关于城市轨道交通牵引供电制式选择的研究

赵玮

摘  要：在城市轨道交通系统中，牵引供电制式的选择是直流牵引系统设计及设备选型的基础，本文是从城市軌道交通牵引供电制式中的电压制式和受电制式两方面进行研究，对各自制式的优缺点进行比较，研究出在不同的城市轨道交通系统中如何选择牵引供电制式，并结合未来城市轨道交通的发展方向，提出了相对优选的牵引供电制式。

关键词：城市轨道交通系统   牵引供电制式   电压制式   受电制式

一、牵引供电制式中电压制式的对比

“电”一直是城市轨道交通系统的能量提供形式，在传统的牵引供电系统中，有采用直流系统，也有采用交流系统的。结合国内外多年发展的经验，国家标准中已规定的电压制式有单相工频25kV交流制式、直流750V和直流1500V三种常用制式。其中单相工频25kV交流制式一般适用于运量大、负荷重、速度高、运输距离长的干线电气化铁路，而城市轨道交通的特点是快速、便捷、短运距、并成网络化的发展趋势，因此单相工频25kV交流制式并不适用于城市轨道交通系统，因此不做比较，仅对直流750V和直流1500V电压制式进行比较。

直流750V和直流1500V两种电压制式只有电压等级不同，因此从电压等级的影响方面进行对比，在相同负荷条件下，电压等级对牵引供电系统的影响主要有供电牵引距离、绝缘距离以及线路损耗。

1、对牵引距离影响的对比

根据平均运量法中最大瞬时压降的计算方法，双边供电时：

—最大瞬时压降

—列车最大启动电流

L—供电牵引距离

r—每公里馈出线的电阻值

m—馈出段内的列车数

—列车平均电流值

根据国标GB/T10411-2005中的相关规定：直流750V最大允许压降为250V，而直流1500V最高允许压降为500V。

列车启动电流，在相同负荷情况下，直流1500V系统是直流750V系统的列车启动电流的50%。

因此，在理论计算中，直流1500V的供电距离是直流750V供电距离的2—3倍。但因采用走行轨回流，走行轨电阻率高，过长距离会增加线路损耗，造成钢轨轨电位提高，因此供电距离并不呈现成倍增长，在实际的应用中直流1500V的供电距离一般为3—4公里，而直流750V系统的供电距离一般不超过2公里。

电压等级的提高使供电牵引距离大大增加，直流牵引系统的组网更加灵活、简便。牵引距离的增加也使牵引变电站的数量大大减少，节省了工程的投资，因此直流1500V制式在牵引供电能力上有更大的优势。

2、对绝缘距离影响的对比

电压等级越高，供电系统对绝缘的要求越高，牵引供电系统的导流部分采用裸露的金属材料，对车体与建筑物的绝缘采用空气间隙绝缘，除支撑部分使用绝缘子（绝缘瓷瓶）外，根据GB/T 10411-2005中的相关规定，带电体与建筑物、车体之间应满足下表中最小安全净距的要求：

带电体与建筑物、车体间最小安全净距

直流1500V比直流750V的静态安全净距高出了4倍。安全净距的加大直接影响的就是对建筑物及车体安全距离的加大，相应的土建建设投资以及设备设计难度也将增加，而且电压等级的升高对人身安全的影响也更加严重。因此直流750V制式对安全防护的要求更低，在工程运用中更加容易。

3、对线路损耗的影响的对比

在对能源的节约利用方面，因电压等级的提高，相同负荷条件下，直流1500V系统的正常工作电流是直流750V系统的正常工作电流的50%。

根据：

p=Ir

p：损失在线路上的功率

I：正常工作电流

r：线路纵向电阻

牵引电流的降低，损失在线路上的功率将大大降低。因此，在相同的牵引机组容量下，直流1500V制式比直流750V制式所能输出的功率更高，使得牵引系统有了更高的容载能力。

综上所述，直流1500V电压制式在轨道交通中应用拥有投资低、组网灵活、容载能力强、节能等诸多优点，而其中的绝缘距离加大等问题，可以通过适当加大建筑结构的方法解决，而且与城市轨道交通的发展方向一致，相较于其他两种制式有更大的优势。

二、牵引供电制式的受电制式的对比

牵引供电系统的受电方式是指将电能提供给列车的方式，在传统的受电方式中，正极主要有第三接触轨受电方式以及架空接触网受电方式，负极多采用走行轨回流的方式，在一些新型的轨道交通系统中，也有采用第四接触轨回流的方式。

1、正极受电制式的对比

第三接触轨受电方式在北京地铁有着丰富的应用经验，第三接触轨系统主要由接触轨、绝缘支架（或绝缘瓷瓶）及其底座、防护罩、隔离开关、上网电缆等元件组成，车辆通过受电靴给列车供电，拥有组成结构简单、后期维护少的特点，接触轨材质现多采用钢铝复合轨，导电材料为铝，导电截面积可以达到4390mm²，电阻≤0.0078Ω/km，相当于铜材质导电截面积约为2680mm²，载流能力在所有受电形式中首屈一指。但接触轨在供电分区处需有14m左右的断电区用来隔离供电区间，造成列车供电连续性差;在接触轨端头处需设置适当纵向坡度的端部弯头供受电靴与接触轨接触，接触断开时拉弧打火现象严重，高速时还会对受电靴造成较大冲击，严重时会损坏受电靴，甚至造成接触轨接地短路等事故，因此，接触轨受流列车运行速度一般被限制在≤90km/h，存在一定的局限性。

