城市軌道交通供電制式分析探討

1、城市軌道交通供電制式分析探討摘要：本文介紹了國(guó)外快速軌道交通的供電制式情況， 總的來(lái)看，采用dc750v電壓第三軌饋電的，占。采用dc1500v 電壓架空接觸網(wǎng)饋電約占。文章還對(duì)城市軌道交通的兩種供電方式，進(jìn)行了分析比 較。認(rèn)為在設(shè)備投資方面，dc1500v接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)與dc750v 第三軌供電系統(tǒng)基本持平。dc750v第三軌系統(tǒng)具有6大優(yōu)點(diǎn)： 施工安裝和故障搶修方便、區(qū)間隧道土建費(fèi)用低、供電可靠 性高、使用壽命長(zhǎng)、維修工作量小，維修費(fèi)用低和城市景觀 效果好?？焖佘壍澜煌ㄗ鳛橐环N現(xiàn)代化的交通設(shè)施，在建設(shè)中人 們對(duì)于城市景觀效果、保護(hù)環(huán)境越來(lái)越重視。關(guān)鍵詞：電流電壓第三軌接觸網(wǎng)饋電方式安全景觀

2、1城市軌道交通供電制式簡(jiǎn)述供電系統(tǒng)的構(gòu)成城市軌道交通列車(chē)，是以電力為能源的電動(dòng)車(chē)組，列車(chē) 在運(yùn)行過(guò)程中不斷地從牽引網(wǎng)上獲取電能，一個(gè)安全可靠的 供電系統(tǒng)，是保證軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的首要條件。城市軌道交通的供電系統(tǒng)，由變電所、接觸網(wǎng)（接觸軌）和回流網(wǎng)三部分構(gòu)成。變電所通過(guò)接觸網(wǎng)（接觸軌），由車(chē)輛 受電器向電動(dòng)客車(chē)饋送電能，回流網(wǎng)是牽引電流返回變電所 的導(dǎo)體。牽引網(wǎng)的供電制式主要指電流制、電壓等級(jí)和饋電方式。 目前世界城市軌道交通的直流牽引電壓等級(jí)，有dc600v、dc 750v和dc1500v等多種；我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了 dc1500v 和dc750v兩種電壓制。牽引網(wǎng)的饋電方式分為架空接觸網(wǎng)和接

3、觸軌兩種基本 類(lèi)型。其中電壓制與饋電方式是密不可分的。一般dc1500v 電壓采用架空接觸網(wǎng)饋電方式。dc750v電壓采用第三軌饋電 方式。供電制式選擇原則：在選擇城市快速軌道交通供電制式時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1供電制式與客流量相適應(yīng)客流量是軌道交通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)預(yù)測(cè)客流量大小， 選擇適用的電動(dòng)客車(chē)類(lèi)型和列車(chē)編組數(shù)量，一般大運(yùn)量的軌 道交通系統(tǒng)，采用dc1500v電壓和架空接觸網(wǎng)饋電，中運(yùn)量 的系統(tǒng)采用dc7 50v和接觸軌饋電方式。2供電安全可靠地下鐵道是城市交通的骨干，一但牽引網(wǎng)發(fā)生故障，造 成列車(chē)停運(yùn)，就會(huì)影響市民出行，引起城市交通混亂。因此， 安全可靠是選擇供電制式的最重要條件。3便于安

4、裝和事故搶修。選用的牽引網(wǎng)應(yīng)便于施工安裝和日常維修，一但發(fā)生牽 引網(wǎng)故障，應(yīng)便于搶修，盡快恢復(fù)運(yùn)營(yíng)。4牽引網(wǎng)使用壽命長(zhǎng)，維修工作量小，是降低軌道交通 運(yùn)營(yíng)成本的重要條件。5城市軌道交通是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)注重環(huán)境和景觀 效果。2國(guó)內(nèi)外軌道交通供電制式的應(yīng)用情況國(guó)外情況1供電制式從1863年倫敦建成世界上第一條地下鐵道以來(lái)，在近1 40年的時(shí)間內(nèi)，各國(guó)已有近百座城市修建了城市軌道交通。 就電壓制式而言，在不同的國(guó)家和城市，有不同的電壓等級(jí)。目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級(jí)有dc60 0v、750v、1100v、 1500 v和3000v等多種。接觸軌系統(tǒng)的電壓等級(jí)有dc600v、630v、7 00v、7

