在德國，鐵路作為非常環(huán)保的公共交通工具為氣候保護做出了重大貢獻。為實現(xiàn)氣候保護的目標，德國鐵路股份公司（DB）計劃在2038年之前將牽引電力中的綠色電力占比提高到100%，并推動替代牽引器（替代內(nèi)燃牽引）在非電氣線路上的使用。通過推廣接觸網(wǎng) - 蓄電池混合動力列車（以下簡稱“電池動力列車”）及其所需基礎設施相關的創(chuàng)新解決方案，鐵路領域的二氧化碳（CO2）排放量將繼續(xù)大幅減少。而此類基礎設施的建造和應用必須依據(jù)適當?shù)姆煞诸悺?/p>

1 研究背景

德國聯(lián)邦政府在鐵路運輸方面的目標是進一步提高德國鐵路線路網(wǎng)絡的電氣化水平，以減少內(nèi)燃牽引所占的份額及其帶來的CO2排放。目前，DB下屬線路網(wǎng)絡子公司（DB Netz AG）所擁有的33000km線路網(wǎng)絡中有60%實現(xiàn)了電氣化。根據(jù)2018年3月簽署的聯(lián)盟協(xié)議，德國聯(lián)邦政府已承諾至2025年將德國鐵路線路網(wǎng)絡的電氣化水平提高到70%。

此目標可通過2種方法實現(xiàn)：①實現(xiàn)線路的完全電氣化;②在非電氣化或部分電氣化線路上使用更多有替代牽引器的列車。目前，替代動力列車是鐵路區(qū)域客運領域的關注焦點，因為在該領域，內(nèi)燃牽引仍然占有超過1/3的份額。各鐵路區(qū)域客運公司正在進行或準備替代動力列車的招標，以備未來之需。

對于即將在線路網(wǎng)絡上投入使用的電池動力列車，DB Netz AG也應對其所需的基礎設施進行可靠的法律分類。而接觸網(wǎng)充電島設施作為此類列車通過接觸網(wǎng)取電的必要供電設施，也應包括在現(xiàn)有法律框架中，以保證其法律確定性，從而促進這種創(chuàng)新車輛技術的推廣。

2 電池動力列車供電設施

電池動力列車是具有電氣牽引系統(tǒng)和蓄電池的軌道車輛，無CO2排放，是內(nèi)燃牽引列車的替代方案。目前，多家制造商正在對其進行測試。電池動力列車的設計理念是通過受電弓從接觸網(wǎng)中獲取所需的電流，為列車提供動力以及為蓄電池充電，因此該列車可以在配備15kV16.7Hz接觸網(wǎng)的現(xiàn)有線路上行駛。通過受電弓為蓄電池充電，不受列車運動狀態(tài)的影響，在列車行駛和停止時都可進行。用于充電和牽引的電能可通過列車上已有的測量設備（如牽引電能測量記錄儀，TEMA-Box）進行記錄。

在德國，由DB下屬能源子公司（DB Energie GmbH）的牽引供電網(wǎng)負責為電動列車供電。牽引供電系統(tǒng)基本結構如圖1所示。

在為電氣化鐵路供電時，16.7 Hz牽引電流饋電可分為以下3種主要形式。

（1）由牽引發(fā)電所饋電。這些發(fā)電所生產(chǎn)電能并將其直接饋入DB Energie GmbH的110 kV 16.7 Hz牽引供電網(wǎng)。

（2）由中央變流站/變電所饋電。該設施將來自上游公共配電網(wǎng)的50 Hz電流轉(zhuǎn)換為16.7 Hz牽引電流，并將其饋入110 kV 16.7 Hz牽引供電網(wǎng)。

（3）由分散式變流站/變電所饋電。該設施將來自上游公共配電網(wǎng)的50 Hz電流轉(zhuǎn)換為16.7 Hz牽引電流，并將其饋入15 kV 16.7 Hz接觸網(wǎng)系統(tǒng)。

