城市轨道交通牵引供电及电力技术分析

摘要：针对目前中国城市轨道交通存在的问题，提出了一种基于牵引供电技术的城市轨道交通牵引供电系统。论述了城市轨道交通的牵引供电系统，对接触网、第三轨进行了简要的介绍，并对三者的利弊进行了深入分析。有关部门需参照更多标准，以便各个城市根据自己的情况选择最适合的牵引供电模式。

关键词：第三轨；电力系统；接触网；城市轨道交通

在许多城市中，城市轨道交通是一种新型运输方式。轨道交通与汽车、公交车等交通工具相比具有明显的差异和优点，例如噪声低、污染低、不会造成交通堵塞等，尤其是在那些人口众多、交通拥挤的地方更是如此。现在的地铁已成为城市交通网络中一个重要组成部分，在缓解通流压力方面作出了重大的贡献。从某种角度来说，城市轨道交通已经成为城市交通网中不可或缺的一部分，在交通运输、缓解交通压力等方面都起到了重要作用，希望城市轨道交通能够更好发展，任何情况下都能稳定运行。随着城市化进程持续加快，城市规模逐步扩大，人口激增，交通问题日益突出。国家科技进步为中国运输体系的发展提供了更加强大的支持。交通系统技术发展成熟，种类繁多。新型的城市轨道交通速度快、污染少、可缓解城市交通堵塞，是今后中国城市交通发展的主要趋势。尽管中国运输体系的发展技术水平较高，但遇到的困难也很多，需要持续革新。在改革技术手段的基础上，重点关注牵引供电系统等关键技术，并持续优化。只有这样，才能保证电力技术的应用功能得到充分发挥，才能保证城市发展轨道交通的安全。因此，对城市轨道交通的牵引电源和电力技术进行研究在轨道交通发展中起着特殊的作用[1]。

1中国城市轨道交通的发展状况

地铁、轻轨、公交车等公共交通是城市轨道交通的一部分。19世纪50年代早期轨道交通首次在英国出现。伦敦的大都会铁路历时9年建成，于1863年初正式投入使用。它的主要动力来自于蒸汽机车，以蒸汽为动力，驱动蒸汽机车运输。随着全球经济的发展和人口不断增长，中国的运输方式也随之发生了变化。交通堵塞问题是全球范围内普遍存在的，中国交通堵塞的情况更为严峻。中国在交通建设和发展过程中，对城市轨道交通的发展给予了越来越多的关注。目前，全球三大城市轨道交通运营里程最长的国家为中国、美国、韩国。

2牵引供电系统在城市轨道交通中的应用

[2-3]轨道交通牵引供电系统指在运输线路上进行电力输送的电力供应，保证电力机车、轻轨、地铁等正常运行，其供电采用牵引网传输。起初，地铁有交流和直流2种动力形式，与技术发展相结合的双重标准电力供应经过相关专家们的努力而得以实现。随着社会的进步和城市的发展，人口增长和交通堵塞问题日趋严重，城市轨道交通系统也面临着越来越大的挑战。交通牵引电力系统关系着交通出行的顺畅度。以下是2种不同的电力供应方式在城市轨道交通中的应用细节。

2.1直流制

很多城市在建设接触网、牵引网、变电站等，部分单位对其进行了大量的研究。电力系统采用的是1500V供电方法，而城市轨道交通则是由电力系统双边供电。电力系统之所以选择双向电源，主要是因为一旦有一条电力线出现故障，就能立刻对线路进行替换，这样才能更好地保证电力运输和牵引电力。建立直流牵引供电网络时，也可以采取杂散的电流保护方法，实现向单独的电力供应网络的均匀传输，还可以进行更远的传送。采用直流系统本身的电力传输方式，电力供应的距离会缩短，会增加项目投资，而且直流牵引电力系统的传输效率也不高，所以直流牵引供电系统没有建设优势。

2.2交流制

交流牵引电力系统是一种单向连接的电力系统。电厂在同一时间安装了2个变压器，并对其进行了单独的双绕组变压。该结构为开放式三角形，电网的接入端为高压侧。表面有2个端口和1个公用的端口，其他的端口连接到牵引母线上，将低压端置于接地端。对于牵引的电力供应系统的降压系统，除了在电源系统的末端提供压力外，还包括在整个线路上设置增压系统，更好地保证了线路照明系统正常运行。牵引式交流电源系统在很长一段时间内都是动态的，所以会产生很大的瞬间接触压力，因此，在交流牵引电力系统中的设备一定要很耐磨损。

