0? 引言

隨著城鎮(zhèn)化及城市群的發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車作為城市骨干公共交通網(wǎng)絡(luò)“補(bǔ)充、延伸、聯(lián)絡(luò)、過(guò)渡”的作用愈發(fā)突出?，F(xiàn)代有軌電車*顯著的特點(diǎn)是造價(jià)低、節(jié)能環(huán)保，其軌道可直接在現(xiàn)有公路上鋪設(shè)，車輛在地面?？俊，F(xiàn)代有軌電車運(yùn)行系統(tǒng)建造成本僅為地鐵的 1/4~1/3，且工期短、污染少，載客量、乘坐舒適感、穩(wěn)定性均高于公共汽車，且兼?zhèn)涑鞘杏^光功能，因此，為助其發(fā)展很有必要對(duì)其供電方式進(jìn)行分析。

1? 傳統(tǒng)有軌電車供電方式

傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛有 2 種供電方式：一種是架空接觸網(wǎng)供電，另一種是地面接觸軌供電。架空接觸網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、架設(shè)方便、投資成本小、散

熱條件好；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜和集中時(shí)，不易架設(shè)、在城市中心架設(shè)接觸網(wǎng)及支柱會(huì)影響城市景觀、限制公路通行車輛高度，且工作條件差，易受環(huán)境條件如冰、風(fēng)、雨、雪、溫度、化學(xué)腐蝕、雷電等的影響。地面接觸軌供電優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)影響城市景觀，不會(huì)受到極端天氣影響；缺點(diǎn)是容易受到異物、積水的損壞，且安全性不高，在電分段與道岔處需隔斷，在一定程度上會(huì)增加車輛牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

2? 現(xiàn)代有軌電車地面供電方式

為避免上述 2 種傳統(tǒng)供電方式的缺點(diǎn)對(duì)現(xiàn)代有軌電車的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)產(chǎn)生不利的影響，近些年國(guó)內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域提出了多種新的現(xiàn)代有軌電車供電

方式，并得到了廣泛驗(yàn)證。

2.1? TramWave 供電方式

TramWave 是意大利安薩爾多公司基于自然磁力技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由玻璃鋼槽、負(fù)極回流條、插座盒、供電模塊、柔性接觸帶、供電電纜等零部件組成。

2.1.1 工作原理

TramWave 地面供電系統(tǒng)采用的是自然磁力技術(shù)，安裝在車輛轉(zhuǎn)向架下方的集電器與地面模塊內(nèi)的彈性磁鐵條都裝有永磁材料，當(dāng)集電器處于放下狀態(tài)時(shí)，模塊內(nèi)的彈性磁鐵條受磁力作用上升，使模塊表面與電源正極連通，集電器通過(guò)與區(qū)段供電模塊的金屬板板面接觸從而將供電電源正極引入車內(nèi)。只有與集電器接觸的區(qū)段金屬板才有電，而當(dāng)集電器離開模塊表面后，彈性磁鐵條受重力作用，回落到與安全負(fù)極相接觸的位置，模塊表面失電，安全負(fù)極維持各區(qū)段接地；當(dāng)集電器處于收起狀態(tài)時(shí)，集電器與模塊之間的磁力強(qiáng)度不足以吸起彈性磁鐵條，因此無(wú)法激活地面供電模塊，所有區(qū)段維持接地狀態(tài)。圖 1 為 TramWave地面供電系統(tǒng)示意圖。

2.1.2 應(yīng)用分析

①安全性：地心引力將確保 TramWave 地面供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)狀態(tài)為安全情況，當(dāng)集電器沒(méi)有位于供電模塊正上方時(shí)，彈性磁鐵條將維持在未激活狀態(tài)。意

外情況下，若模塊內(nèi)部導(dǎo)電卡在上端，導(dǎo)致彈性磁鐵條因重力落下后，供電模塊仍處于導(dǎo)電狀態(tài)，系統(tǒng)將立即斷開保護(hù)開關(guān)；若水滲入模塊，當(dāng)積水情況不嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)可維持正常運(yùn)作；淹水水位過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將立即斷開保護(hù)開關(guān)。因有電區(qū)域永遠(yuǎn)只有與集電器接觸的區(qū)段，故無(wú)觸電的危險(xiǎn)。此外負(fù)極回流是通過(guò)模塊而不是像傳統(tǒng)軌道交通車一樣負(fù)極為走行軌，因此無(wú)雜散電流，可確保乘客安全。

