超级电容牵引供电制式在现代有轨电车上的应用

李 君 孔小铭

（天津泰达城市轨道投资发展有限公司，天津300457）

0 引言

现代有轨电车区别于轻轨和地铁的建设方式，运营线路大多与社会行驶道路共线，穿梭于城市之中，对城市景观要求较高，而传统接触网供电制式对城市景观，尤其是敏感区域的影响更大。为充分体现与城市景观的融合，现代有轨电车的供电制式逐步由接触网向无触网发展，尤其是超级电容无触网供电制式的出现，大大提升了沿线景观和城市形象，因而受到了各车辆主机厂和各城市的广泛关注。

本文将从现代有轨电车供电制式分类、不同供电制式的优缺点、超级电容工作原理及技术特点以及国内超级电容有轨电车应用现状等多个角度进行详细阐述，为后续新线有轨电车工程提供决策依据。

1 现代有轨电车供电制式分类

现代有轨电车作为城市轨道交通的重要分支机构，在供电制式分类上比地铁、轻轨等传统轨道交通更多种多样。从已运营和在建项目建设情况来看，当前有轨电车有两种不同的供电制式：第一种是接触网供电，第二种是无接触网供电，如图1所示。

图1 现代有轨电车供电制式分类

1.1 接触网供电系统

现代有轨电车接触网供电系统类似于轻轨和地铁的传统接触网供电系统，主要由接触悬挂和支持装置组成，接触网供电导线采用高导电率的银铜合金，承力索采用硬铜绞线，支持装置采用旋转腕臂方式或软横跨方式。接触网供电导线悬挂在立柱上，车辆通过受电弓从接触网导线受电。目前，天津、上海、沈阳等已建成的现代有轨电车多采用此种供电方式，如图2所示。它的优点为应用广泛，技术成熟可靠，造价低，国内生产厂家均具备生产能力；但其景观效果稍差，不适用于景观要求较高的城市。

1.2 无触网供电系统

1.2.1 第三轨供电系统

（1）APS地面供电系统：由阿尔斯通公司研发的地面供电系统，特点是供电轨埋设在两股钢轨之间，供电轨表面与轨道面均与地面相持平，属于第三轨供电制式。车辆底部安装受电靴，运行中，地面感应装置检测到有车辆通过时，相应导电轨接通电源而带电，车辆通过受电靴从导电轨上受电，没有车辆通过时导电轨不带电，不对从上面通过的人和社会车辆造成危险。

图2 天津滨海新区现代有轨电车

它的优点是技术成熟，景观效果较好；缺点是工程造价高，且道路表面积水时可能出现漏电隐患，因此对沿线区域排水系统要求较高，我国较多城市排水系统估计很难达到要求。

（2）Tramwave地面供电系统：由意大利安萨尔多公司研发的地面供电系统。该系统采用连续的3～5 m长的模块组成，每个模块上均匀分布着若干段50 cm长金属板。在两股轨道中间埋设电源，电源上方安装导电轨，当列车通过时，受车底磁性受流器作用，导电模块在磁力作用下提升，将电源和导电轨接通，受流器和导电轨相接触得电；列车通过后，磁力消失，导电模块落下，导电轨失电。国内北京、珠海应用该技术。

它的优点是景观效果好，导电轨长度短，且与APS地面供电系统相比，积水深度为10 cm时受流器范围外电压在安全标准内；缺点是工程造价高，平交路口施工质量要求高，后期运营维护工作量大。

1.2.2 磁感应供电系统

由庞巴迪公司研发的磁感应供电系统，原理是将电缆预先埋设在轨道下方并形成回路，在车辆底部布置耦合线圈，车辆通过车载储能装置启动，电缆回路通电形成电磁场，运行中车辆底部耦合线圈不断切割磁力线，产生电磁感应，形成电流，为车辆供电。它的缺点是建设及运营维护成本高。

1.2.3 储能式供电系统

（1）蓄电池供电系统：蓄电池作为储能装置的最大优点是单体电压高、能量密度高，适用于车辆空间有限的情况，它的缺点也比较明显：充电时间较长。国内首辆采用蓄电池驱动的现代有轨电车是南京河西有轨电车，该车由南京浦镇公司生产，该型车充分结合低地板有轨电车技术与蓄电池储能技术，充电方式为车站采用架空接触轨充电，站区间为无网，由车载蓄电池提供牵引动力。车站接触轨安装在站台区域上方，当列车进站时受电弓升起，利用停站的较短时间为蓄电池充电，出站后降弓，由蓄电池独立供电牵引至下一车站再进行充电。该车型配置两组蓄电池装置，每组蓄电池能量达49 kW·h，容量至少为92 Ah，列车充满电后可在AW3工况下独立运行8 km。

（2）超级电容供电系统：现代有轨电车超级电容供电系统是近几年迅速发展起来的一种新型供电系统，它的充放电过程与蓄电池不同，是一种电荷聚集的物理反应，电容单体安全稳定，在火烧、冲击、挤压等情况下都不存在爆炸或燃烧的危险。它引起大家广泛关注的最大优点是充电速度极快，可在极短的时间内在大电流下迅速完成充电作业；缺点是能量密度低，质量体积较大，对当前整车减重指标有较大影响，且占用车辆设备空间大。武汉、广州和淮安等地都采用无触网超级电容供电系统，如图3所示。

图3 武汉“光谷量子号”现代有轨电车

2 超级电容工作原理及技术优点

2.1 工作原理

超级电容器是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量储存的一种新型储能装置。它的基本原理和其他类型的双电层电容器一样，均是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。在双电层电容器中，采用活性炭材料制成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液。当在两端施加电压时，对应的多孔电极上分别聚集正负电子，且因为电场作用，电解质溶液中的正负离子将分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。

2.2 技术优点

对比蓄电池等其他新型储能装置，超级电容有如下技术优点：（1）绿色节能，不污染环境；（2）使用寿命长，可进行50万次充放电，是一般蓄电池的200倍；（3）充电速度超快；（4）充放电效率高，最高可达98%；（5）功率密度高；（6）免维护，工作温度范围广（-40～50℃）；（7）能量回收强，紧急制动能量回收高达85%，比普通有轨电车节能30%左右。

3 国内超级电容现代有轨电车技术参数对比

因超级电容具有技术成熟、可靠度高和全线无触网、景观效果好等优势，国内多个城市都采用此技术，表1列举了武汉、广州和淮安等国内采用超级电容供电制式的现代有轨电车技术参数对比。

表1 国内超级电容现代有轨电车技术参数对比

4 结语

超级电容作为一种新型的车载储能装置，具有安全可靠、绿色环保、免维护等特点，特别是具有超大续航和快速充电能力，是改善和解决电能动力应用问题的突破性元器件。随着国内城市轨道交通的迅猛发展，城市建设对轨道交通的安全运行、环保等要求越来越严格，超级电容无触网供电制式在满足城市景观高要求的同时，也有效解决了当前地面轨道交通所遇到的各种问题，符合城市未来发展需要。

[1]吴泳江，李芾.现代有轨电车新型供电方式发展及运用现状[J].电力机车与城轨车辆，2014，37（5）：5-9.

[2]王健全，袁富卫.城市有轨电车供电方式探讨[J].电力机车与城轨车辆，2015，38（1）：47-51.

[3]杨锐，陈德胜，张剑涛.现代有轨电车储能式供电能耗与配套供电[J].都市快轨交通，2013，26（6）：148-151.