3接触网

接触网也叫架空接触网，架空电缆、高架电力电缆是目前城市轨道交通中普遍采用的电力供应方式，另一种电力供应方式为第3个轨道。接触网只有导线的一个电极，在集电器上获得电能，然后由铁轮轨道来完成电流的回归。如果采用胶轮的系统，例如无轨电车，触网会有2条电线，它们不会互相接触，主要是由2个集电杆进行电力收集。根据悬吊的种类，一般可划分成链型悬挂、简易悬挂、刚性悬挂。链式悬挂、简易悬挂都是柔性悬挂，所以也可以分为柔性和刚性2种接触网[4]。

3.1柔性接触网

简单悬吊无承力线，仅有导线，其优势在于支撑高度低，结构简单，在支撑位置上的载荷相对较小。因此，在没有支撑的情况下，轨道交通和城市轻轨中普遍采用了简易悬挂。简明悬吊的不足之处在于悬吊点具有较大的刚性点和较小的跨距。使用时导引头的导向性较差，线路会出现上下摆动，所以不能在高铁上使用。链形悬吊是用吊绳将承载线和电线连接在一起的，解决了简易悬挂存在的有硬点和小跨度2个问题，所以在跨度大、速度大、长距离的电力系统中，较多采用链式悬挂技术。在市内轨道交通中，若采用链式悬挂，雷车最快的时候可以达到120km/h。柔性接触网是轨道交通供电系统中比较常用的一种形式，结构上以简易悬挂、链式悬挂为主，并且简易悬挂本身很方便，在处理它的时候通常无需布置承力线，只要将电线布置好就行了。它的结构很简单，支撑的高度也很低，主要用于无轨或轻轨轨道交通的电力供应系统中。尽管简易悬挂有许多优点，但是它也有一个很大的缺点，那就是它的悬空硬点、跨度小，易产生振动。用链条吊着充分利用吊绳的连接，保证了电线与承力线的连接高效，并且具有速度快、跨度大等优点，可以弥补单纯悬空的不足。这种方法不但可以用于电气化铁道中，并可在高速铁路系统中推广使用，从而保持牵引电力系统本身的功能。

3.2刚性接触网

刚性悬架是用硬金属条代替了传统的柔性导轨，这是一种新的悬吊方法。随着材料与结构力学的发展，刚性悬架具有较大的接触面积和与第三轨道供电的优势，很好解决了由于轨道太重造成的不能悬挂的问题。地铁由地面向地下线路行驶时，与地面列车直接相连。采用刚性悬架，可实现无缝对接，无需重新更换机车。另外，由于采用了集电弓，所以不会有使用集电靴易脱落的缺陷，因而加快了工作速度。当采用刚性界面时，可以更好地进行系统的操作，这是一种特殊的能力。在使用刚性接触网时，一般采用硬金属条，原来的金属丝被替换成了更好的悬架。从有关经验来看，采用刚性接触具有许多优越性，如增大了接触区域，并极大地消除了原有的牵引电源存在的缺陷。对于中国城市轨道交通系统总体来说，这是一种由下往上的转变。使用刚性接触网可以有效地达到缝合衔接，无需其他操作。刚性接触网连接架上的架设，一般采用集电弓的形式，在使用过程中不会发生脱扣现象，从而使接触网在使用过程中发生变化。通常情况下，它主要用于高速轨道交通中。

4第三轨的构成与特征[5]

4.1第三轨的构成

第三轨基本上包括接触轨接头、末端弯头、防爬装置和安装基座。接触式轨道以钢铝制为主，它的结构特点是损耗低、质量好、导电率高、电能损耗低。接触轨接头一般可分为温度伸缩接头和正常接头，其中温度伸缩接头是用来克服由于周围温度而引起的接触轨道变形；普通连接采用铝合金鱼尾钢板来固定每一节的导轨，不保留温度伸缩缝，但支撑点和连接间距不得少于600mm。末端弯头用来保证接触断轨平稳通过。防爬装置用于对接触导轨的自由伸缩部分的膨胀伸缩量加以限制。安装基座一般是一个整体的绝缘基座，并装在枕木或导轨上。

4.2第三轨的特征

第三轨导电性好，因为其采用了钢铝复合接触轨道；单位电阻小，从而可以使电力消耗大幅减少；不再需要在线路上增加馈电电缆，节省了很多运营成本。另外，由于接触导轨是复合材料，所以它耐腐蚀，质量轻，维修量少，维修成本低，运营成本大幅下降。因为第三轨与步行轨道相邻，所以不会对周边环境造成太大的影响。但是，由于在安装时第三导轨与地面的距离很接近，所以在人员安全防护方面很难保证，绝缘设备很容易被污染。这种情况下，会出现闪络现象，进而影响行车。