5、50v、 825v、900v、1000v 和 1200v 等多種。地鐵與輕軌雜志曾介紹過(guò)“世界地下鐵道概況表“，表 中列舉的82條快速軌道交通線中。采用接觸網(wǎng)饋電的有19 條，約占總數(shù)的，采用第三軌饋電的有63條，約占總數(shù)的。上述情況說(shuō)明，dc1 500v接觸網(wǎng)和dc750v第三軌饋電都是可行的。從世界范圍來(lái)看，采用第三軌饋電的占多數(shù)。2當(dāng)前發(fā)展趨向目前，為了降低工程造價(jià)，各國(guó)城市快速軌道交通有向 地面線和高架線發(fā)展的趨向。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越 來(lái)越重視軌道交通的城市景觀效果，因此，新建的軌道交通 系統(tǒng)采用第三軌饋電的日益增多。例如，1990年建成的新加坡地鐵、號(hào)稱(chēng)集中了世界最先 進(jìn)的技

6、術(shù)，為保護(hù)旅游城市環(huán)境，采用第三軌饋電。近年新 建的吉隆坡輕軌、曼谷地鐵、德黑蘭地鐵，都采用dc750v 第三軌饋電。近年來(lái)，有人說(shuō)第三軌饋電是陳舊落后的技術(shù)，接觸網(wǎng) 是先進(jìn)技術(shù)。這是一種片面的說(shuō)法。衡量一條地鐵是否先進(jìn)， 應(yīng)該是它的自動(dòng)化水平高低，計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)應(yīng)用程 度，以及是否符合環(huán)保要求和景觀效果，而不是采用了那種 供電方式。這種說(shuō)法對(duì)我國(guó)城市快速軌道交通的健康發(fā)展是 十分有害的。國(guó)內(nèi)情況我國(guó)自1969年建成北京第一條地下鐵道之后，相繼已 有天津、上海等6個(gè)城市的快速軌道交通投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。其 中北京和天津地鐵采用dc750v第三軌饋電。上海、廣州和 大連采用dc1500v接觸網(wǎng)饋

7、電。長(zhǎng)春輕軌采用dc750v接觸網(wǎng)饋電。正在籌建或?qū)⒁\(yùn)營(yíng)的軌道交通的城市，南京和深圳地 鐵采用dc15 00v接觸網(wǎng)饋電。蘇州、杭州、武漢和青島采用 dc750v第三軌饋電。3兩種供電制式分析比較設(shè)備施工安裝比較架空接觸網(wǎng)懸掛在鋼軌軌面上方40 40mm處。由承力索、 滑觸線、饋電線、架空地接、絕緣子、支柱、支持與懸掛另 部件、隔離開(kāi)關(guān)、電纜及拉錨裝置等組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 另部件較多。架空接觸網(wǎng)施工安裝時(shí)，因作業(yè)面較高，作業(yè)不方便， 安裝調(diào)整比較困難。需要使用專(zhuān)用的架線車(chē)和大型機(jī)具，施 工費(fèi)用較高。第三軌安裝在車(chē)輛走行軌外側(cè)700mm處，高出軌面140mm 由導(dǎo)電接觸軌、絕緣子、絕緣支架、

8、防護(hù)罩、隔離開(kāi)關(guān)和電 纜組成，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，另部件較少。第三軌安裝高度較低， 鋼鋁復(fù)合接觸軌每延米重量為，施工安裝方便，施工機(jī)具簡(jiǎn) 單，施工安裝費(fèi)用較低。設(shè)備投資比較現(xiàn)以青島地鐵為例，對(duì)兩種供電制式的設(shè)備投資進(jìn)行比 較。青島地鐵第一期工程長(zhǎng)約，全部為地下線，設(shè)13座車(chē) 站。采用以主變電所為主的混合式供電方案。除去兩種供電 制式相同部分設(shè)備的投資（2座主變電所、車(chē)輛段的1座牽引 降壓混合變電所和兩座降壓變電所、10kv電纜網(wǎng)絡(luò)），對(duì)兩種供電制式下可比部分的設(shè)備投資比較如下：1dc150 0v架空接觸網(wǎng)方案，青島地鐵第一期工程，采用dc1500v架空接觸網(wǎng)方案， 正線上設(shè)牽引降壓混合變電所6座，設(shè)

