車配電線集電弓架的配置方式的基礎(chǔ)上加以改進，在前后單相雙線正負受流塊之間隔設(shè)絕緣連接塊，在前后正負受流塊底部與集電弓起落架的托架之間設(shè)置絕緣墊，在前、后正負受流塊之間連接電纜線引伸入雙動力汽車內(nèi)作為汽車電動力電源線，適應汽車在高速公路上車速、路況、變道超車的行駛需要，保證車輛運行正常、可靠和安全。

2.3 對汽車動力裝置的革新

現(xiàn)在靠車載電池驅(qū)動的電動汽車動力裝置存在問題很多：充電時間長、車載電池壽命短、控制線路性能差、車輛制造成本高等技術(shù)難題，因此發(fā)展電動汽車要多措并舉，路與車統(tǒng)籌考慮。汽車與公路是國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，以電力驅(qū)動為主，電池輔助驅(qū)動，發(fā)展“電氣化高速公路”和電動汽車兩大產(chǎn)業(yè)，形成新的經(jīng)濟增長點。用電力作為電動汽車的直接能源，可大大降低車輛的制造成本與客、貨運輸成本，這是由電機的效率和油電價格之比決定的。電池驅(qū)動汽車也是間接的電力驅(qū)動，電力直接驅(qū)動省去了中間的電能轉(zhuǎn)換效率問題，較電池驅(qū)動汽車的性能更穩(wěn)定，并且能實現(xiàn)大噸位運輸車輛的制造，便于對電能提供的綜合治理。電氣化公路是新能源與電動汽車簡單、直接、有效的對接平臺。

行駛在高速公路上的汽車發(fā)動機改裝成混合動力裝置，由電動機和燃油發(fā)動機共同驅(qū)動汽車，電動機作為主動力源，燃油發(fā)動機為輔助動力源，電動機的供電電源來自沿路架設(shè)的牽引網(wǎng)和車載蓄電池。電動機和燃油發(fā)動機可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。當汽車加速或爬坡時，電動機和燃油發(fā)動機能夠同時向傳動機構(gòu)提供動力，當汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠電動機維持該速度。

采用混合動力后可按平均需用的功率來確定電動機的最大功率，此時處于純電力驅(qū)動、尾氣零排放的工況下工作。當汽車啟動或爬坡而功率不足時，由燃油發(fā)動機來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電。汽車配備車載蓄電池，可以十分方便地回收制動、下坡、怠速的能量。當汽車變道或其他情況下不能由牽引網(wǎng)供電時，由車載蓄電池驅(qū)動，可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。

3 發(fā)展展望

隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，將來可以利用公路路面板作為太陽能板接收太陽能發(fā)電，沿路面橫向鋪設(shè)集電線路，在中央分隔帶鋪設(shè)縱向集電線路和整流、調(diào)壓裝置，直接輸送至沿路牽引網(wǎng)向沿路行駛的汽車供電。

截止到2013年中，我國全國高速公路總長度超過十萬公里，成為擁有高速公路最多的國家，按照平均路面寬度10m計算，高速公路路面總面積超過十億m2，高速公路路面上部沒有遮擋，陽光照射面積率大，如果把路面兼用作太陽能板，可以收集巨大的太陽能資源，實現(xiàn)清潔能源的高效利用。

4 結(jié)語

發(fā)展電氣化高速公路最有利于降低能源消耗和保護大氣質(zhì)量，是公認的綠色交通方式，是針對世界性的原油危機和開發(fā)利用新能源、提倡節(jié)能環(huán)保的潮流需要，提出的一種取長補短，既能發(fā)揮公路運輸中所體現(xiàn)出的快捷、方便、靈活、隨意等諸多優(yōu)點、又能開辟利用廉價廣泛的電能來替代燃油的一種構(gòu)想。發(fā)展電氣化高速公路可以綜合實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益，降低能耗，降低物流成本，減少尾氣排放，降低環(huán)境污染，節(jié)約社會資源，有利于建設(shè)和諧交通體系，維持社會可持續(xù)發(fā)展。