趙瑋

摘? 要：在城市軌道交通系統(tǒng)中，牽引供電制式的選擇是直流牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的基礎(chǔ)，本文是從城市軌道交通牽引供電制式中的電壓制式和受電制式兩方面進(jìn)行研究，對(duì)各自制式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，研究出在不同的城市軌道交通系統(tǒng)中如何選擇牽引供電制式，并結(jié)合未來(lái)城市軌道交通的發(fā)展方向，提出了相對(duì)優(yōu)選的牽引供電制式。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通系統(tǒng)?? 牽引供電制式?? 電壓制式?? 受電制式

一、牽引供電制式中電壓制式的對(duì)比

“電”一直是城市軌道交通系統(tǒng)的能量提供形式，在傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)中，有采用直流系統(tǒng)，也有采用交流系統(tǒng)的。結(jié)合國(guó)內(nèi)外多年發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定的電壓制式有單相工頻25kV交流制式、直流750V和直流1500V三種常用制式。其中單相工頻25kV交流制式一般適用于運(yùn)量大、負(fù)荷重、速度高、運(yùn)輸距離長(zhǎng)的干線電氣化鐵路，而城市軌道交通的特點(diǎn)是快速、便捷、短運(yùn)距、并成網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，因此單相工頻25kV交流制式并不適用于城市軌道交通系統(tǒng)，因此不做比較，僅對(duì)直流750V和直流1500V電壓制式進(jìn)行比較。

直流750V和直流1500V兩種電壓制式只有電壓等級(jí)不同，因此從電壓等級(jí)的影響方面進(jìn)行對(duì)比，在相同負(fù)荷條件下，電壓等級(jí)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響主要有供電牽引距離、絕緣距離以及線路損耗。

1、對(duì)牽引距離影響的對(duì)比

根據(jù)平均運(yùn)量法中最大瞬時(shí)壓降的計(jì)算方法，雙邊供電時(shí)：

—最大瞬時(shí)壓降

—列車最大啟動(dòng)電流

L—供電牽引距離

r—每公里饋出線的電阻值

m—饋出段內(nèi)的列車數(shù)

—列車平均電流值

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T10411-2005中的相關(guān)規(guī)定：直流750V最大允許壓降為250V，而直流1500V最高允許壓降為500V。

列車啟動(dòng)電流，在相同負(fù)荷情況下，直流1500V系統(tǒng)是直流750V系統(tǒng)的列車啟動(dòng)電流的50%。

因此，在理論計(jì)算中，直流1500V的供電距離是直流750V供電距離的2—3倍。但因采用走行軌回流，走行軌電阻率高，過(guò)長(zhǎng)距離會(huì)增加線路損耗，造成鋼軌軌電位提高，因此供電距離并不呈現(xiàn)成倍增長(zhǎng)，在實(shí)際的應(yīng)用中直流1500V的供電距離一般為3—4公里，而直流750V系統(tǒng)的供電距離一般不超過(guò)2公里。

電壓等級(jí)的提高使供電牽引距離大大增加，直流牽引系統(tǒng)的組網(wǎng)更加靈活、簡(jiǎn)便。牽引距離的增加也使?fàn)恳冸娬镜臄?shù)量大大減少，節(jié)省了工程的投資，因此直流1500V制式在牽引供電能力上有更大的優(yōu)勢(shì)。

2、對(duì)絕緣距離影響的對(duì)比

電壓等級(jí)越高，供電系統(tǒng)對(duì)絕緣的要求越高，牽引供電系統(tǒng)的導(dǎo)流部分采用裸露的金屬材料，對(duì)車體與建筑物的絕緣采用空氣間隙絕緣，除支撐部分使用絕緣子（絕緣瓷瓶）外，根據(jù)GB/T 10411-2005中的相關(guān)規(guī)定，帶電體與建筑物、車體之間應(yīng)滿足下表中最小安全凈距的要求：

帶電體與建筑物、車體間最小安全凈距

直流1500V比直流750V的靜態(tài)安全凈距高出了4倍。安全凈距的加大直接影響的就是對(duì)建筑物及車體安全距離的加大，相應(yīng)的土建建設(shè)投資以及設(shè)備設(shè)計(jì)難度也將增加，而且電壓等級(jí)的升高對(duì)人身安全的影響也更加嚴(yán)重。因此直流750V制式對(duì)安全防護(hù)的要求更低，在工程運(yùn)用中更加容易。

3、對(duì)線路損耗的影響的對(duì)比

在對(duì)能源的節(jié)約利用方面，因電壓等級(jí)的提高，相同負(fù)荷條件下，直流1500V系統(tǒng)的正常工作電流是直流750V系統(tǒng)的正常工作電流的50%。

