城市軌道交通供電制式分析探討 北京城建設計研究總院有限責任公司，梁廣深(教授級高工)、邱慶珠（高工）摘要：本文介紹了國外快速軌道交通的供電制式情況，總的來看，采用DC 750V電壓第三軌饋電的，占76.8%。采用DC 1500V電壓架空接觸網饋電約占23.2%。 文章還對城市軌道交通的兩種供電方式，進行了分析比較。認為在設備投資方面，DC1500V接觸網供電系統與DC750V第三軌供電系統基本持平。DC750V第三軌系統具有6大優點：施工安裝和故障搶修方便、區間隧道土建費用低、供電可靠性高、使用壽命長、維修工作量小，維修費用低和城市景觀效果好。快速軌道交通作為一種現代化的交通設施，在建設中人們對于城市景觀效果、保護環境越來越重視。 關鍵詞：電流 電壓 第三軌 接觸網 饋電方式,安全 景觀1 城市軌道交通供電制式簡述1.1供電系統的構成 城市軌道交通列車，是以電力為能源的電動車組，列車在運行過程中不斷地從牽引網上獲取電能，一個安全可靠的供電系統，是保證軌道交通安全運營的首要條件。 城市軌道交通的供電系統，由變電所、接觸網(接觸軌)和回流網三部分構成。變電所通過接觸網(接觸軌)，由車輛受電器向電動客車饋送電能，回流網是牽引電流返回變電所的導體。 牽引網的供電制式主要指電流制、電壓等級和饋電方式。目前世界城市軌道交通的直流牽引電壓等級,有DC600V、DC750V和DC1500V等多種；我國國家標準<<地鐵直流牽引供電系統>>，規定了DC1500V和DC750V兩種電壓制。 牽引網的饋電方式分為架空接觸網和接觸軌兩種基本類型。其中電壓制與饋電方式是密不可分的。一般DC1500V電壓采用架空接觸網饋電方式。DC750V電壓采用第三軌饋電方式。1.2供電制式選擇原則： 在選擇城市快速軌道交通供電制式時應遵循以下原則： 1 供電制式與客流量相適應 客流量是軌道交通設計的基礎。根據預測客流量大小，選擇適用的電動客車類型和列車編組數量，一般大運量的軌道交通系統，采用DC1500V電壓和架空接觸網饋電，中運量的系統采用DC750V和接觸軌饋電方式。 2 供電安全可靠 地下鐵道是城市交通的骨干，一但牽引網發生故障，造成列車停運，就會影響市民出行，引起城市交通混亂。因此，安全可靠是選擇供電制式的最重要條件。 3 便于安裝和事故搶修。 選用的牽引網應便于施工安裝和日常維修，一但發生牽引網故障，應便于搶修，盡快恢復運營。 4 牽引網使用壽命長，維修工作量小，是降低軌道交通運營成本的重要條件。 5 城市軌道交通是城市的基礎設施，應注重環境和景觀效果。2 國內外軌道交通供電制式的應用情況2.1國外情況 1供電制式 從1863年倫敦建成世界上第一條地下鐵道以來，在近140年的時間內，各國已有近百座城市修建了城市軌道交通。就電壓制式而言，在不同的國家和城市，有不同的電壓等級。 目前接觸網系統的電壓等級有DC600V、750V、1100V、1500V和3000V等多種。 接觸軌系統的電壓等級有DC600V、630V、700V、750V、825V、900V 、1000V和1200V等多種。 地鐵與輕軌雜志曾介紹過“世界地下鐵道概況表“，表中列舉的82條快速軌道交通線中。采用接觸網饋電的有19條，約占總數的23.2%，采用第三軌饋電的有63條，約占總數的76.8%。 上述情況說明，DC1500V接觸網和DC750V第三軌饋電都是可行的。從世界范圍來看，采用第三軌饋電的占多數。 2 當前發展趨向 目前，為了降低工程造價，各國城市快速軌道交通有向地面線和高架線發展的趨向。隨著人們環保意識的增強，越來越重視軌道交通的城市景觀效果，因此，新建的軌道交通系統采用第三軌饋電的日益增多。 例如，1990年建成的新加坡地鐵、號稱集中了世界最先進的技術，為保護旅游城市環境，采用第三軌饋電。近年新建的吉隆坡輕軌、曼谷地鐵、德黑蘭地鐵，都采用DC750V第三軌饋電。 近年來，有人說第三軌饋電是陳舊落后的技術，接觸網是先進技術。