□汪兆杰 梁繼國(guó)

中國(guó)的高速公路發(fā)展之迅速，舉世共睹。龐大的高速公路網(wǎng)絡(luò)為貨運(yùn)提供了巨大的便捷，也使得許多貨運(yùn)車輛在高速上行駛的里程遠(yuǎn)大于在城市道路中行駛里程。隨著電動(dòng)載貨車的興起，如此優(yōu)勢(shì)的高速公路有更多的價(jià)值可以挖掘，也就是近年提出的概念“電氣化公路”。

一、電氣化公路在國(guó)外的研究現(xiàn)狀

電氣化公路的概念最早是由西門(mén)子公司提出的。2015年西門(mén)子與卡車制造商斯堪尼亞宣布，西門(mén)子將在瑞典斯德哥爾摩背部?jī)晒镩L(zhǎng)的E16公路架設(shè)電氣化接觸網(wǎng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)歐洲的第一個(gè)電氣化公路系統(tǒng)[1]。

2017年9月西門(mén)子公司宣布，在德國(guó)一條10公里長(zhǎng)的高速公路上打造接觸網(wǎng)電氣化貨運(yùn)線路。該線路為混合動(dòng)力貨車的電力驅(qū)動(dòng)裝置供電，這是首次在德國(guó)高速公路上進(jìn)行電氣化貨運(yùn)系統(tǒng)的公開(kāi)實(shí)地測(cè)試[2]。2017年12月，特斯拉和西門(mén)子公司聯(lián)合打造的純電動(dòng)半掛卡車完成了隨車充電的高速公路測(cè)試行駛。公路位于美國(guó)加州，路邊架設(shè)供電電網(wǎng)，卡車?yán)密図數(shù)氖茈姽M(jìn)行取電，在需要變道超車時(shí)收回。

二、電氣化公路在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)有許多關(guān)于受電弓-接觸網(wǎng)供電方式的設(shè)想和專利，例如鄭州宇通客車的《一種受電弓和采用該受電弓的客車》；北汽福田的《電動(dòng)汽車的充電控制系統(tǒng)、方法和電動(dòng)汽車》。武漢理工大學(xué)發(fā)表的文章《高速公路貨車接觸網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建》中進(jìn)行了高速公路貨車接觸網(wǎng)電力推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究。這些論文涉及了單弓或雙弓對(duì)置布置的充電系統(tǒng)，但尚未有實(shí)物出現(xiàn)并進(jìn)行測(cè)試的報(bào)道。

電氣化公路重在其電氣化，因此它的供電過(guò)程是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，本文主要進(jìn)行相關(guān)電氣問(wèn)題的討論與研究。由于電氣化公路的形式類似于城市的無(wú)軌電車和高速鐵路，因此在研究過(guò)程中將借鑒高速鐵路和無(wú)軌電車的電氣網(wǎng)絡(luò)。

三、技術(shù)路徑

電氣化公路電路傳遞路徑大致分為三個(gè)部分，一是從高壓輸電線傳遞到接觸網(wǎng)，二是接觸網(wǎng)電路，三是受電弓從接觸網(wǎng)取電后傳遞給牽引電動(dòng)機(jī)或汽車的其他用電部分。下文從三個(gè)方面進(jìn)行討論。

(一)牽引變電所。電氣化鐵路按接觸網(wǎng)給供電分區(qū)供電的牽引變電所數(shù)量不同可構(gòu)成不同的供電方式，以此可分為單邊供電和雙邊供電，單邊供電指一個(gè)供電臂只能從一個(gè)牽引變電所得到電能；雙邊供電指一個(gè)供電臂可同時(shí)從兩個(gè)牽引變電所獲得電能。雙邊供電可提高接觸網(wǎng)末端電壓，但其故障范圍大，繼電保護(hù)裝置復(fù)雜；而單邊供電時(shí)相鄰供電臂在電氣上相互獨(dú)立，相對(duì)于雙邊供電而言更加靈活，當(dāng)一段接觸網(wǎng)故障時(shí)，只影響該部分的供電分區(qū)。因此在電氣化公路的設(shè)計(jì)上，擬采用單邊供電的方式，一方面電動(dòng)載貨車并不需要特別大的電壓，另一方面，靈活的電氣線路無(wú)論是在成本還是維修方面都是極其優(yōu)勢(shì)的。

