現(xiàn)代有軌電車無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用分析

陳志雄

（威立雅交通巴黎地鐵中國(guó)有限公司，200041，上海∥工程師）

現(xiàn)代有軌電車無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用分析

陳志雄

（威立雅交通巴黎地鐵中國(guó)有限公司，200041，上?！喂こ處煟?/p>

無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車的應(yīng)用，解決了有軌電車接觸網(wǎng)造成的“視覺(jué)污染”問(wèn)題。介紹了采用地面供電技術(shù)的APS（交替式地面）系統(tǒng)、Tramwave（創(chuàng)威地面感應(yīng)式）系統(tǒng)和Primove（電磁感應(yīng)式）系統(tǒng)，以及各種車載儲(chǔ)能技術(shù)。分析比較了不同無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)情況。車載儲(chǔ)能技術(shù)作為一種廣泛應(yīng)用的工業(yè)技術(shù)，在達(dá)到小型化、高能量比、快速充放電和環(huán)保處理方式后，將成為現(xiàn)代有軌電車無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。

現(xiàn)代有軌電車；無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)；地面供電；車載儲(chǔ)能供電

Author’s addressVeolia Transport RATP China，200041，Shanghai，China

現(xiàn)代有軌電車是一種開(kāi)放式的軌道交通系統(tǒng)，一般行駛在道路上，是一種平交制式［2］。其架空接觸網(wǎng)被視為城市景觀的一種“視覺(jué)污染”，從而促進(jìn)推動(dòng)了一種現(xiàn)代有軌電車新型供電技術(shù)——無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)利用新型設(shè)備給列車供電，消除架空接觸線及支柱對(duì)歷史文化景點(diǎn)景觀的破壞。無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)主要有地面供電和車載儲(chǔ)能裝置供電（蓄電池或超級(jí)電）兩種技術(shù)類型，并已經(jīng)在一些項(xiàng)目中成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

本文結(jié)合商業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，比較了不同無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)情況，分析了其可靠性和維修成本，為科學(xué)決策提供參考。

1 地面供電技術(shù)

1.1 APS（交替式地面）供電技術(shù)

APS技術(shù)最先由Innorail在20世紀(jì)90年代提出，1998~2001年第一條試驗(yàn)軌道在法國(guó)馬賽建成并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。后期，阿爾斯通以其Citadis車輛技術(shù)參與了APS系統(tǒng)改進(jìn)工作，并在法國(guó)AYTREE工廠建設(shè)了一條專門的測(cè)試線。APS技術(shù)從此開(kāi)始了長(zhǎng)足進(jìn)步，并在阿爾斯通的大力推薦下走向了商業(yè)應(yīng)用。2003年，世界上第1條商業(yè)化應(yīng)用的APS系統(tǒng)在波爾多11.5 km線路上正式投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)10年商業(yè)運(yùn)行，APS技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，并在蘭斯、迪拜等多個(gè)城市推廣應(yīng)用。

APS系統(tǒng)構(gòu)造的特點(diǎn)是供電仍采用第三軌。第三軌埋設(shè)在兩股鋼軌之間的道床內(nèi)，鋼軌面與第三軌面均與地面持平。第三軌由3 m長(zhǎng)的絕緣段和8 m長(zhǎng)的導(dǎo)電段相間敷設(shè)而成。導(dǎo)電段由每隔22 m一處的控制箱控制。在導(dǎo)電段下方相應(yīng)長(zhǎng)度內(nèi)埋設(shè)有感應(yīng)電路。當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，車輛與地面控制箱進(jìn)行無(wú)線通信，控制箱收到車輛發(fā)來(lái)的信號(hào)后觸發(fā)列車覆蓋區(qū)段第三軌導(dǎo)電，車底中部的集電靴通過(guò)接觸獲得電能。而其他區(qū)段的第三軌則處于接地狀態(tài)，與走行鋼軌連接，電壓為“0”，不會(huì)產(chǎn)生任何危害［3］，如圖1所示。

圖1 波爾多APS系統(tǒng)原理及主要設(shè)備示意圖

經(jīng)過(guò)10年的商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)商總結(jié)了不少APS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及維修經(jīng)驗(yàn)，主要如下：

（1）完善的道床排水設(shè)計(jì)，能減少積水對(duì)導(dǎo)軌與集電靴接觸的影響；

（2）特殊的十字路口路面及導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，能避免路面重型卡車擠壓造成的損壞；