9、降壓變電所7座。按牽引降壓混合變電所每座造價(jià)1000萬(wàn)元，降壓變電 所每座造價(jià)400萬(wàn)元，架空接觸網(wǎng)每公里造價(jià)165萬(wàn)元計(jì)算， 系統(tǒng)中可比部分的造價(jià)為14262萬(wàn)元。2dc7 50v低碳鋼接觸軌方案采用dc75 0v低碳鋼接觸軌方案，正線上設(shè)9座牽引降 壓混合變電所，設(shè)4座降壓變電所。該方案變電所的單價(jià)與 dc1500v架空接觸網(wǎng)方案相同，接觸軌每公里造價(jià)按103萬(wàn) 元計(jì)算，系統(tǒng)中可比部分的造價(jià)為14009萬(wàn)元。3dc750v鋼鋁復(fù)合接觸軌方案 鋼鋁復(fù)合接觸軌是由不銹鋼帶，通過(guò)機(jī)械方法，與鋁合金型材相結(jié)合制成的接觸軌。其特點(diǎn)一是重量輕，每延米重; 二是電阻率低，牽引網(wǎng)損耗??；三是供電距離較長(zhǎng)。

10、青島地鐵第一期工程，采用dc750v鋼鋁復(fù)合接觸軌方 案，正線上設(shè)7座牽引降壓混合變電所（接觸網(wǎng)方案為6座）， 設(shè)6座降壓變電所。鋼鋁接觸軌每公里造價(jià)按12 5萬(wàn)元計(jì)算。 系統(tǒng)中可比部分的造價(jià)為13538萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，以設(shè)備投資而論，架空接觸網(wǎng)方案和低碳鋼接觸軌方案基本持平。鋼鋁復(fù)合接觸軌方案造價(jià)最低。供電可靠性比較地鐵每天運(yùn)營(yíng)1 8小時(shí)，必須保證不間斷地供電。供電中斷，就會(huì)造成地鐵停運(yùn)，打亂城市交通秩序。因此， 安全可靠的供電是選擇供電制式的重要條件。1架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)柔性架空接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、固定支持零部件較多。所以 薄弱環(huán)節(jié)也多。一旦某個(gè)零部件發(fā)生問(wèn)題，會(huì)引起滑觸線脫 落、甚至發(fā)生刮弓等惡

11、性事故。另外，架空接觸網(wǎng)靠導(dǎo)線張力維持其工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多 年磨損及電弧燒傷，導(dǎo)線的截面會(huì)逐漸減小，其強(qiáng)度也隨之 降低。加上導(dǎo)線材料的缺陷，在拉錨裝置及故障電流作用下， 極易發(fā)生滑觸線斷線事故。造成地鐵停運(yùn)。上述架空線事故，國(guó)內(nèi)幾家地鐵已發(fā)生多起。2001年7 月上海地鐵1號(hào)線，因架空線斷線，造成部分路段停運(yùn)近2 小時(shí)。香港地鐵于八十年代初建成，采用dc1500v架空線供電。 建成后多次發(fā)生架空線斷裂，造成地鐵長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，引起地 面交通癱瘓的重大事故。例如，1991年3月12日的香港報(bào) 紙，曾用醒目標(biāo)題報(bào)導(dǎo)地鐵架空線斷裂事件：地鐵連串故障 幾癱瘓，引致港九交通大混亂，逾七小時(shí)方恢復(fù)正常，令五 十

12、萬(wàn)乘客受影響。荔景站滯留4小時(shí)，乘客獲發(fā)“證明書(shū)”。報(bào)紙還披露地鐵1986年在港島線，1987年在薟灣線，亦曾因接觸網(wǎng)故障，造成停運(yùn)五個(gè)半小時(shí)以上的事故。香港1991年6月19日的報(bào)紙，報(bào)導(dǎo)了九廣電氣化鐵路（九龍一羅湖）因接觸網(wǎng)故障，造成停運(yùn)事故。稱(chēng)：遭截?cái)嚯?線長(zhǎng)達(dá)一公里，火車(chē)癱瘓十二小時(shí)，二十五萬(wàn)乘客受影響。該報(bào)紙還刊登了 “九鐵故障算舊帳”記年表。例舉了 19 82年至1991年該線發(fā)生的39起停運(yùn)事故。其中因架空接觸 網(wǎng)故障引起的停運(yùn)事故為14起，占故障總數(shù)的。每次故障 停運(yùn)時(shí)間在27小時(shí)，最長(zhǎng)的達(dá)1 2小時(shí)。上述事實(shí)說(shuō)明，架空接觸網(wǎng)供電的可靠性較差。一旦發(fā) 生斷線事故，因高空作業(yè)也不