DB Energie GmbH全長約7800 km（德國境內(nèi)）的110 kV 16.7 Hz牽引供電網(wǎng)將牽引電流從各種電源（發(fā)電廠、變流站等）處輸送到各個配電站，而配電站負責將牽引供電網(wǎng)的高壓轉(zhuǎn)換為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的中壓，以使電動列車可通過受電弓獲得所需的牽引電流。

110 kV 16.7 Hz牽引供電網(wǎng)由總控制站監(jiān)視和控制。15 kV 16.7 Hz接觸網(wǎng)系統(tǒng)分為7個區(qū)域，每個區(qū)域都由DB Energie GmbH在不同地區(qū)的集中控制所監(jiān)視和控制。

牽引供電網(wǎng)運營商負責為終端用戶和電力供應商接入電網(wǎng)辦理各種業(yè)務流程，包括與各個商業(yè)合作伙伴（終端用戶、電力供應商、服務商和其他電網(wǎng)運營商）進行營銷溝通，處理電力供應商變更流程，平衡電能用量，以及計算電網(wǎng)使用費用。這些業(yè)務流程基本上與50Hz公共配電網(wǎng)的相關規(guī)定一致，但也有一些特殊之處，以滿足鐵路交通的特定需求。鐵路交通電力供應有2個特點，具體如下。

（1）電網(wǎng)連接的計費點和取電點是動車單元，而電力供應的計費點則為虛擬取電點（將鐵路運輸公司的多個動車單元組合在一起）。通過這種方式，可在遵守各鐵路運輸公司供電協(xié)議的同時，反映鐵路行業(yè)中常見的短期動車變更。而在50 Hz公共配電網(wǎng)中，用于電網(wǎng)連接與電力供應的計費點是重合的。由于動車單元是能源行業(yè)中特殊的移動用戶，可以在牽引供電網(wǎng)內(nèi)自由移動，因此，牽引供電網(wǎng)運營商也需要界定動車單元在其電網(wǎng)范圍內(nèi)部和外部（尤其是國外）的電能消耗。

（2）可由分散式變流站/變電所供電。例如，德國東北部接觸網(wǎng)區(qū)段由連接各地區(qū)50 Hz公共配電網(wǎng)的變流站和變電站供電，用電情況由牽引供電網(wǎng)接入模型（未與鐵路供電輸電線網(wǎng)直接鏈接）檢測和記錄。由于鐵路運輸公司在分散式牽引供電網(wǎng)區(qū)域中的業(yè)務與在其他區(qū)域中相同，可采用統(tǒng)一的電網(wǎng)接入模型，因此不同的電網(wǎng)結構對列車運行沒有影響，整個線路網(wǎng)絡中的所有牽引供電設施對于鐵路運輸公司來說都是連續(xù)可用的。所有鐵路運輸公司均可使用DB Netz AG的線路網(wǎng)絡和DB Energie GmbH的牽引供電網(wǎng)。

電池動力列車通常能夠在配備15 kV 16.7 Hz接觸網(wǎng)的電氣化線路網(wǎng)絡之外運行，因為在這些區(qū)段列車可由蓄電池供電。如果線路的非電氣化區(qū)段過長，列車無法在蓄電池不充電的情況下安全通過，則必須為蓄電池充電。為此，可以設置接觸網(wǎng)充電島設施，或者在車站中及車站之間的某些線路區(qū)段裝配接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)及其供電設施的技術設計必須符合DB法規(guī)。借助這些設施，可以在列車行駛和停止時給蓄電池充電。接觸網(wǎng)充電島設施可以安裝在車站外的某些線路區(qū)段。該設施與DB Netz AG線路網(wǎng)絡中其他區(qū)域裝配的接觸網(wǎng)具有相同的技術和操作要求。

電池動力列車的電能只能由《互操作性技術規(guī)范》（TSI）允許的牽引供電系統(tǒng)提供，即15kV16.7Hz或者25kV50Hz系統(tǒng)。對于上述2種系統(tǒng)的選擇取決于車輛的需要。應當注意，根據(jù)當前的電池動力列車理念，需要使用現(xiàn)有的接觸網(wǎng)基礎設施，因此應配備適用于15kV16.7Hz系統(tǒng)的車輛。而使用25kV50Hz系統(tǒng)意味著該線路允許多電流制車輛行駛。