53种不同类型接触网的优劣[6]

5.1柔性接触网的优点和缺点

简易链式架空接触网的接触线与承载缆绳均有拉力，当接触网出现短路故障时，有可能出现断线危险。夹持构件在承受各种竖向载荷的同时，也承担着导线的拉力引起的各种水平载荷和断裂冲击载荷，这也是零件失效的原因。一旦出现故障，将会造成很大的影响。这是一项高难度的维修工作，需要大量的人力，维修和修复难度大，需要专门的维修设施。

5.2刚性接触网的优点和缺点

与接触轨类似，刚性接触网具有结构简单、事故影响范围小、运行维护工作量小等优势。但其弊端是具有较高的作业面，操作和维修工作要求有专门的维修车辆。

5.3第三轨的优点与不足

第三种导轨具有结构简单、使用寿命更长、电功率相同等特点。与接触网相比，无论是在安装和维修方面都要花费大量的精力和费用，而且不会受到气候的影响，适用于小型隧道。第三条轨道的常见问题是支撑绝缘子损坏、开裂或污垢，因而无需专门的维修机器。加之作业面低，零部件种类少，即使是维修作业也很简单。但是因为第三条轨道非常接近地面，所以一旦有人靠近，就很难做到万无一失。因为离地面太近，所以很容易受到相应的污染。现在的绝缘设备无法实现雨水与自然风的自洁，所以要经常清洁，否则极易造成绝缘闪络事故，从而对车辆的运行产生不利的影响。

6城市轨道交通的供电系统和技术管理方式

6.1供电方式的科学选用

为了保障城市轨道交通供电系统的安全运营，应合理选用供电方法，该方法可以保证电力系统的安全运行。员工应当清楚地了解电力供应的目前状况，并根据需要提供的电力和电力系统的运行反馈，选用适当的方法加强处理。员工应依据电力系统目前的抗干扰性能情况提高电力系统的抗干扰能力，防止故障的发生。员工要根据供电方式的基本原理，确定各种供、用电方式对城市轨道交通的供电方式的影响，根据不利因素分析结果选用适当的方法。

6.2加强电力供应管理

对轨道交通运营工作进行综合规划，合理配置管理工作的内容可以促进城市的电力资源的合理分配和利用。在正规的管理程序中，有关工作人员要自觉承担起自己的岗位责任，坚持以科学管理和安全治理为目标，实现对城市电网调度的优化。根据城市轨道交通供电系统的供电状况，员工应当从工作需要出发，制定相应的管理制度。根据城市轨道交通发展的需要，合理选用不同的供电方式，实现对目前有关资源的合理分配和使用。电力供应模式的选择应以集中供电为主，分散供电为辅，提升城市轨道交通电力系统的安全操作水平。

7结论

随着中国各大城市的交通压力日益增加，中国许多地区的动车、地铁、轻轨都在建设，既方便了人们的出行，又为城市轨道交通电力系统的通电带来新的挑战，特别是在人流量、车辆流量方面。对于更大的城市来说，迫切需要满足城市轨道交通的电力供应。在交通高峰期，城市轨道交通稳定、高效、持续供电非常关键。对于市轨道交通的电力供应，需要进行更加细致深入的研究，加强它在减轻城市交通压力方面的作用。

参考文献：

［1］陈维荣，王璇，李奇，等.光伏电站接入轨道交通牵引供电系统发展现状综述［J］.电网技术，2019，43（10）：3663-3670.

［2］李群湛.论干线铁路与城市轨道统一牵引供电方式［J］.中国科学：技术科学，2018，48（11）：1179-1189.

［3］刘建，刘志刚.新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统的创新理念与实践［J］.都市快轨交通，2018，31（1）：129-135.

［4］胡海涛，郑政，何正友，等.交通能源互联网体系架构及关键技术［J］.中国电机工程学报，2018，38（1）：12-24，339.

［5］陈宫锗，姚应峰.地铁车辆段过渡工程方案研究［J］.现代城市轨道交通，2013（6）：55-57.

［6］何洋阳，黄康，王涛，等.轨道交通牵引供电系统综述［J］.铁道科学与工程学报，2016，13（2）：352-361.

作者：钟迪盛 单位：福州中电科轨道交通有限公司