②經(jīng)濟(jì)性：TramWave 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（1 500~2 000）萬(wàn)元 /km。

③可用性：TramWave 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)混合方式供電。模塊化組件組合生產(chǎn)車輛可大幅縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)程，降低車輛購(gòu)置及維修成本。目前意大利的那不勒斯（試驗(yàn)線）、廣東珠海有過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用分析，

TramWave 地面供電技術(shù)是安全、可靠的，但是仍有一些技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步分析和解決，其運(yùn)用成熟度需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全方位的檢驗(yàn)。

2.2? APS 供電方式

APS 是法國(guó)阿爾斯通公司基于車地?zé)o線通信技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由供電接觸軌、供電箱、感應(yīng)裝置、車載天線、集電靴等零部件組成。

2.2.1 工作原理

APS 地面供電系統(tǒng)采用地面接觸軌供電、鋼軌回流制式。供電接觸軌位于兩條走行軌之間，走行軌、接觸軌軌面均與地面持平。接觸軌的導(dǎo)電段每 8 m 增

設(shè)一段 3 m 的絕緣段，如圖 2 所示。

接觸軌每 22 m 由 DC 750 V 一個(gè)直流分段供電，只有當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，由無(wú)線電控制的開關(guān)才使接觸軌通電。安裝在車底 2 個(gè)轉(zhuǎn)向架的集電靴獲得供電。車輛通過(guò)后，接觸軌與走行軌相連，電壓為零。工作流程如下：

①列車的 2 個(gè)集電靴位于供電段 A，供電箱 AB 的AK1 閉合，AK2 斷開，導(dǎo)電段 A 電壓為 DC 750 V，列車通過(guò) 2 個(gè)集電靴受流，走行軌回流；此時(shí) BK1、CK1、DK1 斷開，BK2、CK2、DK2 閉合，導(dǎo)電段 B、C、D 電壓為 0，如圖 3 所示。

②列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，位于列車前端的集電靴進(jìn)入導(dǎo)電段 A、B 之間的絕緣段，供電箱 AB、CD 的全部開關(guān)狀態(tài)與圖 3 一致，導(dǎo)電段 A 電壓為 DC 750 V，列車通過(guò)后端的集電靴繼續(xù)受流，此時(shí)導(dǎo)電段 B、C、D 電壓為 0，如圖 4 所示。

③列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)電段 B 檢測(cè)到列車，供電箱AB 的 BK1 閉合，BK2 斷開，導(dǎo)電段 A、B 通過(guò)不同的 2 個(gè)集電靴為列車供電，此時(shí)導(dǎo)電段 C、D 電壓為 0，如圖 5 所示。

④列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，位于列車后端的集電靴進(jìn)入導(dǎo)電段 A、B 之間的絕緣段，導(dǎo)電段 A 檢測(cè)不到列車，供電箱 AB 的 AK1 斷開，AK2 閉合，列車前端的集電

靴通過(guò)導(dǎo)電段 B 受流，此時(shí)導(dǎo)電段 A、C、D 電壓為 0，如圖 6 所示。

⑤列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，列車的2個(gè)集電靴進(jìn)入導(dǎo)電段B，共同為列車供電，供電箱 AB、CD 的全部開關(guān)與上圖位置一致，此時(shí)導(dǎo)電段 A、C、D 電壓為 0，如圖 7 所示。

APS 供電系統(tǒng)可使列車按上述過(guò)程持續(xù)運(yùn)行，列車可持續(xù)受流。

2.2.2 應(yīng)用分析

①安全性：APS 地面供電系統(tǒng)工作機(jī)制決定了僅有當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，該導(dǎo)電段帶電，且每節(jié)導(dǎo)電段的長(zhǎng)度小于列車長(zhǎng)度，帶電的導(dǎo)電段均處于列車覆蓋的底

部，其余導(dǎo)電段處于接地狀態(tài)，可保證行人安全。

②經(jīng)濟(jì)性：APS 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（4 000~5 000）萬(wàn)元 /km。

③可用性：APS 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)混合方式供電。目前國(guó)外多個(gè)城市有過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用。沿線埋設(shè)大量分區(qū)接觸軌旁設(shè)