（3）路面導(dǎo)軌絕緣段應(yīng)使用耐磨材料，可避免過(guò)多維修及更換；

（4）安裝在導(dǎo)軌框架內(nèi)的饋電線深埋地下，不易檢修，因此對(duì)其絕緣及質(zhì)量可靠度要求高；

（5）雪天及冰凍天氣下集電靴與導(dǎo)軌接觸不良率高，需要加大除冰工作。若采用鹽來(lái)除雪，需要及時(shí)清除，以避免鹽的結(jié)晶對(duì)導(dǎo)電軌產(chǎn)生影響；

（6）車輛與APS系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)需要從運(yùn)營(yíng)及維修角度考慮，增強(qiáng)其實(shí)用性；

（7）對(duì)車載輔助電源及蓄電池的可靠度要求高，避免使用過(guò)程中控制系統(tǒng)斷電造成列車停運(yùn)；

（8）制定專有維修保養(yǎng)規(guī)程，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度降低維修費(fèi)用。

1.2 Tramwave（創(chuàng)威地面感應(yīng)式）供電技術(shù)

安薩爾多的Tramwave系統(tǒng)同樣采用地面第三軌供電技術(shù)為車輛提供電源，但其接觸軌采用的是自然磁力技術(shù)，如圖2所示。安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的集電靴與地面模塊內(nèi)的柔性導(dǎo)電排都裝有永磁材料，當(dāng)集電靴經(jīng)過(guò)模塊供電節(jié)表面時(shí)，模塊內(nèi)的柔性導(dǎo)電排受磁力吸引上升，導(dǎo)通供電電源正極，模塊表面帶電，集電靴通過(guò)與模塊表面接觸將電力引入車內(nèi)。當(dāng)集電靴離開(kāi)模塊供電節(jié)表面后，柔性導(dǎo)電排受重力作用，回落到與安全負(fù)極相接觸的位置，模塊表面失電，并保證模塊供電節(jié)表面與安全負(fù)極相連，以確保乘客人身安全。該技術(shù)將在珠海市首期9 km的試驗(yàn)段線路上進(jìn)行應(yīng)用。

圖2 Tramwave系統(tǒng)供電原理

1.3 Primove（電磁感應(yīng)式）供電技術(shù)

龐巴迪Primove系統(tǒng)采用的是地面感應(yīng)線圈非接觸供電技術(shù)。該系統(tǒng)通過(guò)在沿線地面敷設(shè)供電裝置，以非接觸方式為列車提供牽引電能。Primove系統(tǒng)是利用電能與磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化的原理實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)?。?dāng)感應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)到有車輛通過(guò)時(shí)接通電源，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)被列車底部安裝的受流器感應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為電能供給車輛牽引系統(tǒng)（如圖3所示）。線路沿線敷設(shè)DC 750 V供電電纜，每隔一段距離在線路側(cè)埋設(shè)一套逆變裝置；一次側(cè)線圈敷設(shè)在地面兩條走行軌中間，二次側(cè)線圈安裝在列車上。首先將DC 750 V逆變?yōu)楦哳l交流電，輸入地面的一次側(cè)線圈，當(dāng)列車上的二次側(cè)線圈與一次側(cè)線圈位置重合時(shí)，二次側(cè)線圈感應(yīng)高頻交流電，經(jīng)整流和逆變后為列車的交流電機(jī)供電。只有當(dāng)列車進(jìn)入相應(yīng)區(qū)段時(shí)，地面一次側(cè)線圈才接通電源，其他時(shí)刻地面一次側(cè)線圈處于斷電狀態(tài)。其供電分區(qū)是隨車輛運(yùn)行而改變的，從而保障沿線人員和車輛的安全［7］。目前，此技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有城市計(jì)劃采用該技術(shù)。

圖3 Primove系統(tǒng)供電原理

1.4 地面供電技術(shù)的比較分析

地面供電技術(shù)共同具有的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)為：

（1）具有接觸網(wǎng)同等能量輸出技術(shù)指標(biāo)，類似于地鐵中使用的第三軌技術(shù)。

（2）不受外界環(huán)境影響，消除了“視覺(jué)污染”。（3）不影響道路交通及行人。

（4）造價(jià)高——APS系統(tǒng)工程造價(jià)約350萬(wàn)歐元/km，折合人民幣約2 900萬(wàn)元/km；Tramwave系統(tǒng)造價(jià)為1 500萬(wàn)~2 000萬(wàn)元/km；Primove系統(tǒng)造價(jià)為2 000萬(wàn)~2 500萬(wàn)元/km。

