悬挂式单轨交通供电系统经济性分析

肖立君　向光海

摘 要：本文介绍了悬挂式单轨交通的特点，结合国内具体工程，分析了接触轨和蓄电池两种供电方案，通过经济性对比得出了一定结论，并给出了相关的建议。

关键词：悬挂式单轨；供电制式；接触轨；蓄电池；经济对比

中图分类号：U239.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0146-03

随着我国国民经济的持续快速发展，国家城镇化步伐加速，城市基础设施特别是城市交通设施与城市化发展的矛盾逐渐显现。从各国城市化发展的实践来看，通过发展轨道交通来缓解出行压力，是解决城市交通拥堵问题的主要措施。

《国务院关于加强城市基础设施建设的意见（国发〔2013〕36号）》提出“公共交通基础设施建设。鼓励有条件的城市按照“量力而行、有序发展”的原则，推进地铁、轻轨等城市轨道交通系统建设，发挥地铁等作为公共交通的骨干作用，带动城市公共交通和相关产业发展。”地铁作为中大运量的轨道交通方式，在中心城区能够不受地面环境影响，快速穿梭在地下，受到大中城市的普遍青睐。但其每公里5-8亿元人民币的造价，需要雄厚的财政支持及大运量的客流基础。悬挂式单轨（也称空轨）是一种中小运量的轨道交通方式，作为中小城市的骨干公共交通的同时也是地铁的补充和延伸，规划建设悬挂式单轨使其与其它公共交通相结合，发挥各自优势，能更好的完善城市轨道交通运输体系。

悬挂式单轨列车在空中运行，可以减少对道路资源的占用，同时开辟了新的交通运行空间，在无需扩展城市现有道路设施的基础上可缓解城市交通难题，具有投资少、建设周期短等优点，在国内具有一定的应用前景。悬挂式单轨交通在我国尚处于起步阶段，作为轨道交通供电系统设计人员，希望通过对悬挂式单轨交通供电系统的供电制式和经济性的初步分析，为今后供电系统制式的选择提供参考。

1 悬挂式单轨交通特点

悬挂式单轨交通明显特征是车辆悬挂于带型轨道梁下方。轨道梁呈箱型，下方开口，车辆走行轮、导向轮等置于梁体腔内，车辆通过悬吊装置悬挂在轨道梁下方行驶。悬挂式单轨交通车辆图1所示，轨道梁图2所示。

悬挂式单轨交通桥梁图3所示，一般情况下，标准轨道梁下部结构，单线采用倒L形墩柱，双线采用Y形墩柱。城市道路净高约为5m，车辆高度约2.6m，为了保证行车安全和满足行人视觉两个方面的要求，桥梁高度宜稍大，因此一般地段桥梁下面的净高约为9.5m。

悬挂式单轨转向架图4所示，悬挂式单轨每节车辆装有两台转向架，转向架由构架、橡胶轮胎、空气弹簧、枕梁、牵引电机以及悬挂构件等装置组成[1]。悬挂式单轨走行轮在走行轨上竖直平面内滚动，负责承重、牵引以及制动；导向轮在水平面内转动，负责导向及缓和横向振动。

悬挂式单轨交通具有几点优势：（1）投资少、经济性好：地铁建设需要5～8亿元/km，轻轨需要3～4亿元/km，而悬挂式单轨交通系统的资金投入仅约为1.2～2.0亿元/km，悬挂式单轨交通的造价约为地铁的20%～30%，约为轻轨的40%～50%。（2）施工简单、建设周期短：悬挂式单轨施工简单，轨道梁在工厂中预制，现场拼装，既保证了精度又便于施工。施工过程中，主要进行地面打孔，挖掘量非常少，因此可以大大缩短建设工期。20公里左右的线路大约需要2年时间，约为地铁建设三分之一的建设周期。（3）低碳、环保：悬挂式单轨采用电力驱动，运行中无废气排放。且采用橡胶轮胎，转向架置于轨道梁内部，大大降低了运营中产生的噪音污染。

悬挂式单轨交通适用于：连接大城市和卫星城之间的主要交通干线；作为城区通往机场、码头、火车站等对外交通枢纽中心的客运交通干线；作为城市风景观光游览线；用于博览会、游乐场等短途交通运输或观光。