備，除了積水會(huì)對(duì)其造成較大程度的影響，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中碰到的另一個(gè)問(wèn)題是絕緣段的磨損每年達(dá)1 mm，與導(dǎo)電段的高度產(chǎn)生差異，這種差異無(wú)疑會(huì)縮短集電靴的壽命，并且可能會(huì)影響其正常工作。此外，積水和雨雪也會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的正常使用帶來(lái)隱患。

2.3? Primove 供電方式

Primove 是加拿大龐巴迪公司基于電磁感應(yīng)技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由直流供電電纜、逆變裝置等部件組成。

2.3.1 工作原理

Primove 供電系統(tǒng)是在軌道中間敷設(shè) DC 750 V 直流供電電纜，并根據(jù)需要每隔一定距離設(shè)置一套逆變裝置，直流饋電電路由 2 個(gè)獨(dú)立并完全絕緣的電纜組成，與沿導(dǎo)軌布置的逆變器相連接，由供電電纜供電。逆變器將 DC 750 V 直流電逆變?yōu)楦哳l AC 400 V 交流電，從而使一次繞組區(qū)域得電，在通過(guò)敷設(shè)在軌道中間的 3 條電纜時(shí)，地面?zhèn)入娐窌?huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。車輛側(cè)感應(yīng)電路安裝在車輛底下，通過(guò)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)出 AC 400 V 交流電，再經(jīng)過(guò)車輛整流裝置將其轉(zhuǎn)換為 DC 600 V 的直流電，供牽引傳動(dòng)、輔助電源系統(tǒng)、車載儲(chǔ)能系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)的傳遞效率取決于二次繞組與一次繞組之間的間隙大小，由于這個(gè)間隙會(huì)在列車運(yùn)行中隨著車體垂直方向的振動(dòng)而變化，所以傳遞效率一直在變化。工作原理如圖 8 所示。

從圖 8 可知，DC 750 V 直流供電電源經(jīng)逆變、整流為牽引逆變器、輔助電源系統(tǒng)及車載儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，牽引逆變器將直流輸入經(jīng)過(guò)逆變?yōu)榻涣鳟惒诫姍C(jī)供電。

2.3.2 應(yīng)用分析

①安全性：Primove 地面供電系統(tǒng)感應(yīng)產(chǎn)生的電流是閉路的，因此軌道內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生回流電流，同時(shí)車輛側(cè)高壓設(shè)備的損壞不會(huì)造成頂網(wǎng)等事故的發(fā)生。

②經(jīng)濟(jì)性：Primove 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（2 000~2 500）萬(wàn)元 /km。

③可用性：Primove 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)混合方式供電。目前仍處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段。盡管無(wú)線電磁感應(yīng)的效率能達(dá)到 90% 以上，但是由于能量的走向經(jīng)過(guò)了逆變裝置、無(wú)線電磁感應(yīng)傳輸、整流裝置等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此其系統(tǒng)效率較傳統(tǒng)的接觸式牽引系統(tǒng)低，整個(gè)系統(tǒng)的效率在 50%~60% 左右；地面一次側(cè)與車載二次側(cè)實(shí)現(xiàn)了物理隔離，不會(huì)有集電靴和接觸軌之間的磨耗問(wèn)題，雨雪天氣也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作造成影響。

3? 比較和分析

綜合考慮國(guó)內(nèi)外已執(zhí)行、在執(zhí)行的現(xiàn)代有軌電車供電方式，架空接觸網(wǎng)供電仍然是運(yùn)用*廣泛、*經(jīng)濟(jì)的供電方式（見表 1）。但從現(xiàn)代有軌電車的定位及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，地面供電方式的有軌電車仍具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。首先地面供電方式減少了架空接觸網(wǎng)、承力索、電線桿所造成的視覺污染，對(duì)現(xiàn)有城市基礎(chǔ)設(shè)施影響較小；其次地面供電方式應(yīng)對(duì)極端特殊天氣的能力更強(qiáng)。

4? 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)是整個(gè)城市軌道交通非常重要的組成部分。相較于 TramWave 和 Primove 地面供電系統(tǒng)，采用 APS 供電系統(tǒng)和架空接觸網(wǎng)組合供電方式更為合理可行。架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)成本低、前期投入少、后期維護(hù)簡(jiǎn)便，比較適合應(yīng)用在遠(yuǎn)郊或地面低洼易產(chǎn)生積水的區(qū)域；在路況較好、城區(qū)中心采用APS 地面供電系統(tǒng)以保護(hù)城市現(xiàn)有景觀。