城市軌道交通牽引供電及電力技術(shù)的應(yīng)用研究

茅臺學(xué)院實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)中心 肖 杰

1 引言

當前，隨著居民對于出行需求及品質(zhì)要求的不斷提升，各類交通工具開始出現(xiàn)，在提升人們出行效率的基礎(chǔ)上，人們的出行品質(zhì)也得到提升[1]。現(xiàn)如今，全球各類軌道交通工具都具有自身鮮明的特點，如可減少環(huán)境污染等問題。與此同時，在軌道交通運輸工具運行過程中產(chǎn)生的噪音更少，以及不存在產(chǎn)生道路擁擠等情況[2]。目前，軌道交通工具的出現(xiàn)，正在悄無聲息地改變?nèi)藗兊纳睿瑸榫徑獬鞘薪煌▔毫Γ嵘鞘械恼w風(fēng)貌和地位有著十分重要的意義。

從目前軌道交通城市運輸網(wǎng)絡(luò)的整體發(fā)展情況來看，交通工具的研制和創(chuàng)新走在前列，但與之相匹配的各類配套設(shè)施發(fā)展相對較慢，已經(jīng)成為制約軌道交通行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[3]。如牽引和供電技術(shù)作為軌道交通領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)，是城軌、地鐵、有軌電車等交通工具的核心供電設(shè)備[4]。隨著近年來的技術(shù)變革，以及軌道交通運輸行業(yè)發(fā)展速度日益加快，城市人口數(shù)量的不斷增加，供電方式也發(fā)生了一系列創(chuàng)新變革，已經(jīng)由傳統(tǒng)的交流直流兩類牽引供電方式逐步向雙直流供電方式轉(zhuǎn)化[5]。

鑒于此，本文將對軌道交通行業(yè)中牽引供電以及其相關(guān)的核心技術(shù)進行討論研究，具體研究情況如下文。

2 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)

一般而言，軌道交通基本包括地鐵、輕軌、電力公交等不同的交通類型。從全球來看，首條地鐵線路始建于英國，在歷經(jīng)9年的摸索之后，開始進入正常使用階段。在首條鐵路線運營的過程中，其動力提供方式主要是采用蒸汽機的方式，蒸汽機的出現(xiàn)為軌道交通行業(yè)的發(fā)展起到了先河作用。直至后來，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，以及城市規(guī)模的不斷擴大，交通問題逐步發(fā)展成為阻礙城市現(xiàn)代化進程的主要問題。某些發(fā)達國家在面對以上問題時，開始逐步探索新型交通方式，軌道交通逐步進入研究人員的視野。當前，我國已經(jīng)成為軌道交通運營里程最長的國家之一，北京和上海已經(jīng)形成了較大規(guī)模的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，隨著城市交通業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，軌道交通工具已經(jīng)成為居民出行的主要交通選擇方式之一。在軌道交通生態(tài)圈內(nèi)，供電系統(tǒng)是核心技術(shù)，對于軌道交通行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響。牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展也正在不斷經(jīng)歷變革和創(chuàng)新，隨著城市人口數(shù)量不斷增長，城市交通問題已成為影響生活品質(zhì)基本的原因。然而牽引供電系統(tǒng)是影響軌道交通裝置運行是否順暢的主要因素之一。

現(xiàn)如今，在城市有軌電車、地鐵、輕軌、高速動車等軌道交通類列車中，均采用牽引供電系統(tǒng)供電。在國內(nèi)外供電領(lǐng)域的核心專家的廣泛研究基礎(chǔ)上，供電方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的直流、交流兩類供電方式，逐步向雙直流供電方式轉(zhuǎn)化。

因此，本文將對兩類供電系統(tǒng)進行研究，探討兩類不同的供電形式的應(yīng)用場景及技術(shù)優(yōu)勢。同時，對相關(guān)的核心電力技術(shù)進行分析。

2.1 直流制式牽引供電系統(tǒng)