2 国内外现状

1893年德国人Eugen Langen开始研究悬挂式单轨系统（应用于后来的乌帕塔尔市）。1972年，德国联邦政府委托西门子公司和多特蒙德大学对悬挂式单轨进行技术改造，并把这种现代悬挂式列车系统的名称定为“H-Bahn”[2]。空轨车辆在德国和日本等地有运营线路，目前德国和日本的5个城市，共7条悬挂式单轨线路正在运营。国外部分单轨项目情况表1所示。

悬挂式单轨作为城市公共交通在我国起步较晚。2011年德国H-Bahn国际空列集团联合中国中铁宝桥集团、中车集团等单位，对悬挂式单轨交通系统开展研究。随着国际空列集团的市场推介，国内成都、贵州、济源、泰安、乐山等城市均已有项目的前期规划规划和建设中。截止目前我国尚无已投入商业运营线路，但已有2条试验线成功运行。国内运行单轨项目情况表2所示。

3 悬挂式单轨供电方案

3.1 基础资料

以国内某悬挂式单轨交通工程为例，对车辆供电采用不同的制式制定相应方案，并进行经济性对比分析。

（1）线路：全长约6.7km，全部为高架线。（2）车站：设车站8座，平均站间距900m，最大站间距1700m，最小站间距590m。（3）车辆编组：2辆编组，最高速度50km/h。（4）列车运行交路：近、远期均采用单一交路运行，近期高峰小时开行对数15对，远期高峰小时开行对数20对。

3.2 接触轨供电方案

3.2.1 牵引供电电压等级选取

国内外采用接触轨供电制式的悬挂式单轨交通，应用的牵引供电电压等级主要有AC400V、DC1500V、DC750V三种。

在IEC（国际电工委员会）和UIC（国际铁路联盟）的规定中有600V、750V、1500V、3000V四种直流电压制和AC25kV、50Hz的一种交流电压制式。我国GB 50157-2003《地铁设计规范》、GB/T 3317-2006《电力机车通用技术条件》等有关标准中规定：城市轨道交通车辆的供电制式为DC750V、DC1500V两种；干线电气化铁路的供电制式为AC25kV、50Hz。AC25kV电压等级适用于城际线或省间等长大距离、大规模客流、重载的铁路或城郊轨道交通项目，绝缘距离要求比其它电压等级明显大的多，对于距离短、客流量小、车型小，梁体内空间小的悬挂式单轨系统，属于大马拉小车的情况，技术及经济不合理。国外悬挂式单轨AC400V电压等级，采用的是三相四线制。根据我国《地铁设计规范》和《供配电设计规范》，AC400电压等级电动机电压波动允许范围为±5%额定电压。根据计算，按最大压降5%控制，AC400V接触轨按与DC750V接触轨同等单位电阻计算，对于2辆编组列车，AC400V电源最长供电臂长度为650m（国外资料，AC400V电压等级供电臂一般长度为500m）。本线平均站间距为900m，因此AC400V电压等级供电能力不够，且AC400V电压等级不是我国轨道交通标准供电电压等级，因此不推荐采用。DC750V电压等级在我国轻轨线路和早期地铁线路应用较多；DC1500V电压等级在我国地铁项目应用比较多。基本可以判断悬挂式单轨交通有DC750V和DC1500V两种电压等级可供选择。根据模拟计算，采用DC750V电压等级，本线正线需设置2座牵引变电所，一座牵引所解列，另一座牵引所单边供电距离约3.8km。采用DC1500V，由于本线线路短，正线设置1座牵引所即具备全线供电能力，但从保证供电可靠性角度，另设置1座，两座牵引所相互支援供电。DC750V和DC1500V牽引供电设备，包括变电内设备、接触轨等，投资基本相当，DC1500V高出不到5%；经向车辆厂家咨询，采用两种不同电压等级，均可实现，车辆费用也基本相当。

综上分析，由于本线线路短，采用DC750V电压等级较为合理：设备投资少，采用低电压等级低，绝缘要求低，设备部件更易选型。

3.2.2 外电源及中压供电网络方案

地铁外电源供电方式主要有分散式、集中式和混合式三种。悬挂式单轨交通载客量少、车辆编组小、发车间隔大，宜采用分散式供电方式。根据潮流计算，仅考虑满足供电能力，本线设置1座AC10kV开闭所即可满足全线负荷需求。但鉴于空轨悬挂于空中，人员疏散及救援相对地面困难，从安全运营角度建议全线设置2座开闭所。