(二)接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)的供電方式眾多，以電力機(jī)車為參考，不同類型的電力機(jī)車使用不同的接觸網(wǎng)供電方式。電力機(jī)車的供電采用直流還是交流并不是絕對(duì)的，且各有利弊，也各有用法。對(duì)于電氣化公路，應(yīng)該采用類似于國(guó)鐵的供電模式，即“交—直—交”供電模式。原因有兩點(diǎn)，第一，采用直流接觸網(wǎng)對(duì)于長(zhǎng)途線路并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橥局行枰獢?shù)量眾多的變電所，而交流接觸網(wǎng)對(duì)變電所的需求則少很多，直流接觸網(wǎng)更適合于城市軌道交通這類短途線路；以地鐵和輕軌為主要代表的城市軌道交通具有行車密度大、站間距短、啟停頻繁的突出特點(diǎn)。采用直流供電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有電分相[3]。第二，高壓交流技術(shù)比較成熟，對(duì)于高速公路這種長(zhǎng)途路線，高壓供電是十分經(jīng)濟(jì)的。在我國(guó)現(xiàn)階段的鐵路建設(shè)過(guò)程中,會(huì)把高壓線等設(shè)施架設(shè)在鐵路的上方,而這些接觸網(wǎng)線路會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。而且列車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的牽引電流回流對(duì)軌道電路設(shè)備的干擾是很大的[4]。高速鐵路以大地和鋼軌作為電流回路的電氣網(wǎng)絡(luò)屬于非對(duì)稱性電路，四周存在的未被平衡的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其影響范圍內(nèi)的電氣設(shè)備和人員造成不利影響。

(三)受電弓電傳遞路徑。單相交流電經(jīng)牽引變壓器降壓，(其中初級(jí)繞組經(jīng)過(guò)另一個(gè)受電弓從負(fù)極接觸網(wǎng)回到變電所)，隨后經(jīng)過(guò)整流器的整流作用使其輸出為直流電，(此為中間直流環(huán)節(jié)，其意義在于間接變頻，使逆變器輸出的三相交流電頻率與牽引變壓器發(fā)出的交流電頻率沒(méi)有任何關(guān)系，同時(shí)還能起到濾波、穩(wěn)壓和隔離的作用)，最后經(jīng)過(guò)逆變器再將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)壓、可變頻的三相交流電，向車內(nèi)的交流電動(dòng)機(jī)供電。

當(dāng)受電弓滑板與接觸網(wǎng)在機(jī)械上發(fā)生了脫離，會(huì)導(dǎo)致接觸線與滑板之間產(chǎn)生很高的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將擊穿接觸線與滑板間的空氣，使?fàn)恳娏魍ㄟ^(guò)被擊穿的空氣延續(xù)，由此產(chǎn)生了電弧。弓網(wǎng)在接觸和脫離的瞬間都會(huì)出現(xiàn)電弧，但脫離瞬間產(chǎn)生的電弧要比接觸時(shí)強(qiáng)烈的多。弓網(wǎng)電弧雖然維持了牽引電流的連續(xù)性，但電弧溫度極高，可達(dá)6,000～8,000度，弓網(wǎng)電弧的燃燒和淬滅不僅會(huì)使車載高壓設(shè)備頻繁承受過(guò)電壓的沖擊,而且產(chǎn)生的高溫還會(huì)加速弓網(wǎng)電極材料的磨損,縮短受電弓滑板與接觸線的壽命,甚至導(dǎo)致接觸網(wǎng)導(dǎo)線斷線，造成嚴(yán)重的損害[5]。因此弓網(wǎng)之間的電弧現(xiàn)象需要避免，但是由于接觸網(wǎng)存在高低和凹凸不平的誤差，因而弓網(wǎng)電弧是無(wú)法完全杜絕的，只能通過(guò)某些手段降低其影響。

最后，可以采用快速收弓的方法。受電弓與接觸網(wǎng)脫離過(guò)程的時(shí)間越長(zhǎng)，擊穿電壓越大，從而產(chǎn)生的電弧更強(qiáng)烈。因此，在一定程度上加快受電弓脫離速度有抑制電弧的作用。