城市轨道交通的供电制式及馈电方式

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1 国内外城市轨道交通发展概况
          1.1已建成的城市轨道交通系统
        据不完全统计，全世界共有近115个城市修建了城市轨道系统，运营里程超过了7 000 km.在这些线路中，轨道和车辆主要采用钢轮钢轨系统，也有少量采用橡胶轮系统、独轨系统和其他系统。
       
        1.2车辆的供电电压制式和受流方式
        城市轨道系统的车辆供电电压制式主要有DC600V、DC750V、DC825V和DC1500V等几种。DC600V制式多见于二战前英、美等国家修建的一些城市轨道系统，DC825V主要见于前苏联诸国，后期建成的各国城市轨道系统的车辆受电电压制式多在DC750V和DC1500V两种制式中选用。对应于这两种供电制式，车辆的受流方式主要为集电靴式和受电弓式，因此，向车辆的馈电方式也相应为第三轨和接触网方式（还有少量的第四轨式，为橡胶轮系统、独轨系统和其他系统的车辆配套使用）。根据统计资料，超过80%的城市轨道系统运营线路采用第三轨供电方式，接触网方式则不足20%，且多为20世纪70年代以后建成的线路，客流高峰小时最大断面流量超过了6万人次。
       
        有关国家的铁道电气技术协会在1986年对世界各国铁道电力牵引（包括城市轨道交通）情况进行了调查，并根据当时的调查结果绘制了统计图，见图1。
         
       
         
        从图1中可以看出，随着世界城市化趋势的加剧，城市人口的增多，以及世界机电设备制造水平的提高，城市轨道交通所采用的牵引电压水平也在逐渐提高，特别是新建城市轨道交通的城市。
           
          2有关城市轨道交通供电电压制式的标准规定
          为了规范各国城市轨道交通的电压制式，国际电工委员会（IEC）、国际铁路联盟（UIC）和欧洲标准化委员会（EN），以及各国都提出了相应的标准。
         
        （1）IEC、UIC和EN规定的与城市轨道交通牵引电压（直流系统）有关的标准，分别见表1，表2和表3.
       
       
           
         
           
         
         
       
        （2）我国国家标准的规定。为了规范我国的轨道交通电力牵引供电电压，国家标准对地铁和城市有轨、无轨电车作了如下规定，分别见表4，表5.
       
         
        1991年国家建设部发文（建城[1991]785号）补充了城市轻轨的电压等级，明确采用GB5951《城市无轨电车和有轨电车供电系统》所列数值。但是，由于轻轨车辆选型上的灵活性（既可以选择小编组的地铁车辆，也可以选择轻轨专用的铰接式车辆），这样的规定显得过于刻板。
         
        由此，我国的城市轨道交通牵引电压制式有了明确的规定，并且符合国际标准的规定。
       
        3 DC750V和DC1500V电压制式的特点
          我国的城市轨道交通牵引电压制式无论是选用DC750V，还是选用DC1500V，均符合国家和国际标准的规定。但是，由于各城市间普遍存在的地理、人文、经济发展和城市规模等方面差异的影响，在确定采用何种牵引电压制式前了解这两种电压等级间的技术差异是很有意义的。
         
        （1）牵引变电所的供电距离。DC750V和1500V电压等级时牵引变电所的供电距离见表6.
        （2）DC750V与DC1500V馈电制式其他技术指标的比较见表7.
         
       
           
         
           
          4 第三轨馈电和接触网馈电方式的特点
          4.1第三轨馈电方式的特点
         
       
           
          城市轨道交通的第三轨馈电方式中向车辆馈电的第三轨（图2为上磨式，根据集电靴和第三轨配合的方式，还有侧磨式和下磨式等其他形式）设置在车辆的走行轨旁，距走行轨中心距离约为1.4 m，距轨面高度约0.44 m，由接触轨、端部弯头、防爬器、隔离开关和防护罩等组成，并用绝缘子支撑。与之相配合，车辆采用集电靴受流。图3给出了某城市车辆与上磨式第三轨配合的上磨式集电靴的照片。
         
       
         
        在国内，北京地铁和城轨、天津地铁，在建的武汉城轨采用这种方式。这种方式一般适用于DC 750V电压供电，国外有个别城市有采用DC 1000V电压供电而仍然使用第三轨馈电的报道，并且车辆最高运行速度一般在90 km/h以下。
         
       
        4.2接触网馈电方式的特点
          城市轨道交通的接触网馈电方式中向车辆馈电的接触网设置在车辆的走行轨上方，沿走行轨中心呈“之”字形走向（正线直线段为±200 mm，曲线段为±150 mm），距轨面最小高度约4.0 m（洞外地面为5.0 m），有柔性悬挂、弹性悬挂和刚性悬挂3种方式，弹性悬挂和刚性悬挂方式只能用于隧道中。柔性悬挂方式的接触网采用全补偿（正线）或半补偿（站场或岔线）简单链型悬挂，由接触导线、承力索、吊弦、导电连接线、辅助馈电线、绝缘子、坠坨和支持装置（在隧道外还包括支柱）等构成，锚段长度不大于1 500 m，隧道外的正线导线跨距不大于25 m；弹性悬挂则需要采用特制的专用弹性定位器（西门子专利），由接触导线、导电连接线、辅助馈电线、弹性定位器等构成；刚性悬挂方式的接触网则由接触导线、汇流排和绝缘子等构成。与之相配合，车辆采用受电弓受流。图4给出了某城市地铁车辆用的受电弓照片。
           
         
           
          这是一种单臂轻型弓，在国外，有的城市的车辆还使用双臂弓（类似于有轨电车使用的受电弓）。
         
        这种馈电方式适用于电压较高，但电流相对较小的DC1 500V电压供电，并且采用这种馈电方式的车辆最高运行速度可超过120 km/h.对于在地面上行驶的小运量轻轨车辆在线路不能完全封闭时也常常采用这种方式，此时供电电压也可以采用DC750V.
           