這是一種片面的說法。衡量一條地鐵是否先進，應該是它的自動化水平高低，計算機技術和信息技術應用程度，以及是否符合環保要求和景觀效果，而不是采用了那種供電方式。這種說法對我國城市快速軌道交通的健康發展是十分有害的。2.2.國內情況 我國自1969年建成北京第一條地下鐵道之后，相繼已有天津、上海等6個城市的快速軌道交通投入商業運營。其中北京和天津地鐵采用DC750V第三軌饋電。上海、廣州和大連采用DC1500V接觸網饋電。長春輕軌采用DC750V接觸網饋電。 正在籌建或將要運營的軌道交通的城市，南京和深圳地鐵采用DC1500V接觸網饋電。蘇州、杭州、武漢和青島采用DC750V第三軌饋電。3 兩種供電制式分析比較3.1設備施工安裝比較 架空接觸網懸掛在鋼軌軌面上方4040mm處。由承力索、滑觸線、饋電線、架空地接、絕緣子、支柱、支持與懸掛另部件、隔離開關、電纜及拉錨裝置等組成，結構比較復雜。另部件較多。 架空接觸網施工安裝時，因作業面較高，作業不方便，安裝調整比較困難。需要使用專用的架線車和大型機具，施工費用較高。 第三軌安裝在車輛走行軌外側700mm處,高出軌面140mm。由導電接觸軌、絕緣子、絕緣支架、防護罩、隔離開關和電纜組成，結構比較簡單，另部件較少。第三軌安裝高度較低，鋼鋁復合接觸軌每延米重量為14.25kg，施工安裝方便，施工機具簡單，施工安裝費用較低。3.2設備投資比較 現以青島地鐵為例，對兩種供電制式的設備投資進行比較。青島地鐵第一期工程長約16.455km，全部為地下線，設13座車站。采用以主變電所為主的混合式供電方案。除去兩種供電制式相同部分設備的投資 (2座主變電所、車輛段的1座牽引降壓混合變電所和兩座降壓變電所、10kV電纜網絡)，對兩種供電制式下可比部分的設備投資比較如下： 1 DC1500V架空接觸網方案， 青島地鐵第一期工程，采用DC1500V架空接觸網方案，正線上設牽引降壓混合變電所6座，設降壓變電所7座。 按牽引降壓混合變電所每座造價1000萬元，降壓變電所每座造價400 萬元，架空接觸網（柔性隧道內）每公里造價165萬元計算，系統中可比部分的造價為14262萬元。 2 DC750V低碳鋼接觸軌方案 采用DC750V低碳鋼接觸軌方案，正線上設9座牽引降壓混合變電所，設4座降壓變電所。該方案變電所的單價與DC1500V架空接觸網方案相同，接觸軌每公里造價按103萬元計算，系統中可比部分的造價為14009萬元。 3 DC750V鋼鋁復合接觸軌方案 鋼鋁復合接觸軌是由不銹鋼帶，通過機械方法，與鋁合金型材相結合制成的接觸軌。其特點一是重量輕，每延米重14.75kg；二是電阻率低，牽引網損耗小；三是供電距離較長。 青島地鐵第一期工程，采用DC750V鋼鋁復合接觸軌方案，正線上設7座牽引降壓混合變電所(接觸網方案為6座)，設6座降壓變電所。鋼鋁接觸軌每公里造價按125萬元計算。系統中可比部分的造價為13538萬元。 由此可見，以設備投資而論，架空接觸網方案和低碳鋼接觸軌方案基本持平。鋼鋁復合接觸軌方案造價最低。3.3供電可靠性比較 地鐵每天運營18小時，必須保證不間斷地供電。一旦供電中斷，就會造成地鐵停運，打亂城市交通秩序。因此，安全可靠的供電是選擇供電制式的重要條件。 1 架空接觸網系統 柔性架空接觸網結構復雜、固定支持零部件較多。所以薄弱環節也多。一旦某個零部件發生問題，會引起滑觸線脫落、甚至發生刮弓等惡性事故。 另外，架空接觸網靠導線張力維持其工作狀態，經過多年磨損及電弧燒傷，導線的截面會逐漸減小，其強度也隨之降低。加上導線材料的缺陷，在拉錨裝置及故障電流作用下，極易發生滑觸線斷線事故。造成地鐵停運。 上述架空線事故，國內幾家地鐵已發生多起。2001年7月上海地鐵1號線，因架空線斷線，造成部分路段停運近2小時。 香港地鐵于八十年代初建成，采用DC1500V架空線供電。建成后多次發生架空線斷裂，造成地鐵長時間停運，引起地面交通癱瘓的重大事故。 