（5）維護(hù)成本高——車載及地面APS系統(tǒng)的設(shè)備年維修費(fèi)用約10萬(wàn)歐元/km。

（6）技術(shù)專有——阿爾斯通車輛與APS系統(tǒng)捆綁。

（7）地面供電軌或者線圈需要設(shè)計(jì)可靠的保護(hù)，以達(dá)到在積水、積雪和結(jié)冰情況下安全可靠運(yùn)行。

（8）十字路口需要加強(qiáng)路基設(shè)計(jì)，以保護(hù)地面供電設(shè)備不會(huì)被汽車等損壞。

（9）配備的車載儲(chǔ)能供電裝置可靠度要求較高，以便列車在地面設(shè)備短暫失電情況下能夠運(yùn)營(yíng)一段距離，駛?cè)胝^(qū)段。Tramwave和Primove技術(shù)作為試驗(yàn)技術(shù)，需要通過(guò)商業(yè)運(yùn)行繼續(xù)驗(yàn)證其可靠性、可用性。

此外，Primove技術(shù)利用的是感應(yīng)式電力傳輸原理，其電磁場(chǎng)對(duì)于周邊環(huán)境有一定影響，需要重點(diǎn)考慮，以達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求。Tramwave技術(shù)是電磁力吸引內(nèi)部導(dǎo)電排“波浪式”運(yùn)動(dòng)供電，其對(duì)于材料可靠性要求高，以保證運(yùn)動(dòng)中不會(huì)損壞，并且對(duì)后期維修保養(yǎng)提出了更高要求。

2 車載儲(chǔ)能裝置供電技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車輛廠商開(kāi)發(fā)了車載儲(chǔ)能裝置——蓄電池或超級(jí)電容，通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行切換替代外部電源，持續(xù)向列車提供牽引電能及輔助電能，如圖4所示［5-6］。

圖4 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

2.1 車載儲(chǔ)能裝置案例

法國(guó)尼斯市有軌電車的創(chuàng)新點(diǎn)在于既可以通過(guò)架空電纜供電（DC 750 V持續(xù)電流），也可以在穿過(guò)市中心兩個(gè)歷史悠久的廣場(chǎng)時(shí)利用列車上的蓄電池自主供電（見(jiàn)圖5）。尼斯市有軌電車1號(hào)線的每列車上均配有68個(gè)12 V的鎳氫蓄電池（總重約1.2 t），能以80 A·h供電27 k W·h使列車通過(guò)2段約450 m長(zhǎng)的電池自主供電區(qū)段。

圖5 法國(guó)尼斯車載蓄電池車輛

在法國(guó)巴黎T3線，1列阿爾斯通CITADIS列車正在進(jìn)行車載超級(jí)電容試驗(yàn)工作（見(jiàn)圖6）。1個(gè)超級(jí)電容組由48個(gè)15 kg重的模塊組成，總?cè)萘繛? 000 F，總重1.7 t，安裝于列車頂部。列車在不使用接觸網(wǎng)的情況下運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容為列車持續(xù)提供電能。列車停車時(shí)20 s就能完成充電工作。列車再生制動(dòng)能量也可以為超級(jí)電容充電。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車載超級(jí)電容列車相對(duì)其他列車節(jié)能30%。

沈陽(yáng)市有軌電車采用了超級(jí)電容技術(shù)，當(dāng)列車通過(guò)十字路口等無(wú)電區(qū)域時(shí)，車載儲(chǔ)能系統(tǒng)向列車供電，中途車站設(shè)計(jì)有剛性接觸網(wǎng)充電樁，為?？苛熊嚦潆姟．?dāng)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)供電時(shí)，列車的最大行駛距離為1 km，并能夠起動(dòng)停止2次。

圖6 法國(guó)巴黎T3線超級(jí)電容車輛

南京河西現(xiàn)代有軌電車將在全線使用鋰電池技術(shù)，并在車站設(shè)置剛性接觸網(wǎng)充電樁。

2.2 車載儲(chǔ)能裝置供電技術(shù)特點(diǎn)

車載儲(chǔ)能技術(shù)是電動(dòng)汽車技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車上的延展，具有以下特點(diǎn)：

（1）全線除充電設(shè)備外，無(wú)需敷設(shè)地面設(shè)備。

（2）車載儲(chǔ)能設(shè)備體積大、質(zhì)量大，對(duì)載客數(shù)量有一定影響。

（3）不會(huì)受到積水、積雪影響。

（4）再生制動(dòng)能量節(jié)能，可減少電網(wǎng)峰值功率和電網(wǎng)壓降。

（5）車輛維修成本相對(duì)傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術(shù)增加0.4歐元/（車·km）。