根據(jù)：

p=Ir

p：損失在線路上的功率

I：正常工作電流

r：線路縱向電阻

牽引電流的降低，損失在線路上的功率將大大降低。因此，在相同的牽引機(jī)組容量下，直流1500V制式比直流750V制式所能輸出的功率更高，使得牽引系統(tǒng)有了更高的容載能力。

綜上所述，直流1500V電壓制式在軌道交通中應(yīng)用擁有投資低、組網(wǎng)靈活、容載能力強(qiáng)、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，而其中的絕緣距離加大等問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)加大建筑結(jié)構(gòu)的方法解決，而且與城市軌道交通的發(fā)展方向一致，相較于其他兩種制式有更大的優(yōu)勢(shì)。

二、牽引供電制式的受電制式的對(duì)比

牽引供電系統(tǒng)的受電方式是指將電能提供給列車的方式，在傳統(tǒng)的受電方式中，正極主要有第三接觸軌受電方式以及架空接觸網(wǎng)受電方式，負(fù)極多采用走行軌回流的方式，在一些新型的軌道交通系統(tǒng)中，也有采用第四接觸軌回流的方式。

1、正極受電制式的對(duì)比

第三接觸軌受電方式在北京地鐵有著豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，第三接觸軌系統(tǒng)主要由接觸軌、絕緣支架（或絕緣瓷瓶）及其底座、防護(hù)罩、隔離開關(guān)、上網(wǎng)電纜等元件組成，車輛通過(guò)受電靴給列車供電，擁有組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、后期維護(hù)少的特點(diǎn)，接觸軌材質(zhì)現(xiàn)多采用鋼鋁復(fù)合軌，導(dǎo)電材料為鋁，導(dǎo)電截面積可以達(dá)到4390mm2，電阻≤0.0078Ω/km，相當(dāng)于銅材質(zhì)導(dǎo)電截面積約為2680mm2，載流能力在所有受電形式中首屈一指。但接觸軌在供電分區(qū)處需有14m左右的斷電區(qū)用來(lái)隔離供電區(qū)間，造成列車供電連續(xù)性差;在接觸軌端頭處需設(shè)置適當(dāng)縱向坡度的端部彎頭供受電靴與接觸軌接觸，接觸斷開時(shí)拉弧打火現(xiàn)象嚴(yán)重，高速時(shí)還會(huì)對(duì)受電靴造成較大沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞受電靴，甚至造成接觸軌接地短路等事故，因此，接觸軌受流列車運(yùn)行速度一般被限制在≤90km/h，存在一定的局限性。

架空接觸網(wǎng)受流制式來(lái)源于電氣化鐵路，是車輛利用受電弓接觸懸置在車輛上方的帶電接觸線為列車提供電能的一種受電方式，最早的架空接觸網(wǎng)采用柔性懸掛方式，由接觸線、支持裝置、定位裝置、補(bǔ)償裝置、架空地線、支座等組成，構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期維護(hù)量大，可靠性較接觸軌系統(tǒng)有所降低，因此在柔性架空接觸網(wǎng)的基礎(chǔ)上又發(fā)展了剛性架空接觸網(wǎng)，剛性架空接觸網(wǎng)改變了傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)的懸掛式安裝方式，使用剛性匯流排將接觸線固定，剛性接觸網(wǎng)提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了后期維護(hù)工作，又保留了柔性接觸網(wǎng)供電連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)，不存在斷電區(qū)，適用于高速運(yùn)行的列車，最高運(yùn)行速度可達(dá)到140km/h，但剛性架空接觸網(wǎng)也有一定的局限性，因其安裝特性，只能運(yùn)用于隧道內(nèi)，在高架區(qū)段仍要使用柔性懸掛方式，并且需要在相接處設(shè)置剛?cè)徇^(guò)度裝置。

綜上所述，根據(jù)軌道交通系統(tǒng)發(fā)展方向，在正極受電制式中，剛性架空接觸網(wǎng)形式因其供電連續(xù)性好，可靠性高，后期維護(hù)少，運(yùn)行速度高等特點(diǎn)，在正極受電制式中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，相較于第三接觸軌方式也有較大的優(yōu)勢(shì)。

