無(wú)供電接觸軌的單軌交通系統(tǒng)可行性分析

林云志，羅 兵

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036；2.中鐵電氣化局城鐵公司，北京 100036）

0 引言

有軌電車是采用電力驅(qū)動(dòng)在軌道上進(jìn)行行駛的輕型軌道交通工具，不排放廢氣，是一種綠色環(huán)保型交通工具[1]。

動(dòng)力電池是較為傳統(tǒng)的蓄電池，按正極材料可分為以下幾大類：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池、鋰電池。技術(shù)發(fā)展到今天，以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池代表了當(dāng)前最先進(jìn)、能夠大功率應(yīng)用的動(dòng)力蓄電池。在汽車、軌道車輛等方面應(yīng)用較為廣泛[2]。

1 超級(jí)電容簡(jiǎn)介

超級(jí)電容又叫雙電層電容器，是 20 世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能裝置，結(jié)構(gòu)上同普通電解電容非常相似，屬于雙電層電容器，采用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成雙電層結(jié)構(gòu)，加上極小的電極間隙，可以獲得高達(dá) 80 000 F 的超大容量。超級(jí)電容目前正處于快速成長(zhǎng)期，它具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

超級(jí)電容相比傳統(tǒng)動(dòng)力電池存在較為明顯的優(yōu)勢(shì)，可從以下 3 個(gè)工程指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

（1）能量密度。指單位重量所儲(chǔ)存的總能量多少，與材料有關(guān)。綜合重量和能量密度，可以判斷其是否可以作為純動(dòng)力源。

（2）功率密度。指單位重量在放電時(shí)能以何種速率進(jìn)行能量輸出，表征其放電輸出特性。功率密度高，瞬態(tài)釋放能量高，在高功率輸出的時(shí)候效用就高[3]。

（3）循環(huán)次數(shù)。即充放電次數(shù)，決定了使用壽命和維護(hù)成本。

以 7 500 F 超級(jí)電容為例，相比傳統(tǒng)動(dòng)力電池，能量密度和功率密度范圍由圖 1 給出。

圖1 能量密度和功率密度 Ragone 圖

由圖1可知，超級(jí)電容的能量密度較低，可進(jìn)行短時(shí)供能，通過(guò)多個(gè)大容量超級(jí)電容串并聯(lián)，能夠提高總能量。超級(jí)電容功率密度很高，可以提供瞬時(shí)高峰能量吸收和輸出，特別適合車輛的起動(dòng)和制動(dòng)。超級(jí)電容低很多，但是在能量密度上具有非常好的優(yōu)勢(shì)，特別適用于有限空間中的應(yīng)急應(yīng)用，如制動(dòng)、應(yīng)急通風(fēng)、空調(diào)等負(fù)載[4]。

表1 給出了關(guān)鍵工程指標(biāo)對(duì)比，蓄電池循環(huán)壽命比

表1 關(guān)鍵工程指標(biāo)對(duì)比

2 超級(jí)電容動(dòng)力牽引配置可行性分析

以目前正在運(yùn)行的某地 2 號(hào)、3 號(hào)地鐵線車輛數(shù)據(jù)為例，結(jié)合國(guó)內(nèi)新出的超級(jí)電容參數(shù)（表 2）進(jìn)行計(jì)算。

表2 每組車載超級(jí)電容儲(chǔ)能單元主要參數(shù)

2.1 單軌車輛概況

車輛主要由車體、客室設(shè)備、轉(zhuǎn)向架、牽引制動(dòng)系統(tǒng)、輔助電源裝置、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)、車體連接裝置、照明、列車自動(dòng)控制系統(tǒng)、通信裝置、故障自診斷系統(tǒng)、司機(jī)室設(shè)備等組成。

單軌車輛（Mc 型車為例）車體外形尺寸為14.8 m（13.9 m）×2.98 m×5.30 m。軌面以上車輛高度 3.84 m，車廂地板距軌面高度1.13 m。構(gòu)造速度 80 km/h，最高運(yùn)行速度 75 km/h。車輛為 2 軸轉(zhuǎn)向架，全車 4 根軸，每根車軸軸重為 11.0 t。每列車動(dòng)力轉(zhuǎn)向架占轉(zhuǎn)向架總數(shù)的 3/4。

2.2 車輛動(dòng)力牽引配置標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 牽引性能

當(dāng)列車處于超員載荷、輪胎半磨耗狀態(tài)，運(yùn)行在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下，速度從 5 km/h 加速到 30 km/h的平均起動(dòng)加速度為 0.833 m/s2，沖擊率極限 0.75 m/s3，構(gòu)造速度 80 km/h。

2.2.2 制動(dòng)性能

車輛設(shè)有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停放制動(dòng)。常用制動(dòng)沖擊率小于等于 0.75 m/s3，對(duì)空載至超載的所有負(fù)載，常用制動(dòng)平均減速度 1.1 m/s2。