目前未有针对悬挂式单轨系统专门的设计规范来定义负荷等级，因此对各类负荷采用单路电源（单环网）还是双路电源（双环网）还存在争议。接触轨供电方案和蓄电池供电方案采用统一的环网型式，不影响经济性对比结论。鉴于悬挂式单轨的特殊悬挂型式，参照跨座式单轨供电系统，中压供电网络按双环网方案考虑。采用接触轨供电模式，牵引变电所内设置整流机组，将AC10kV电源转换为DC750V。悬挂式单轨供电系统图5所示。

3.2.3 车载电池供电方案

目前应该用于悬挂式单轨的电池类型为磷酸铁锂动力蓄电池，电池位于桥梁腔内，置于转向架之间，随车移动，通过储存的电能向车辆供电。在车辆基地设置充电场所，利用充电桩向电池充电。充电桩输入电压为AC380V。为充分发挥蓄电池的储能特性并充分享受分时电价优惠政策，在晚上用电低谷期向蓄电池充电。

按照蓄电池车辆每次充电时间约为1h～2h，每次行驶70km，车公里能耗1.9kWh/节/km（含再生能量吸收）考虑，同时，为满足发车间隔，以增配电池组的方式实现运营时期的列车电能。按3.1节基础资料，车辆在正线一个往返需要电能为50kWh。按全日行车计划，全天全线用电量近期需约6270kWh，远期需约8660kWh。

车载电池制式，供电系统不需要向车辆供电，由于充电桩进线电源电压为AC380V，可直接采用AC10/0.4kV配电变压器供电，因此供电系统不需要配置常规的牵引供电系统，包括整流机组、接触轨等，只需配置动照配电网络。供电系统构成方案如图6所示。

4 悬挂式单轨经济性对比

4.1 对比原则

（1）以列举的线路为例进行分析，由于该地电费分时段计费，不同时段电费不同，因此经济性对比费用除包含设备固定费用外，还应将变动费用（电费）计入。当地电费政策表3所示，每度电电池成本暂按照约3000元考虑，国家给予新能源补贴暂按照1700元考虑。（2）费用除一次性投入外，由于设备寿命不同，更换周期不同，相同时间段内综合投入会不同，因此经济对比中时间因素应考虑在内，比较周期统一按30年考虑。（3）完整的供电系统，除牵引变电所、接触轨、环网等组成部分外，还包括电力监控系统、动力照明系统（含降压所）等。由于电力监控系统、动力照明系统受牵引供电系统方案变化影响不大，因此本节经济对比中对于费用相同部分不再列出，仅对比不同部分。

4.2 经济性对比

各供电方案综合经济对比表表4所示。

上表仅列出了不同项的费用，对于相同项没有计列；表中费用为30年费用，DC750V供电设备寿命按30年考虑，电池寿命按5年考虑；“/”前后含义：不考虑电池回收费用/40%残值回收；（）内费用为考虑了国家新能源补贴的费用。

5 结论及建议

本文以列举工程为例进行分析，通过对采用接触轨供电、车载电池供电两种方案的经济性对比，主要结论如下：

（1）接触轨供电方案供电设备一次性到位，使用周期30年，车载电池每5年一个更换周期，从4.2节表4中（表中电池供电方案固定费用为30年内更换5次后的总费用）可以看出，系统初期投资，车载电池方案费用少。（2）全寿命周期考虑，在没有国家能源补贴的的情况下，接触轨供电方案节省投资。（3）在经济方面投资相近的情况下，由于接触轨供电方式更为成熟，会更有优势。（4）本文以某线为例，经济对比中考虑了该地的分时计费的电费政策，对于其他省区城市应以当地电费政策为依据。（5）接触轨供电方案中，因实例工程站间距小，采用DC750V更为合理，但对于存在大间距的线路，如超过7km的车站间距，宜考虑采用DC1500V电压等级，尽量避免设置区间牵引所，方便检修。（6）悬挂式单轨交通电池技术尚处在不断自我完善的过程，运营经验尚存在欠缺，充电过程对运营的影响还需要进一步的工程验证，因此，工程实施时需要结合工程实际情况以及国家的能源政策，最终确定不同方案的经济性。

参考文献

[1]李芾，许文超，安琪.悬挂式单轨车的发展及其现状[J].机车电传动，2014，（2）：16-20.

[2]姚學斌，屈海洋，雷张文，等.悬挂式单轨车辆[J].工业，2015，（20）：204.