（6）大電流快速充電要求增加變電站容量。

（7）沒(méi)有技術(shù)壟斷，各車輛廠家均在開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)。

儲(chǔ)能介質(zhì)的選擇對(duì)于儲(chǔ)能裝置整體設(shè)計(jì)有著重要影響。超級(jí)電容與蓄電池技術(shù)性能比較見(jiàn)表1。

表1 超級(jí)電容與蓄電池技術(shù)比較

車載儲(chǔ)能技術(shù)隨著蓄電池及超級(jí)電容技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步，是未來(lái)無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主流方向，建設(shè)單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適類型的儲(chǔ)能技術(shù)。

隨著實(shí)際使用案例越來(lái)越多，這項(xiàng)技術(shù)正從區(qū)段使用延伸到全線使用，設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)要求也在不斷提高。其關(guān)鍵點(diǎn)主要有：

（1）車輛設(shè)計(jì)需要考慮儲(chǔ)能裝置的布局要求，以平衡整體質(zhì)量。

（2）蓄電池或超級(jí)電容設(shè)計(jì)應(yīng)向小型化、高能量傳輸比方向發(fā)展。

（3）儲(chǔ)能裝置的DC/DC控制器非常關(guān)鍵，需要考慮電磁環(huán)境影響、控制邏輯及頻繁切換影響，選擇可靠器件。

（4）車載電源容量應(yīng)該有備用電源容量考慮，以在主電源故障情況下驅(qū)使列車前行一段到充電位置，或者啟動(dòng)控制系統(tǒng)，保障列車在降級(jí)情況下等待救援。

（5）設(shè)計(jì)專有司機(jī)操作規(guī)程，應(yīng)對(duì)十字路通行要求，避免中途停車-起動(dòng)時(shí)電能消耗過(guò)快。

（6）車輛維修費(fèi)用高出傳統(tǒng)制式車輛，需要很好地與廠商進(jìn)行談判，降低維修成本。

3 綜合比較

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將上述兩種無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了比較分析，具體見(jiàn)表2。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)代有軌電車而言，傳統(tǒng)接觸網(wǎng)技術(shù)是一種成熟、可靠及經(jīng)濟(jì)的技術(shù)選擇，但會(huì)造成一定的“視覺(jué)污染”。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)正進(jìn)一步提高其可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在已經(jīng)成功商用的技術(shù)中，阿爾斯通APS技術(shù)造價(jià)較貴，完全依賴進(jìn)口，受到了諸多限制；而車載儲(chǔ)能技術(shù)隨著蓄電池及超級(jí)電容小型化、高能量比、快速充放電、環(huán)保處理而快速發(fā)展，將是未來(lái)無(wú)接觸網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方向。

表2 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)系統(tǒng)與無(wú)接觸網(wǎng)系統(tǒng)性能比較

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圖7 某列列車實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

（4）提高列車區(qū)間運(yùn)行速度。8號(hào)線部分站距較短，存在列車運(yùn)行速度受限制的現(xiàn)象。可以采取跳?；蜷_(kāi)行大站列車的方式提高列車區(qū)間運(yùn)行速度，以縮短列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間，為列車偏移創(chuàng)造條件，最終實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)能的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通作為城市公共交通主動(dòng)脈，面對(duì)日益嚴(yán)峻的客流壓力，除了采用基本的增能方式外，還應(yīng)打破常規(guī)，利用先進(jìn)系統(tǒng)的新功能不斷探索增能的新辦法。本文提出的運(yùn)用列車偏離功能實(shí)現(xiàn)越行車站也是基于此方面考慮。

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（收稿日期：2012-09-01）

Analysis of Catenary-free Technology Applied in Modern Trams

Chen Zhixiong

Catenary-free technology has been used in modern trams，which solves the“visual pollution”due to the contact system and is adopted by many cities.The ground level power supply systems like APS，Tramwave and Primove，as well as the on-board energy storage technology are introduced，which provide different solutions for trams power supply.Through an analysis and comparison of the design，operation and long-term maintenance of different catenary-free technology systems，the on-board energy storage technology is considered to be the development trend for modern trams when it solves problems like miniaturization，high energy quatity，rapid charge and discharge speed，as well as the green recycle mode.

morden trams；catenary-free technology；ground power supply；on-board energy storage power supply

U 482.103

2013-09-27）