緊急制動(dòng)采用空氣制動(dòng)，對(duì)空載至超載的所有負(fù)載，緊急制動(dòng)平均減速度為 1.25 m/s2。

2.2.3 列車故障運(yùn)行能力

在坡長(zhǎng)不超過(guò) 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列AW3 載荷并且損失 1/2 動(dòng)力的列車，能夠起動(dòng)并且以不低于 15 km/h 的速度沿全線運(yùn)行 1 個(gè)往返。

在坡長(zhǎng)不超過(guò) 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列空載（AW0）無(wú)故障的列車可以牽引或推進(jìn) 1 列相同數(shù)量車輛編組 AW3 載荷并失去動(dòng)力的列車，以不低于 15 km/h的速度沿全線運(yùn)行 1 個(gè)往返。

2.3 車輛牽引配置可行性

目前牽引供電制式采用 DC 1500V 跨座式單軌制式，在走行梁兩側(cè)絕緣敷設(shè)正、負(fù)極剛性接觸軌。每節(jié)全動(dòng)力車廂配有 4 臺(tái)功率為 105 kW 的牽引電動(dòng)機(jī)，400 V交流供電；半動(dòng)力車廂配有 2 臺(tái)功率為 105 kW 牽引電動(dòng)機(jī)，400 V 交流供電。每 2 節(jié)車廂設(shè)置 1 套附屬設(shè)備，功率為110 kW，用于車內(nèi)照明、空調(diào)等功能。

2.3.1 軸重配置可行性

AW3 車輛每節(jié)車重 41.3 t，軸重 11 t，四軸車。若配置 26.7 kW · h 電量，1 200 F單體電容約重 2.3 t。按照上述計(jì)算，增加電容（1 200 F）后的重量為 43.6 t，滿足軸重要求。原來(lái)單軌車輛內(nèi)有電池組，如全部采用超級(jí)電容，該電池組可以取消。

2.3.2 空間配置可行性

1 200 F 單體電容體積 1 076.5 cm3。每組電容80 F/900 V 重量 840 kg，體積 0.65 m3。全動(dòng)力車廂一節(jié)3 組電容組，總重量為 2.52 t（實(shí)際容量為 27 kW · h），占地 1.95 m3。半動(dòng)力車廂只需要 1.5 組即可滿足容量需求，重量為 1.26 t，占地 1 m3。

2.3.3 供電能力可行性

根據(jù)車輛數(shù)據(jù)可知，原有電池組在無(wú)需外接供電情況下，可以維持 50% 的空調(diào)通風(fēng)和全部的通信信號(hào)系統(tǒng)供電 45 min。電池組本身的供電能力加上超級(jí)電容的供電能力和單軌車到站充電補(bǔ)充的電能，可以維持正常情況下全部空調(diào)和通信信號(hào)系統(tǒng)的供電。

如果考慮取消電池組改由超級(jí)電容供電，則其相應(yīng)的重量和體積也可以核減用于放置超級(jí)電容組。由前面車輛數(shù)據(jù)可知，全車按照 6 節(jié)編組計(jì)算，共有 330 kW用于照明和空調(diào)。車頭和車尾為司機(jī)室，是半動(dòng)力車廂，牽引電機(jī)容量只有210 kW。如果也按照全動(dòng)力車廂配置超級(jí)電容組計(jì)算，扣除牽引供電使用的極端情況，還有190×2 = 380 kW 的富裕容量滿足空調(diào)照明等需求，且軸重完全滿足要求。

3 車站接觸網(wǎng)供電模式可行性分析

供電制式如果改為就近 1 kV 低壓電纜供電，將可以規(guī)避主所的建設(shè)以及外電源電纜和路由的建設(shè)。從工程建設(shè)和全壽命周期運(yùn)營(yíng)角度，2 種供電方式對(duì)比如表 3 所示。超級(jí)電容供電模式相對(duì)于單純的接觸軌供電模式（未考慮能量反饋裝置），建設(shè)投資要稍高一些。雖然取消了接觸軌和牽引變電所，但由于車站增加了充電機(jī)，車輛加裝了超級(jí)電容組和電容管理電路，預(yù)估單純的建設(shè)費(fèi)用將增加。如果考慮每個(gè)牽引變電所都安裝能量反饋裝置，此種建設(shè)模式的費(fèi)用將比安裝充電機(jī)和車輛加裝超級(jí)電容的費(fèi)用要多。

表3 2 種供電方式對(duì)比

由于區(qū)間取消了接觸軌，可減掉接觸軌的運(yùn)行維護(hù)成本及職工的維護(hù)作業(yè)成本，在運(yùn)維與安全作業(yè)方面，超級(jí)電容 + 車站接觸網(wǎng)供電模式全面優(yōu)于接觸軌供電模式。

超級(jí)電容本身具備制動(dòng)反饋，決定了我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)上要比目前的整流接觸軌 + 制動(dòng)能饋的系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，使得該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保等方面要優(yōu)于接觸軌供電模式。

4 展望

該供電方式可以推廣到中小型單軌交通（含跨座式和懸掛式），作為一種全線的供電方式使用。后期研究可選擇高架線作為模擬線路，進(jìn)一步深化將超級(jí)電容技術(shù)應(yīng)用于不同運(yùn)量單軌系統(tǒng)的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性及安全保障性的分析研究評(píng)價(jià)工作。