架空接触网受流制式来源于电气化铁路，是车辆利用受电弓接触悬置在车辆上方的带电接触线为列车提供电能的一种受电方式，最早的架空接触网采用柔性懸挂方式，由接触线、支持装置、定位装置、补偿装置、架空地线、支座等组成，构成结构复杂，后期维护量大，可靠性较接触轨系统有所降低，因此在柔性架空接触网的基础上又发展了刚性架空接触网，刚性架空接触网改变了传统架空接触网的悬挂式安装方式，使用刚性汇流排将接触线固定，刚性接触网提高了系统的可靠性，降低了后期维护工作，又保留了柔性接触网供电连续性好的优点，不存在断电区，适用于高速运行的列车，最高运行速度可达到140km/h，但刚性架空接触网也有一定的局限性，因其安装特性，只能运用于隧道内，在高架区段仍要使用柔性悬挂方式，并且需要在相接处设置刚柔过度装置。

综上所述，根据轨道交通系统发展方向，在正极受电制式中，刚性架空接触网形式因其供电连续性好，可靠性高，后期维护少，运行速度高等特点，在正极受电制式中得到越来越多的应用，相较于第三接触轨方式也有较大的优势。

2、负极回流制式的对比

在现有的城市轨道交通系统中，无论是第三接触轨系统还是架空接触网系统，多数都采用了利用走行轨作为回流路径的方式，但因为直流系统要求绝缘安装，走行轨作为直流系统的一部分也许要绝缘安装，但走行轨是主要承载列车重量的元件，多采用60kg/m钢轨，相较于铜铝材质的接触轨（网）电阻率高，使得线路纵向电阻过高，线路损耗大，造成走行轨对地电位升高，又因为无法使用绝缘子（绝缘瓷瓶）等作为主绝缘，只能采用铺设绝缘层，使用绝缘扣件等方式加强走形轨绝缘，但绝缘效果并不好（地铁设计规范（GB50157-2003）中规定，对新建线路走行轨对地电阻之间的过渡电阻值要求为不小于15Ω·km）。走行轨对地绝缘不良，对地电位升高，直接造成了杂散电流的增大，进而产生了对结构钢筋及金属管线的电腐蚀等问题，降低了地铁系统的使用寿命。

为了解决杂散电流的问题，可以从几个方面进行研究，一降低走行轨纵向电阻同时增强走行轨对地绝缘的方式，但钢轨的材质局限了这方面的研究方向，只能采取走行轨并接电缆，走行轨间增加均流电缆的方式，减小走行轨的纵向电阻;而增强走行轨对地绝缘的方式也没有找到好的方法，因此，第二个研究方向应运而生，使走行轨脱离回流路径的角色，使用专用的回流路径，即第四轨回流方式，第四轨回流可以使用与接触轨（网）相同材质的铜、铝或合金等材料，起到降低回流系统电阻率的目的，并可以利用绝缘支架（或绝缘瓷瓶）等元件加强回流路径的绝缘电阻，使直流系统完全对地绝缘。从而杜绝杂散电流的问题。

第四轨回流技术需对车辆结构重新进行设计，对直流牵引供电系统的保护配置也有较大影响，现在只在一些新型的轨道交通系统中有所运用（如低速磁悬浮系统），但应用经验过少，因此第四轨回流方式的应用还需要进行更多的科学论证和设计实验。因此走行轨回流的方式依旧是未来轨道交通中最多采用的方式。

三、结论

结合上述的研究分析结果以及在以往的应用实践中总结的经验：

直流750V系统因其供电能力的限制，多采用第三接触轨受电，走行轨回流的方式，此种方式适用于短运距，低载荷，低运行速度的城市轨道交通系统。

直流1500V供电距离长，容载能力强，多采用架空接触网受电制式，走行轨回流的方式，适用于长运距、高载荷、高运行速度的城市轨道交通系统。

直流750V接触网供电制式，根据上述的分析结论，直流750V电压制式的供电能力有限，运距短，不能充分体现出接触网系统高运行速度的特性，因此直流750V接触网制式并不合理，不适用于工程应用。

直流1500V第三接触轨供电制式，此种供电制式也是争议最大的，电压等级的提高，使得第三接触轨对建筑物，对车体的安全净距要求也有了较大的提高。对建筑物及支撑绝缘可以通过加大建筑结构，提高绝缘支座绝缘等级的方式解决，但接触轨位于列车下方，安装的空间有限，如何保证接触轨对车体的安全净距是一个急需解决的课题，在现有的应用上，还没有定型的产品予以验证，而接触轨采用下部受流方式，接触轨与车体间增加绝缘护板的方式，以此来减小安全净距的方式是一个解决此问题的方向，但因没有确切的实际应用经验，其安全性还有待进一步验证。

结合未来城市轨道交通的发展趋势，直流1500V刚性架空接触网供电制式应当是未来城市轨道交通牵引供电制式的最优选择。而随着科技的不断发展，杂散电流的问题也被越来越多的专家学者所关注，如何解决杂散电流问题已成为轨道交通行业的一个重要课题，除了从减小走形轨电阻率和加强走行轨对地绝缘的方面进行研究外，第四轨回流方式作为可以彻底解决杂散电流问题的方法，应该作为一个重点的研究方向。

参考文献

[1]施仲衡，周庆瑞，郑晓薇，等.地铁设计规范GB50157-2003.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部

[2]周建，赵力，于松伟，秦国栋.城市轨道交通直流牵引供电系统GB/T 10411-2005.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会

[3]李胜利，孙京健，宋杰，等.城市轨道交通钢铝复合导电轨技术要求CJ/T 414-2012.中华人民共和国住房和城乡建设部

[4]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析.西南交通大学出版社