          （1）柔性悬挂。这种悬挂形式不受线路位置的影响。在隧道内采用这种悬挂方式约需要500 mm左右的安装空间，接触网张力约30 kN，全补偿。由于在隧道内接触线的绝缘和支撑装置易影响车辆的限界，需要在设计时校核。在国内，广州1号线全线、上海地铁1号线地面段、明珠线和在建的广州2号线地面段、深圳地铁全线和天津城轨滨海线采用了这种方式。见图5.
         
       
         
        地面上的接触网采用柔性悬挂形式。考虑到地面存在大气雷电的侵害，因此随接触网架设有一条接地保护线，并且在站场等重要场所增设避雷器。为了保证受电弓运行的连续性，通常在采用弹性悬挂和刚性悬挂接触网的隧道口设置一定距离的过渡段，然后再与柔性接触网连接。见图6.
         
       
          （2）弹性悬挂。这种悬挂方式仅适用于隧道，需要采用一种悬挂专用的弹性定位器，接触网张力约1 5 kN，半补偿。在国内，上海地铁1号线就在隧道中采用了弹性悬挂方式。
         
        采用这种方式需要约450 mm左右的安装空间。图7是西门子实验室内的单导线简单弹性悬挂，对于城市轨道交通，这种悬挂方式通常采用双导线简单弹性悬挂。
       
       
         
        （3）刚性悬挂。这种悬挂方式同样仅适用于隧道。刚性悬挂实际上就是把第三轨放置在了隧道的顶部（是一种由每段长约8～10 m的铝合金汇流排连接，和接触导线组成特殊的“第三轨”，又称作“Π”型结构。国外还有直接将第三轨或特制第三轨安装在隧道顶部的报道，即“T”型结构），安装高度约400 mm，但需要借助特殊的安装工具。见图8.
         
       
         
        在国内，广州地铁2号线中的地下线路将采用这种方式。
         
        第三轨和接触网馈电方式的经济、技术综合性能比较见表8。
       
           
          4.3第三轨和接触网馈电方式的电磁干扰
         
        无论是采用何种供、馈电方式，城市轨道交通在运行时都会产生对外界的电磁干扰。相同电流下采用DC750V第三轨（集电靴受流）和DC1500V接触网（受电弓受流）馈电方式时的电磁干扰场强分布见图9.
         
       
         
        由图9可以看出，在相同电流下采用DC750V第三轨（集电靴受流）和DC1500V接触网（受电弓受流）馈电方式时接触网馈电方式所产生的电磁干扰要高于第三轨馈电方式。但是，由于相同功率下采用DC750V第三轨（集电靴受流）方式时的电流远大于DC1500V接触网（受电弓受流）馈电方式，并且接触网——受电弓受流模式的离线率又低于第三轨——集电靴受流模式，而电流和离线率又是影响电磁干扰强度和持续时间的重要因素，因此笼统地说采用DC750V第三轨（集电靴受流）馈电方式所产生的干扰要小于采用DC1500V接触网（受电弓受流）馈电方式是不正确的、
           
          5结论
          （1）我国的城市轨道交通牵引电压制式无论是选用DC750V，还是选用DC1500V，均符合国家和国际标准的规定。同时，由于DC750V和DC1500V、第三轨和接触网供（馈）电方式各有利弊，在选型时应结合城市各自的特点进行选择。对于轻轨系统，由于其在选择车辆形式上的灵活性，建议轻轨系统的供电制式应允许在两个电压制式中选用。
       
        （2）随着城市人口的增加，人们对出行时间要求以及机电设备制造水平的提高，城市轨道交通所采用的供电电压水平正在逐渐提高。因此，在旅客客流量较大的城市（高峰小时客流断面达到或超过6万人次），或是在对出行时间有要求的特大型，或国际大都市型的城市，在要求旅行速度≥45 km/h时，建议选用DC1500V供（馈）电方式。
       
        （3）DC1500V供电制式具有牵引变电所间距大，牵引变电所数量和设备维护工作量减少，电压损耗和迷流小，可适应的客运量大等优点，其所对应的接触网馈电方式具有安全性好，车辆运行速度高等优点，适用于客流量大，或是旅行速度要求高（有出行时间要求，或是有一定距离的卫星城与主城区间的快速交通），轨道对地泄漏电阻不易提高，或是有较高安全性要求的城市，但是也要考虑到接触网结构相对复杂，维护工作量大，对城市景观存在一定影响，造价相对较高的问题。
          （4）各城市的轨道交通的供电制式应相对统一，避免由于供电制式的不同给车辆运营、维护等管理上带来的不便。同时，也应注意到城市轨道交通线路的相对独立性，根据城市轨道交通各线路的客流量、出行时间要求，以及其他因素等，科学、综合和合理地选择城市轨道交通各线路的供电电压制式，并且以合理的运营、维护等来解决由于供电制式的不同给车辆运营、维护等带来的不便。