13、便于搶修。2接觸軌系統(tǒng)接觸軌系統(tǒng)的另部件少，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，不 存在斷軌和刮碰受流器等事故隱患，北京和天津地鐵的三軌 系統(tǒng)使用近30年，從未發(fā)生過(guò)因接觸軌故障造成列車(chē)停運(yùn) 事故。由此可見(jiàn)，接觸軌供電系統(tǒng)的可靠性較高。一旦發(fā)生 事故，搶修也方便快捷。使用壽命比較接觸網(wǎng)的使用壽命，關(guān)系到接觸網(wǎng)更新改造的再投資。 根據(jù)我國(guó)電氣化鐵路的規(guī)定，接觸網(wǎng)導(dǎo)線斷面允許磨耗量為 33%,磨耗到限的導(dǎo)線必須及時(shí)更換。按此標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)產(chǎn)架空 接觸導(dǎo)線的設(shè)計(jì)使用壽命為15年，實(shí)際使用壽命可能略大 一些。進(jìn)口接觸線的使用壽命可達(dá)20年。就是說(shuō)采用架空接觸網(wǎng)供電，系統(tǒng)每隔15-20年就需要更換一次滑觸導(dǎo)線。 接觸軌的

14、特點(diǎn)是堅(jiān)固耐磨，使用壽命長(zhǎng)。我國(guó)地鐵考查人員在倫敦地鐵看到了使用100年的第三軌。前幾年，北京 地鐵曾對(duì)低碳鋼接觸軌磨耗狀況進(jìn)行過(guò)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)20多年 的運(yùn)營(yíng)，其磨耗量不到5%。按此推算接觸軌使用100年其磨 耗量也不到25%。與此相比，架空接觸網(wǎng)在100年內(nèi)須更換56次滑觸 線。運(yùn)營(yíng)單位需要一次次地再投入資金。因此，從使用壽命和節(jié)約投資考慮，接觸軌方案具有較 大優(yōu)勢(shì)。維修及管理費(fèi)用比較 1架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)中維修調(diào)整工作量較大，需要組建接 觸網(wǎng)維修工區(qū)。按照國(guó)家電氣化鐵路規(guī)定，一個(gè)接觸網(wǎng)工區(qū) 定員需25人，配備專(zhuān)用的接觸網(wǎng)檢查車(chē)，承擔(dān)10km左右線 路接觸網(wǎng)的維修任務(wù)。按此計(jì)算，一

15、條20km長(zhǎng)的地鐵，需 要設(shè)2個(gè)接觸網(wǎng)工區(qū)，定員約50人。接觸網(wǎng)工區(qū)的車(chē)輛、機(jī)具設(shè)備、以及人員工資福利等， 使運(yùn)營(yíng)管理單位每年要付出一筆很大的維修費(fèi)用及管理費(fèi)用。另外，在日常運(yùn)營(yíng)中，若接觸網(wǎng)發(fā)生斷線事故，接觸網(wǎng) 維修車(chē)無(wú)法開(kāi)進(jìn)隧道內(nèi)，全靠人工搶修。由于作業(yè)面高，搶修很困難。香港地鐵最長(zhǎng)的搶修時(shí)間迗12小時(shí)。2接觸軌系統(tǒng)采用第三軌供電，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固耐用，幾乎不用維修。 北京地鐵沒(méi)有專(zhuān)職的三軌維修人員。由線路維修人員兼顧三 軌維修。平常三軌維修的內(nèi)容有，擦拭絕緣瓷瓶、檢查饋電線接 頭焊點(diǎn)、調(diào)整三軌安裝位置、檢查防爬設(shè)備、調(diào)整三軌彎頭。， 這些簡(jiǎn)單的維修工作，不需要大型機(jī)具設(shè)備，所花維修費(fèi)用 較少