當前，直流制式牽引供電是軌道交通領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種供電方式，主要應(yīng)用于城軌、電車中。在供電過程中，直流制式牽引供電采取雙邊供電的方式，牽引電壓為直流1500V 或直流750V兩種。該供電方式能最大限度降低供電事故發(fā)生的概率，一旦在傳輸過程中某條線路出現(xiàn)問題，可以隨時對線路進行變化，輔助線路開始供電，快速滿足電路對于供電的基本需求，同時零散供電電能輸送方法，從而保障電能能夠更加快速地向各個供電網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，第一時間滿足其對電能的需求，并且能夠延伸電流傳輸?shù)木嚯x。

在此類供電系統(tǒng)中，主要是由主變電控制器、中壓環(huán)網(wǎng)、其他混合變電所等核心設(shè)備組成，其具體工作示意圖如圖1所示。在運行過程中，在供電線路的兩側(cè)采用主變電所提供電能，電力供應(yīng)過程中，采用中壓環(huán)網(wǎng)進行電力分配和控制，牽引變電所負責電力的接收機變壓，電分段為列車提供牽引供電。

圖1 直流供電系統(tǒng)運行示意圖

但是，該供電模式也存在其自身缺陷。由于其采用獨有的變電模式，使得電流在運輸過程中的長度會大大降低，進而對工程建設(shè)過程中所需要的建設(shè)投資成本要求比較高。在電能傳輸過程中，其傳輸效率比較低，無法較好的滿足用戶對于供電的需求。因此，經(jīng)過論證，直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢并不明顯。

2.2 交流制式牽引供電系統(tǒng)

在該供電系統(tǒng)中，均使用單向供電的方法進行的，在具體傳輸過程中使用雙變壓器開展電壓的轉(zhuǎn)化和變幻。在此種結(jié)構(gòu)內(nèi)部，存在兩個不同類型的端口，在具體設(shè)置過程中，會把其中任意一個端口設(shè)置為公共接口，其他端口可放置于接地一側(cè)，另作他用。在不同的變電所之間設(shè)置不同的分所，可以實現(xiàn)跨區(qū)域供電。

在交流制式供電過程中，需要長期保持動態(tài)電流狀態(tài)獲取，因此很有可能會瞬時產(chǎn)生接觸電壓，因此在電路設(shè)置過程中，需要安裝相關(guān)的耐磨設(shè)施，從而保障電路運行的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 兩類供電方式比較分析

根據(jù)上文所述，直流交流均存在其優(yōu)勢和劣勢之處。鑒于此，本文將從供電形式、供電設(shè)施、牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個方面進行主要技術(shù)特征比較。

表1 直流交流供電形式主要技術(shù)特征比較

在供電制式的選擇過程中，交流方式一般適用于距離相對較長的供電方式、高負荷、運量較大的鐵路線路，對于直流供電方式，其應(yīng)用場景一般為運行功率較小，供電距離比較短，并且列車需要頻繁啟停的鐵路線路。城市軌道線路運輸過程中，兩類供電方式均可以使用。另外，供電方式在選擇過程中，也不能一概而論，必須同時考慮路網(wǎng)規(guī)劃、項目預(yù)算等因素。通常情況下，對于線路較長、速度要求較高以及地下路段比較少的線路，一般選擇交流制式進行供電，對于地下區(qū)段長、隧道的凈空要求相對嚴格的鐵路線路，一般采用直流式供電方式。

3 電力技術(shù)分析

電力技術(shù)作為供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，在設(shè)計和制作過程中研發(fā)人員需要對相關(guān)的技術(shù)進行合理的使用，在線路設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計過程中，將電力的基本優(yōu)勢發(fā)揮出來，從而為牽引供電線路的穩(wěn)定運行提供保障，提升供電的效率。目前，在眾多電力系統(tǒng)中，該項技術(shù)是保障供電網(wǎng)絡(luò)不斷優(yōu)化設(shè)計的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，在對接觸網(wǎng)進行設(shè)計和安裝過程中，主要的電力技術(shù)要點如下。

