以受电弓为载体的电气化公路技术研究

□汪兆杰 梁继国

中国的高速公路发展之迅速，举世共睹。庞大的高速公路网络为货运提供了巨大的便捷，也使得许多货运车辆在高速上行驶的里程远大于在城市道路中行驶里程。随着电动载货车的兴起，如此优势的高速公路有更多的价值可以挖掘，也就是近年提出的概念“电气化公路”。

一、电气化公路在国外的研究现状

电气化公路的概念最早是由西门子公司提出的。2015年西门子与卡车制造商斯堪尼亚宣布，西门子将在瑞典斯德哥尔摩背部两公里长的E16公路架设电气化接触网系统,实现欧洲的第一个电气化公路系统[1]。

2017年9月西门子公司宣布，在德国一条10公里长的高速公路上打造接触网电气化货运线路。该线路为混合动力货车的电力驱动装置供电，这是首次在德国高速公路上进行电气化货运系统的公开实地测试[2]。2017年12月，特斯拉和西门子公司联合打造的纯电动半挂卡车完成了随车充电的高速公路测试行驶。公路位于美国加州，路边架设供电电网，卡车利用车顶的受电弓进行取电，在需要变道超车时收回。

二、电气化公路在国内的研究现状

目前国内有许多关于受电弓-接触网供电方式的设想和专利，例如郑州宇通客车的《一种受电弓和采用该受电弓的客车》；北汽福田的《电动汽车的充电控制系统、方法和电动汽车》。武汉理工大学发表的文章《高速公路货车接触网电力推进技术的系统构建》中进行了高速公路货车接触网电力推进相关技术的研究。这些论文涉及了单弓或双弓对置布置的充电系统，但尚未有实物出现并进行测试的报道。

电气化公路重在其电气化，因此它的供电过程是一个十分重要的问题，本文主要进行相关电气问题的讨论与研究。由于电气化公路的形式类似于城市的无轨电车和高速铁路，因此在研究过程中将借鉴高速铁路和无轨电车的电气网络。

三、技术路径

电气化公路电路传递路径大致分为三个部分，一是从高压输电线传递到接触网，二是接触网电路，三是受电弓从接触网取电后传递给牵引电动机或汽车的其他用电部分。下文从三个方面进行讨论。

(一)牵引变电所。电气化铁路按接触网给供电分区供电的牵引变电所数量不同可构成不同的供电方式，以此可分为单边供电和双边供电，单边供电指一个供电臂只能从一个牵引变电所得到电能；双边供电指一个供电臂可同时从两个牵引变电所获得电能。双边供电可提高接触网末端电压，但其故障范围大，继电保护装置复杂；而单边供电时相邻供电臂在电气上相互独立，相对于双边供电而言更加灵活，当一段接触网故障时，只影响该部分的供电分区。因此在电气化公路的设计上，拟采用单边供电的方式，一方面电动载货车并不需要特别大的电压，另一方面，灵活的电气线路无论是在成本还是维修方面都是极其优势的。

(二)接触网。接触网的供电方式众多，以电力机车为参考，不同类型的电力机车使用不同的接触网供电方式。电力机车的供电采用直流还是交流并不是绝对的，且各有利弊，也各有用法。对于电气化公路，应该采用类似于国铁的供电模式，即“交—直—交”供电模式。原因有两点，第一，采用直流接触网对于长途线路并不现实，因为途中需要数量众多的变电所，而交流接触网对变电所的需求则少很多，直流接触网更适合于城市轨道交通这类短途线路；以地铁和轻轨为主要代表的城市轨道交通具有行车密度大、站间距短、启停频繁的突出特点。采用直流供电系统的主要优点是没有电分相[3]。第二，高压交流技术比较成熟，对于高速公路这种长途路线，高压供电是十分经济的。在我国现阶段的铁路建设过程中,会把高压线等设施架设在铁路的上方,而这些接触网线路会产生感应电流。而且列车运行过程中产生的牵引电流回流对轨道电路设备的干扰是很大的[4]。高速铁路以大地和钢轨作为电流回路的电气网络属于非对称性电路，四周存在的未被平衡的电磁场会对其影响范围内的电气设备和人员造成不利影响。

(三)受电弓电传递路径。单相交流电经牵引变压器降压，(其中初级绕组经过另一个受电弓从负极接触网回到变电所)，随后经过整流器的整流作用使其输出为直流电，(此为中间直流环节，其意义在于间接变频，使逆变器输出的三相交流电频率与牵引变压器发出的交流电频率没有任何关系，同时还能起到滤波、稳压和隔离的作用)，最后经过逆变器再将直流电转换为可调压、可变频的三相交流电，向车内的交流电动机供电。

当受电弓滑板与接触网在机械上发生了脱离，会导致接触线与滑板之间产生很高的电场，该电场将击穿接触线与滑板间的空气，使牵引电流通过被击穿的空气延续，由此产生了电弧。弓网在接触和脱离的瞬间都会出现电弧，但脱离瞬间产生的电弧要比接触时强烈的多。弓网电弧虽然维持了牵引电流的连续性，但电弧温度极高，可达6,000～8,000度，弓网电弧的燃烧和淬灭不仅会使车载高压设备频繁承受过电压的冲击,而且产生的高温还会加速弓网电极材料的磨损,缩短受电弓滑板与接触线的寿命,甚至导致接触网导线断线，造成严重的损害[5]。因此弓网之间的电弧现象需要避免，但是由于接触网存在高低和凹凸不平的误差，因而弓网电弧是无法完全杜绝的，只能通过某些手段降低其影响。

最后，可以采用快速收弓的方法。受电弓与接触网脱离过程的时间越长，击穿电压越大，从而产生的电弧更强烈。因此，在一定程度上加快受电弓脱离速度有抑制电弧的作用。