16、。因?yàn)槿増?jiān)固耐用，也不存在斷軌搶修問(wèn)題。土建費(fèi)用比較快速軌道交通的土建費(fèi)用，與工程地質(zhì)條件和施工方法 有關(guān)。地下車(chē)站明挖施工，與供電制式無(wú)關(guān)，盾構(gòu)法施工的 區(qū)間隧道斷面，兩種供電制式相同，不需要進(jìn)行比較。用明挖法施工的區(qū)間隧道，兩種供電制式的凈空高度不 同，具有可比性。我國(guó)地下鐵道限界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，dc1500v架空線系統(tǒng)的隧 道凈空高度為；dc750v三軌系統(tǒng)的隧道凈空高度為。二者相 差。按此計(jì)算，dc750v三軌系統(tǒng)，每延米區(qū)間隧道（雙線）， 可節(jié)約鋼筋混凝土，每公里隧道可節(jié)約投資46萬(wàn)元。用礦山法施工的直墻拱型隧道，dc150 0v系統(tǒng)與dc750v 系統(tǒng)，凈空高度相差。每公里隧道減少開(kāi)挖

17、量2350m 3，可節(jié)約投資約70萬(wàn)元。城市景觀效果比較隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越重視城市環(huán)境和景觀 上海地鐵3號(hào)線建成以后，人們開(kāi)始反思架空接觸網(wǎng)對(duì)城市 景觀的負(fù)面影響，實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題十年以前，在國(guó)外已經(jīng)引 起重視。199 0年建成的新加坡地鐵67km線路，1 998年馬來(lái)西 亞吉隆坡建成的兩條高架輕軌，以及1999年建成的泰國(guó)曼 谷輕軌，從城市景觀效果考慮，均采用第三軌饋電。北京地鐵13號(hào)線，以地面線和高架線為主，采用第三 軌饋電。其景觀效果受到了市民的稱(chēng)贊。前年在杭州地鐵的一次評(píng)審會(huì)上，上海某知名專(zhuān)家，就 供電方式問(wèn)題發(fā)表了自己的看法。他說(shuō)：上海地鐵1號(hào)線當(dāng) 時(shí)預(yù)測(cè)的客流量較大，選用

18、a型車(chē)8輛編組，車(chē)組重量迗440t 按照這樣大的負(fù)荷確定系統(tǒng)采用dc1 500v架空線供電。對(duì)于一些中等城市，客流量不是很大，選用b型車(chē)6輛 編組，車(chē)組重量不超過(guò)300t。在這種線路上，選用第三軌供 電比較合適。他還說(shuō)：現(xiàn)在看來(lái)，架空線系統(tǒng)適合用在地下線。用在 高架橋上和地面線上，那么多的電線和電線桿太難看，影響 城市景觀。特別是旅游城市更要考慮到城市景觀效果，應(yīng)該 采用第三軌供電。廣州地鐵總結(jié)了過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，已確定在地鐵4號(hào)線上采 用dc1500v電壓的第三軌饋電方式。由此看來(lái)，從城市景觀效果考慮，第三軌系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)。人身安全比較系統(tǒng)采用dc1500v架空接觸網(wǎng)，其滑觸線懸掛在線路上 方4

19、m處，不會(huì)對(duì)軌道維修人員及發(fā)生事故時(shí)人員快速疏散 帶來(lái)影響。安全性較好。目前，正在研究中的城際間快速軌 道交通系統(tǒng)，采用地面線和高架線形式，城市景觀退居次要 地位。出于人身安全考慮，傾向于采用架空接觸網(wǎng)饋電。dc750v三軌系統(tǒng)，接觸軌安裝在走行軌旁邊，高度較低， 在接觸軌帶電情況下，人員進(jìn)入隧道，或發(fā)生事故時(shí)人員快 速疏散有一定的危險(xiǎn)性。因此，從人身安全考慮架空接觸網(wǎng) 系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐說(shuō)明，由于在三軌上安裝有絕緣防護(hù)罩，北京地鐵 運(yùn)營(yíng)30多年來(lái)也未發(fā)生工作人員和乘客被電擊傷的事故。牽引網(wǎng)能量損耗比較牽引網(wǎng)系統(tǒng)的能量損耗，與牽引網(wǎng)的電壓制和饋電方式 有關(guān)。在列車(chē)功率相同的條件下，牽引網(wǎng)電壓和列車(chē)電流成 反比。即牽引網(wǎng)電壓提高一倍，其列車(chē)電流也減少一倍。因 此dc 15 00v系統(tǒng)比dc750v系統(tǒng)的列車(chē)電流減小。列車(chē)電流是沿著牽引網(wǎng)的分布負(fù)荷，變電所的間距增大， 牽引網(wǎng)的饋線電流成正比增大。dc1500v系統(tǒng)的變電所間距 比dc750v系統(tǒng)大，二者牽引網(wǎng)上的實(shí)際饋線電