電池動力列車牽引供電系統(tǒng)基本結構如圖2所示。

通過接觸網(wǎng)充電島設施為電池動力列車供電也是通過分散式變流站或變電站實現(xiàn)的。上述設施將來自上游公共配電網(wǎng)的三相50Hz電流轉(zhuǎn)換為15kV16.7Hz或25kV50Hz的單相牽引電流。與一般變流站或變電站的區(qū)別在于，其輸出功率通常較低（每個模塊2.5MVA，可級聯(lián)至最高5MVA）。與現(xiàn)有的接觸網(wǎng)系統(tǒng)一樣，接觸網(wǎng)充電島設施也是由DBEnergieGmbH的地區(qū)集中控制所控制和監(jiān)測。

3 接觸網(wǎng)充電島設施的法律分類

以下框架條件對于接觸網(wǎng)充電島設施的法律分類特別重要。

（1）通過受電弓從接觸網(wǎng)受流，為列車蓄電池充電。

（2）應根據(jù)線路拓撲，在完全電氣化線路、即將實現(xiàn)電氣化的線路區(qū)段和將要新裝接觸網(wǎng)設施的車站，利用接觸網(wǎng)，在列車駛入、駛出或者停車時為蓄電池充電。

（3）應使用車輛現(xiàn)有的測量設備對充電獲得的電能進行測量和記錄。

（4）各鐵路運輸公司可以自由選擇為蓄電池充電的電力供應商。

3.1 法律分類依據(jù)

對接觸網(wǎng)充電島設施進行法律分類必須基于適用的鐵路法規(guī)框架。電氣化線路上的現(xiàn)有接觸網(wǎng)系統(tǒng)無疑應歸類為基于線路的牽引供電設施。各鐵路線路運營商應根據(jù)《德國普通鐵路法》第4章第7條的規(guī)定配備此類設施。對于此類設施的使用和計費應遵守《德國鐵路管制法》的規(guī)定。但問題在于，這些法律要求是否同樣適用于接觸網(wǎng)充電島設施，或者其分類方式是否可以不同。

由于《德國普通鐵路法》和《德國鐵路管制法》中對于上述框架條件的規(guī)定是以“基于線路”為前提，因此必須評估接觸網(wǎng)充電島設施是否同樣符合法律所要求的“基于線路”的條件，以確定能否將其分類為基于線路的牽引供電設施。那么，首先應該界定 “基于線路”的含義，確定立法者在引入“基于線路”的概念時打算劃定什么界限，以及其他牽引供電設施指什么。因為不存在其他提供牽引電流的基礎設施系統(tǒng)，本文認為其他牽引供電設施即為接觸網(wǎng)系統(tǒng)上游的電氣工程系統(tǒng)。鐵路法規(guī)通過引入“基于線路”的概念將接觸網(wǎng)系統(tǒng)和接觸軌與其他牽引供電系統(tǒng)區(qū)分開，并規(guī)定這2個系統(tǒng)由鐵路線路運營商運營;而對于其他牽引供電系統(tǒng)，法規(guī)沒有明確規(guī)定，可以由鐵路基礎設施公司運營。相關法律材料也證明了這一點。《德國普通鐵路法》第4章第3條中規(guī)定：“基于線路的牽引供電設施應由鐵路線路運營商運營，包括接觸網(wǎng)和接觸軌。電氣化所需的所有其他系統(tǒng)（如發(fā)電所、鐵路供電輸電線、變電所，以及從發(fā)電所到接觸網(wǎng)或接觸軌的導線）均不屬于上述設施?！?/p>

此外，法律還規(guī)定，基于線路的牽引供電設施包括線路上各區(qū)段的所有牽引供電設施，當然也包括相對較短的接觸網(wǎng)區(qū)段。由于接觸網(wǎng)充電島設施除線路跨接段的長度之外，具有與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)系統(tǒng)基本相同的技術設計，因此也應包含在“基于線路的牽引供電設施”這一概念中。雖然電池動力列車裝配有蓄電池，但是蓄電池中存儲的電能也是用于牽引列車，因此對上述結論無影響。