例如，1991年3月12日的香港報紙，曾用醒目標題報導地鐵架空線斷裂事件：地鐵連串故障幾癱瘓，引致港九交通大混亂，逾七小時方恢復正常，令五十萬乘客受影響。荔景站滯留4小時，乘客獲發“證明書”。 報紙還披露地鐵1986年在港島線，1987年在荃灣線，亦曾因接觸網故障，造成停運五個半小時以上的事故。 香港1991年6月19日的報紙，報導了九廣電氣化鐵路(九龍—羅湖)因接觸網故障，造成停運事故。稱：遭截斷電線長達一公里，火車癱瘓十二小時，二十五萬乘客受影響。 該報紙還刊登了“九鐵故障算舊帳”記年表。例舉了1982年至1991年該線發生的39起停運事故。其中因架空接觸網故障引起的停運事故為14起，占故障總數的35.8%。每次故障停運時間在2—7小時，最長的達12小時。 上述事實說明，架空接觸網供電的可靠性較差。一旦發生斷線事故，因高空作業也不便于搶修。 2 接觸軌系統 接觸軌系統的另部件少，結構比較簡單，堅固耐用，不存在斷軌和刮碰受流器等事故隱患，北京和天津地鐵的三軌系統使用近30年，從未發生過因接觸軌故障造成列車停運事故。由此可見，接觸軌供電系統的可靠性較高。一旦發生事故，搶修也方便快捷。3.4使用壽命比較 接觸網的使用壽命，關系到接觸網更新改造的再投資。根據我國電氣化鐵路的規定，接觸網導線斷面允許磨耗量為33%，磨耗到限的導線必須及時更換。按此標準，國產架空接觸導線的設計使用壽命為15年，實際使用壽命可能略大一些。進口接觸線的使用壽命可達20年。就是說采用架空接觸網供電，系統每隔15—20年就需要更換一次滑觸導線。 接觸軌的特點是堅固耐磨，使用壽命長。我國地鐵考查人員在倫敦地鐵看到了使用100年的第三軌。前幾年，北京地鐵曾對低碳鋼接觸軌磨耗狀況進行過檢測，經過20多年的運營，其磨耗量不到5%。按此推算接觸軌使用100年其磨耗量也不到25%。 與此相比，架空接觸網在100年內須更換5—6次滑觸線。運營單位需要一次次地再投入資金。 因此，從使用壽命和節約投資考慮，接觸軌方案具有較大優勢。 3.5 維修及管理費用比較 1 架空接觸網系統 架空接觸網在運營中維修調整工作量較大，需要組建接觸網維修工區。按照國家電氣化鐵路規定，一個接觸網工區定員需25人，配備專用的接觸網檢查車，承擔10km左右線路接觸網的維修任務。按此計算，一條20km長的地鐵，需要設2個接觸網工區，定員約50人。 接觸網工區的車輛、機具設備、以及人員工資福利等，使運營管理單位每年要付出一筆很大的維修費用及管理費用。 另外，在日常運營中，若接觸網發生斷線事故，接觸網維修車無法開進隧道內，全靠人工搶修。由于作業面高，搶修很困難。香港地鐵最長的搶修時間達12小時。 2 接觸軌系統 采用第三軌供電，其結構簡單堅固耐用，幾乎不用維修。北京地鐵沒有專職的三軌維修人員。由線路維修人員兼顧三軌維修。 平常三軌維修的內容有，擦拭絕緣瓷瓶、檢查饋電線接頭焊點、調整三軌安裝位置、檢查防爬設備、調整三軌彎頭。，這些簡單的維修工作，不需要大型機具設備，所花維修費用較少。因為三軌堅固耐用，也不存在斷軌搶修問題。3.6土建費用比較 快速軌道交通的土建費用，與工程地質條件和施工方法有關。地下車站明挖施工，與供電制式無關，盾構法施工的區間隧道斷面，兩種供電制式相同，不需要進行比較。 用明挖法施工的區間隧道，兩種供電制式的凈空高度不同，具有可比性。 我國地下鐵道限界標準規定，DC1500V架空線系統的隧道凈空高度為4.5m；DC750V三軌系統的隧道凈空高度為4.2m。二者相差0.3m。 按此計算，DC750V三軌系統，每延米區間隧道(雙線)，可節約鋼筋混凝土0.42m3， 每公里隧道可節約投資46萬元。 用礦山法施工的直墻拱型隧道，DC1500V系統與DC 750V系統，凈空高度相差0.25m。每公里隧道減少開挖量2350m3，可節約投資約70萬元。3.7城市景觀效果比較 隨著人們環保意識的增強，越來越重視城市環境和景觀。