3.1 剛性接觸

該種接觸網(wǎng)主要是使用硬質(zhì)金屬條來代替軟導(dǎo)線的一種新型的懸掛方式。隨著對該項技術(shù)研究的不斷完善，使用剛性接觸可以將“第三軌”接觸面積大的潛能開展深度挖掘，進而對因為鋼軌重量過高而不能對問題進行很好處置的問題進行解決。同時，在此種方式采用集電弓的方法，這便規(guī)避了在供電過程中發(fā)生集電靴脫落等現(xiàn)象，進而大幅提升了列車供電過程中的工作效率。

3.2 柔性接觸

一般簡單懸掛方式中部存在承力線，此種結(jié)構(gòu)簡化可以減輕支撐過程中的負荷。所以，該種懸掛在城市軌道交通以及無軌電車領(lǐng)域使用較為廣泛。該種結(jié)構(gòu)也存在著較大的缺陷，其缺陷主要為懸掛存在硬點，并且跨度相對較小，因本身導(dǎo)線原因會導(dǎo)致在實際使用過程中來回擺動。正因為此種接觸的缺陷，致使該接觸方式無法在高鐵線路中得到應(yīng)用。因此，近年來出現(xiàn)了一種鏈型懸掛，該種懸掛主要是將懸索裝置將承力線與導(dǎo)線進行直接關(guān)聯(lián)，避免了懸掛中出現(xiàn)的跨度小以及用點弱的現(xiàn)象，進而將懸掛應(yīng)用在城市地鐵建設(shè)過程中，使得其工作效率得到大幅提升。

3.3 第三軌

在軌道交通列車運行過程中，第三軌的結(jié)構(gòu)主要有絕緣體、防護套、接觸軌、鐵軌、軌枕等結(jié)構(gòu)組成，接觸軌主要是使用鋼鋁復(fù)合軌道材料，這樣不但能夠降低器材的具體損耗，并且減輕整體的重量，提升金屬的導(dǎo)電率。在使用過程中，線路的電能損耗比較少，受流方式主要分為上部、側(cè)部和下部受流三類。接觸頭根據(jù)形式可以分為，溫度伸縮接頭以及正常接頭兩種。其中，溫度接頭可以解決由于接軌溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮現(xiàn)象，正常接頭采用鋁制圍板材料，并且對導(dǎo)電軌道進行固化，避免出現(xiàn)伸縮縫的出現(xiàn)。

圖2 第三軌的結(jié)構(gòu)示意圖

該供電方式由于軌道結(jié)構(gòu)比較簡單，并不需要大量的懸掛結(jié)構(gòu)，因此其打造成本會比傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)低，因此眾多軌道交通供電系統(tǒng)并不存在專用接觸網(wǎng)。為了提高線路的導(dǎo)電性，第三軌技術(shù)使用的是鋁鋼復(fù)合材料，此外其單位電阻也小，基于這些優(yōu)點牽引網(wǎng)的能耗可以得到很好的改善。另外，相較傳統(tǒng)技術(shù)，也無需額外配備相應(yīng)的沿線電纜，從而降低了城市軌道交通的運營成本。而且，復(fù)合材料制作的接觸軌有耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)點，因此運維成本也比較低。

4 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)如今隨著我國軌道交通運輸行業(yè)壓力的不斷增大，動車、城軌和地鐵已經(jīng)成為人們主要的出行方式，以上出行方式滿足了人們對于出行的要求。通過不同供電技術(shù)運用使車輛高峰階段能夠保持穩(wěn)定運行，為城市軌道交通帶來較高的收益。因此，在未來應(yīng)該聚焦軌道交通牽引供電及相關(guān)核心電力技術(shù)的研究，從而不斷提升軌道交通工具運行的穩(wěn)定性和安全性，提升人們的出行品質(zhì)。