對接觸網(wǎng)充電島設施進行法律分類時，鐵路車輛在使用接觸網(wǎng)時的狀態(tài)（停止或行駛）并不重要。沒有法條表明該設施的法律分類取決于使用方式，即法律未規(guī)定“基于線路”需要車輛移動。若根據(jù)使用方式分類，當接觸網(wǎng)在停車信號機區(qū)域內(nèi)時，電動列車如果駛過相關的線路區(qū)段，則必須將此接觸網(wǎng)分類為基于線路的牽引供電設施;相反，電動列車若在停車信號機前停止，則上述分類不成立。這一示例清楚地表明，如果根據(jù)使用時列車的運動狀態(tài)（行駛或停止）來分類，則很大程度上取決于巧合，因此不可取。

3.2 分類后優(yōu)點

將接觸網(wǎng)充電島設施歸類為基于線路的牽引供電設施有以下優(yōu)點。

（1）可以全面且充分地將責任分配給鐵路線路運營商，從而保障鐵路的安全運營。此外，這意味著適用于電動列車運營商的牽引供電網(wǎng)接入規(guī)則和業(yè)務流程對于接觸網(wǎng)充電島設施也同樣適用。

（2）可以根據(jù)牽引供電網(wǎng)接入模型中已創(chuàng)建的的業(yè)務流程，無差別地向接觸網(wǎng)充電島設施供電，無論其連接的是110 kV牽引供電網(wǎng)，還是50 Hz公共配電網(wǎng)。在這2種情況下，都將按照統(tǒng)一的法律規(guī)定準許相關鐵路運輸公司使用電網(wǎng)。

（3）可以完全避免在接觸網(wǎng)充電島設施上購買牽引電流需遵循不同法規(guī)和業(yè)務流程的現(xiàn)狀。統(tǒng)一分類前，由于作為使用者的鐵路運輸公司難以對各種接觸網(wǎng)充電島設施進行一致的分類，因此不得不在使用方式和使用費方面遵循不同的業(yè)務流程;分類后，所獲得的牽引電流也可以由車輛上安裝的測量設備記錄，并且通過牽引供電網(wǎng)接入模型來計費。供電時，可遵循電力供應商的供電協(xié)議執(zhí)行。由于通過接觸網(wǎng)充電島設施購買電力不會對供電協(xié)議產(chǎn)生影響，因此電力供應商也可以使用上述業(yè)務流程。

4 結語

根據(jù)相關法律，應將接觸網(wǎng)充電島設施分類為基于線路的牽引供電設施，與現(xiàn)有接觸網(wǎng)的分類相同。這種分類要求鐵路線路運營商對接觸網(wǎng)充電島設施承擔全面的責任，其中包括供電和監(jiān)控。

另外，這種分類使牽引供電網(wǎng)接入流程可適用于接觸網(wǎng)充電島設施，且無需另外制定業(yè)務流程。這意味著鐵路運輸公司與牽引供電網(wǎng)運營商之間的入網(wǎng)規(guī)定可以同時適用于安裝或未安裝蓄電池的牽引車輛。無論是在接觸網(wǎng)充電島設施上還是在現(xiàn)有接觸網(wǎng)上購買電力，每次牽引電流供應均可按照統(tǒng)一流程進行辦理。

為了讓鐵路運輸公司能夠自由選擇電力供應商，牽引供電網(wǎng)運營商建立了自動化的業(yè)務流程。當使用接觸網(wǎng)充電島設施時，鐵路運輸公司能夠靈活地選用各種牽引車輛。在現(xiàn)有業(yè)務流程的基礎上，可根據(jù)鐵路運輸公司實際使用的牽引車輛數(shù)量確定該公司的牽引能耗。

參考文獻

[1]Stefan el-Barudi， Marcus Kliefoth， Florian Baentsch. Stromversorgung von Batteriezügen mittels Oberleitung[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019（10）：56-62.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-01-06