以受電弓為載體的電氣化公路技術(shù)研究

□汪兆杰 梁繼國

中國的高速公路發(fā)展之迅速，舉世共睹。龐大的高速公路網(wǎng)絡為貨運提供了巨大的便捷，也使得許多貨運車輛在高速上行駛的里程遠大于在城市道路中行駛里程。隨著電動載貨車的興起，如此優(yōu)勢的高速公路有更多的價值可以挖掘，也就是近年提出的概念“電氣化公路”。

一、電氣化公路在國外的研究現(xiàn)狀

電氣化公路的概念最早是由西門子公司提出的。2015年西門子與卡車制造商斯堪尼亞宣布，西門子將在瑞典斯德哥爾摩背部兩公里長的E16公路架設(shè)電氣化接觸網(wǎng)系統(tǒng),實現(xiàn)歐洲的第一個電氣化公路系統(tǒng)[1]。

2017年9月西門子公司宣布，在德國一條10公里長的高速公路上打造接觸網(wǎng)電氣化貨運線路。該線路為混合動力貨車的電力驅(qū)動裝置供電，這是首次在德國高速公路上進行電氣化貨運系統(tǒng)的公開實地測試[2]。2017年12月，特斯拉和西門子公司聯(lián)合打造的純電動半掛卡車完成了隨車充電的高速公路測試行駛。公路位于美國加州，路邊架設(shè)供電電網(wǎng)，卡車利用車頂?shù)氖茈姽M行取電，在需要變道超車時收回。

二、電氣化公路在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)有許多關(guān)于受電弓-接觸網(wǎng)供電方式的設(shè)想和專利，例如鄭州宇通客車的《一種受電弓和采用該受電弓的客車》；北汽福田的《電動汽車的充電控制系統(tǒng)、方法和電動汽車》。武漢理工大學發(fā)表的文章《高速公路貨車接觸網(wǎng)電力推進技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建》中進行了高速公路貨車接觸網(wǎng)電力推進相關(guān)技術(shù)的研究。這些論文涉及了單弓或雙弓對置布置的充電系統(tǒng)，但尚未有實物出現(xiàn)并進行測試的報道。

電氣化公路重在其電氣化，因此它的供電過程是一個十分重要的問題，本文主要進行相關(guān)電氣問題的討論與研究。由于電氣化公路的形式類似于城市的無軌電車和高速鐵路，因此在研究過程中將借鑒高速鐵路和無軌電車的電氣網(wǎng)絡。

三、技術(shù)路徑

電氣化公路電路傳遞路徑大致分為三個部分，一是從高壓輸電線傳遞到接觸網(wǎng)，二是接觸網(wǎng)電路，三是受電弓從接觸網(wǎng)取電后傳遞給牽引電動機或汽車的其他用電部分。下文從三個方面進行討論。

(一)牽引變電所。電氣化鐵路按接觸網(wǎng)給供電分區(qū)供電的牽引變電所數(shù)量不同可構(gòu)成不同的供電方式，以此可分為單邊供電和雙邊供電，單邊供電指一個供電臂只能從一個牽引變電所得到電能；雙邊供電指一個供電臂可同時從兩個牽引變電所獲得電能。雙邊供電可提高接觸網(wǎng)末端電壓，但其故障范圍大，繼電保護裝置復雜；而單邊供電時相鄰供電臂在電氣上相互獨立，相對于雙邊供電而言更加靈活，當一段接觸網(wǎng)故障時，只影響該部分的供電分區(qū)。因此在電氣化公路的設(shè)計上，擬采用單邊供電的方式，一方面電動載貨車并不需要特別大的電壓，另一方面，靈活的電氣線路無論是在成本還是維修方面都是極其優(yōu)勢的。

(二)接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)的供電方式眾多，以電力機車為參考，不同類型的電力機車使用不同的接觸網(wǎng)供電方式。電力機車的供電采用直流還是交流并不是絕對的，且各有利弊，也各有用法。對于電氣化公路，應該采用類似于國鐵的供電模式，即“交—直—交”供電模式。原因有兩點，第一，采用直流接觸網(wǎng)對于長途線路并不現(xiàn)實，因為途中需要數(shù)量眾多的變電所，而交流接觸網(wǎng)對變電所的需求則少很多，直流接觸網(wǎng)更適合于城市軌道交通這類短途線路；以地鐵和輕軌為主要代表的城市軌道交通具有行車密度大、站間距短、啟停頻繁的突出特點。采用直流供電系統(tǒng)的主要優(yōu)點是沒有電分相[3]。第二，高壓交流技術(shù)比較成熟，對于高速公路這種長途路線，高壓供電是十分經(jīng)濟的。在我國現(xiàn)階段的鐵路建設(shè)過程中,會把高壓線等設(shè)施架設(shè)在鐵路的上方,而這些接觸網(wǎng)線路會產(chǎn)生感應電流。而且列車運行過程中產(chǎn)生的牽引電流回流對軌道電路設(shè)備的干擾是很大的[4]。高速鐵路以大地和鋼軌作為電流回路的電氣網(wǎng)絡屬于非對稱性電路，四周存在的未被平衡的電磁場會對其影響范圍內(nèi)的電氣設(shè)備和人員造成不利影響。

(三)受電弓電傳遞路徑。單相交流電經(jīng)牽引變壓器降壓，(其中初級繞組經(jīng)過另一個受電弓從負極接觸網(wǎng)回到變電所)，隨后經(jīng)過整流器的整流作用使其輸出為直流電，(此為中間直流環(huán)節(jié)，其意義在于間接變頻，使逆變器輸出的三相交流電頻率與牽引變壓器發(fā)出的交流電頻率沒有任何關(guān)系，同時還能起到濾波、穩(wěn)壓和隔離的作用)，最后經(jīng)過逆變器再將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)壓、可變頻的三相交流電，向車內(nèi)的交流電動機供電。

當受電弓滑板與接觸網(wǎng)在機械上發(fā)生了脫離，會導致接觸線與滑板之間產(chǎn)生很高的電場，該電場將擊穿接觸線與滑板間的空氣，使牽引電流通過被擊穿的空氣延續(xù)，由此產(chǎn)生了電弧。弓網(wǎng)在接觸和脫離的瞬間都會出現(xiàn)電弧，但脫離瞬間產(chǎn)生的電弧要比接觸時強烈的多。弓網(wǎng)電弧雖然維持了牽引電流的連續(xù)性，但電弧溫度極高，可達6,000～8,000度，弓網(wǎng)電弧的燃燒和淬滅不僅會使車載高壓設(shè)備頻繁承受過電壓的沖擊,而且產(chǎn)生的高溫還會加速弓網(wǎng)電極材料的磨損,縮短受電弓滑板與接觸線的壽命,甚至導致接觸網(wǎng)導線斷線，造成嚴重的損害[5]。因此弓網(wǎng)之間的電弧現(xiàn)象需要避免，但是由于接觸網(wǎng)存在高低和凹凸不平的誤差，因而弓網(wǎng)電弧是無法完全杜絕的，只能通過某些手段降低其影響。

最后，可以采用快速收弓的方法。受電弓與接觸網(wǎng)脫離過程的時間越長，擊穿電壓越大，從而產(chǎn)生的電弧更強烈。因此，在一定程度上加快受電弓脫離速度有抑制電弧的作用。