上海地鐵3號線建成以后，人們開始反思架空接觸網對城市景觀的負面影響，實際上這個問題十年以前，在國外已經引起重視。 1990年建成的新加坡地鐵67km線路，1998年馬來西亞吉隆坡建成的兩條高架輕軌，以及1999年建成的泰國曼谷輕軌，從城市景觀效果考慮，均采用第三軌饋電。 北京地鐵13號線，以地面線和高架線為主，采用第三軌饋電。其景觀效果受到了市民的稱贊。 前年在杭州地鐵的一次評審會上，上海某知名專家，就供電方式問題發表了自己的看法。他說：上海地鐵1號線當時預測的客流量較大，選用A型車8輛編組，車組重量達440t。按照這樣大的負荷確定系統采用DC1500V架空線供電。 對于一些中等城市，客流量不是很大，選用B型車6輛編組，車組重量不超過300t。在這種線路上，選用第三軌供電比較合適。 他還說：現在看來，架空線系統適合用在地下線。用在高架橋上和地面線上，那么多的電線和電線桿太難看，影響城市景觀。特別是旅游城市更要考慮到城市景觀效果，應該采用第三軌供電。 廣州地鐵總結了過去的經驗，已確定在地鐵4號線上采用DC1500V電壓的第三軌饋電方式。由此看來，從城市景觀效果考慮，第三軌系統有較大的優勢。3.8人身安全比較 系統采用DC1500V架空接觸網，其滑觸線懸掛在線路上方4m處，不會對軌道維修人員及發生事故時人員快速疏散帶來影響。安全性較好。目前，正在研究中的城際間快速軌道交通系統，采用地面線和高架線形式，城市景觀退居次要地位。出于人身安全考慮，傾向于采用架空接觸網饋電。 DC750V三軌系統，接觸軌安裝在走行軌旁邊，高度較低，在接觸軌帶電情況下，人員進入隧道，或發生事故時人員快速疏散有一定的危險性。因此，從人身安全考慮架空接觸網系統具有優勢。 實踐說明，由于在三軌上安裝有絕緣防護罩，北京地鐵運營30多年來也未發生工作人員和乘客被電擊傷的事故。3.9 牽引網能量損耗比較 牽引網系統的能量損耗，與牽引網的電壓制和饋電方式有關。在列車功率相同的條件下，牽引網電壓和列車電流成反比。即牽引網電壓提高一倍，其列車電流也減少一倍。因此DC1500V系統比DC750V系統的列車電流減小。 列車電流是沿著牽引網的分布負荷，變電所的間距增大，牽引網的饋線電流成正比增大。DC1500V系統的變電所間距比DC750V系統大，二者牽引網上的實際饋線電流不是1：2的關系。而應該是1：1.5的關系。 另一方面，架空接觸網上的線路電阻為23—27mΩ/km，而鋼鋁復合三軌的線路電阻為8mΩ/km，僅為架空接觸網電阻的1/3。根據電能消耗公式：W=I2Rt計算，鋼鋁復合軌牽引網的電能消耗要比架空接觸網的能耗小。3.10 雜散電流腐蝕防護比較 雜散電流腐蝕防護是綜合而復雜的工程，它涉及供電制式、軌道扣件、工程結構、接地系統、金屬構件等許多方面，同時又貫穿于設計、施工、運營、監測、后期處理等各個環節。某一個環節處理不當，均會產生雜散電流腐蝕。 供電制式是影響雜散電流腐蝕許多環節中的一個。要定量地分析它對雜散電流的影響比較困難。定性地說，由于DC1500V系統與DC750V系統，均按最大電壓損失來計算確定牽引網，DC1500V系統的鋼軌電位，比DC750V的鋼軌電位要高。因此，DC1500V系統的雜散電流值較大。4結束語 4.1 通過對兩種供電制式的比較，可以看出，從工程一次投資比較，DC1500V架空接觸網方案最高，DC750V低碳鋼三軌方案次之， DC750V鋼鋁復合軌方案最低。 4.2 采用DC750V鋼鋁復合軌系統，也可以減少牽引變電所數量。 4.3 DC1500V架空接觸網方案，在人身安全方面具有優勢。 4.4 DC750V三軌方案具有6大優勢：即施工安裝和故障搶修方便，區間隧道土建費用低，供電可靠性高，使用壽命長，維修工作量小維修費用和管理費用低，城市景觀效果好。 4.5 在我國城市化進程中建設的快速軌道交通，應該高起點，注重城市景觀效果，為子孫后代造福。以上只是筆者一些想法，愿提出來與同行們探討。有不當之處，歡迎大家批評指正。