2、負(fù)極回流制式的對(duì)比

在現(xiàn)有的城市軌道交通系統(tǒng)中，無(wú)論是第三接觸軌系統(tǒng)還是架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)，多數(shù)都采用了利用走行軌作為回流路徑的方式，但因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)要求絕緣安裝，走行軌作為直流系統(tǒng)的一部分也許要絕緣安裝，但走行軌是主要承載列車重量的元件，多采用60kg/m鋼軌，相較于銅鋁材質(zhì)的接觸軌（網(wǎng)）電阻率高，使得線路縱向電阻過(guò)高，線路損耗大，造成走行軌對(duì)地電位升高，又因?yàn)闊o(wú)法使用絕緣子（絕緣瓷瓶）等作為主絕緣，只能采用鋪設(shè)絕緣層，使用絕緣扣件等方式加強(qiáng)走形軌絕緣，但絕緣效果并不好（地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50157-2003）中規(guī)定，對(duì)新建線路走行軌對(duì)地電阻之間的過(guò)渡電阻值要求為不小于15Ω·km）。走行軌對(duì)地絕緣不良，對(duì)地電位升高，直接造成了雜散電流的增大，進(jìn)而產(chǎn)生了對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋及金屬管線的電腐蝕等問(wèn)題，降低了地鐵系統(tǒng)的使用壽命。

為了解決雜散電流的問(wèn)題，可以從幾個(gè)方面進(jìn)行研究，一降低走行軌縱向電阻同時(shí)增強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣的方式，但鋼軌的材質(zhì)局限了這方面的研究方向，只能采取走行軌并接電纜，走行軌間增加均流電纜的方式，減小走行軌的縱向電阻;而增強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣的方式也沒(méi)有找到好的方法，因此，第二個(gè)研究方向應(yīng)運(yùn)而生，使走行軌脫離回流路徑的角色，使用專用的回流路徑，即第四軌回流方式，第四軌回流可以使用與接觸軌（網(wǎng)）相同材質(zhì)的銅、鋁或合金等材料，起到降低回流系統(tǒng)電阻率的目的，并可以利用絕緣支架（或絕緣瓷瓶）等元件加強(qiáng)回流路徑的絕緣電阻，使直流系統(tǒng)完全對(duì)地絕緣。從而杜絕雜散電流的問(wèn)題。

第四軌回流技術(shù)需對(duì)車輛結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配置也有較大影響，現(xiàn)在只在一些新型的軌道交通系統(tǒng)中有所運(yùn)用（如低速磁懸浮系統(tǒng)），但應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)過(guò)少，因此第四軌回流方式的應(yīng)用還需要進(jìn)行更多的科學(xué)論證和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。因此走行軌回流的方式依舊是未來(lái)軌道交通中最多采用的方式。

三、結(jié)論

結(jié)合上述的研究分析結(jié)果以及在以往的應(yīng)用實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)：

直流750V系統(tǒng)因其供電能力的限制，多采用第三接觸軌受電，走行軌回流的方式，此種方式適用于短運(yùn)距，低載荷，低運(yùn)行速度的城市軌道交通系統(tǒng)。

直流1500V供電距離長(zhǎng)，容載能力強(qiáng)，多采用架空接觸網(wǎng)受電制式，走行軌回流的方式，適用于長(zhǎng)運(yùn)距、高載荷、高運(yùn)行速度的城市軌道交通系統(tǒng)。

直流750V接觸網(wǎng)供電制式，根據(jù)上述的分析結(jié)論，直流750V電壓制式的供電能力有限，運(yùn)距短，不能充分體現(xiàn)出接觸網(wǎng)系統(tǒng)高運(yùn)行速度的特性，因此直流750V接觸網(wǎng)制式并不合理，不適用于工程應(yīng)用。

直流1500V第三接觸軌供電制式，此種供電制式也是爭(zhēng)議最大的，電壓等級(jí)的提高，使得第三接觸軌對(duì)建筑物，對(duì)車體的安全凈距要求也有了較大的提高。對(duì)建筑物及支撐絕緣可以通過(guò)加大建筑結(jié)構(gòu)，提高絕緣支座絕緣等級(jí)的方式解決，但接觸軌位于列車下方，安裝的空間有限，如何保證接觸軌對(duì)車體的安全凈距是一個(gè)急需解決的課題，在現(xiàn)有的應(yīng)用上，還沒(méi)有定型的產(chǎn)品予以驗(yàn)證，而接觸軌采用下部受流方式，接觸軌與車體間增加絕緣護(hù)板的方式，以此來(lái)減小安全凈距的方式是一個(gè)解決此問(wèn)題的方向，但因沒(méi)有確切的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其安全性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

結(jié)合未來(lái)城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)，直流1500V剛性架空接觸網(wǎng)供電制式應(yīng)當(dāng)是未來(lái)城市軌道交通牽引供電制式的最優(yōu)選擇。而隨著科技的不斷發(fā)展，雜散電流的問(wèn)題也被越來(lái)越多的專家學(xué)者所關(guān)注，如何解決雜散電流問(wèn)題已成為軌道交通行業(yè)的一個(gè)重要課題，除了從減小走形軌電阻率和加強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣的方面進(jìn)行研究外，第四軌回流方式作為可以徹底解決雜散電流問(wèn)題的方法，應(yīng)該作為一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。

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