城市轨道交通供电制式分析探讨 北京城建设计研究总院有限责任公司，梁广深(教授级高工)、邱庆珠（高工）摘要：本文介绍了国外快速轨道交通的供电制式情况，总的来看，采用DC 750V电压第三轨馈电的，占76.8%。采用DC 1500V电压架空接触网馈电约占23.2%。 文章还对城市轨道交通的两种供电方式，进行了分析比较。认为在设备投资方面，DC1500V接触网供电系统与DC750V第三轨供电系统基本持平。DC750V第三轨系统具有6大优点：施工安装和故障抢修方便、区间隧道土建费用低、供电可靠性高、使用寿命长、维修工作量小，维修费用低和城市景观效果好。快速轨道交通作为一种现代化的交通设施，在建设中人们对于城市景观效果、保护环境越来越重视。 关键词：电流 电压 第三轨 接触网 馈电方式,安全 景观1 城市轨道交通供电制式简述1.1供电系统的构成 城市轨道交通列车，是以电力为能源的电动车组，列车在运行过程中不断地从牵引网上获取电能，一个安全可靠的供电系统，是保证轨道交通安全运营的首要条件。 城市轨道交通的供电系统，由变电所、接触网(接触轨)和回流网三部分构成。变电所通过接触网(接触轨)，由车辆受电器向电动客车馈送电能，回流网是牵引电流返回变电所的导体。 牵引网的供电制式主要指电流制、电压等级和馈电方式。目前世界城市轨道交通的直流牵引电压等级,有DC600V、DC750V和DC1500V等多种；我国国家标准<<地铁直流牵引供电系统>>，规定了DC1500V和DC750V两种电压制。 牵引网的馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。其中电压制与馈电方式是密不可分的。一般DC1500V电压采用架空接触网馈电方式。DC750V电压采用第三轨馈电方式。1.2供电制式选择原则： 在选择城市快速轨道交通供电制式时应遵循以下原则： 1 供电制式与客流量相适应 客流量是轨道交通设计的基础。根据预测客流量大小，选择适用的电动客车类型和列车编组数量，一般大运量的轨道交通系统，采用DC1500V电压和架空接触网馈电，中运量的系统采用DC750V和接触轨馈电方式。 2 供电安全可靠 地下铁道是城市交通的骨干，一但牵引网发生故障，造成列车停运，就会影响市民出行，引起城市交通混乱。因此，安全可靠是选择供电制式的最重要条件。 3 便于安装和事故抢修。 选用的牵引网应便于施工安装和日常维修，一但发生牵引网故障，应便于抢修，尽快恢复运营。 4 牵引网使用寿命长，维修工作量小，是降低轨道交通运营成本的重要条件。 5 城市轨道交通是城市的基础设施，应注重环境和景观效果。2 国内外轨道交通供电制式的应用情况2.1国外情况 1供电制式 从1863年伦敦建成世界上第一条地下铁道以来，在近140年的时间内，各国已有近百座城市修建了城市轨道交通。就电压制式而言，在不同的国家和城市，有不同的电压等级。 目前接触网系统的电压等级有DC600V、750V、1100V、1500V和3000V等多种。 接触轨系统的电压等级有DC600V、630V、700V、750V、825V、900V 、1000V和1200V等多种。 地铁与轻轨杂志曾介绍过“世界地下铁道概况表“，表中列举的82条快速轨道交通线中。采用接触网馈电的有19条，约占总数的23.2%，采用第三轨馈电的有63条，约占总数的76.8%。 上述情况说明，DC1500V接触网和DC750V第三轨馈电都是可行的。从世界范围来看，采用第三轨馈电的占多数。 2 当前发展趋向 目前，为了降低工程造价，各国城市快速轨道交通有向地面线和高架线发展的趋向。随着人们环保意识的增强，越来越重视轨道交通的城市景观效果，因此，新建的轨道交通系统采用第三轨馈电的日益增多。 例如，1990年建成的新加坡地铁、号称集中了世界最先进的技术，为保护旅游城市环境，采用第三轨馈电。近年新建的吉隆坡轻轨、曼谷地铁、德黑兰地铁，都采用DC750V第三轨馈电。 近年来，有人说第三轨馈电是陈旧落后的技术，接触网是先进技术。这是一种片面的说法。衡量一条地铁是否先进，应该是它的自动化水平高低，计算机技术和信息技术应用程度，以及是否符合环保要求和景观效果，而不是采用了那种供电方式。这种说法对我国城市快速轨道交通的健康发展是十分有害的。2.2.国内情况 我国自1969年建成北京第一条地下铁道之后，相继已有天津、上海等6个城市的快速轨道交通投入商业运营。其中北京和天津地铁采用DC750V第三轨馈电。上海、广州和大连采用DC1500V接触网馈电。长春轻轨采用DC750V接触网馈电。 正在筹建或将要运营的轨道交通的城市，南京和深圳地铁采用DC1500V接触网馈电。苏州、杭州、武汉和青岛采用DC750V第三轨馈电。3 两种供电制式分析比较3.1设备施工安装比较 架空接触网悬挂在钢轨轨面上方4040mm处。由承力索、滑触线、馈电线、架空地接、绝缘子、支柱、支持与悬挂另部件、隔离开关、电缆及拉锚装置等组成，结构比较复杂。另部件较多。 架空接触网施工安装时，因作业面较高，作业不方便，安装调整比较困难。需要使用专用的架线车和大型机具，施工费用较高。 第三轨安装在车辆走行轨外侧700mm处,高出轨面140mm。由导电接触轨、绝缘子、绝缘支架、防护罩、隔离开关和电缆组成，结构比较简单，另部件较少。第三轨安装高度较低，钢铝复合接触轨每延米重量为14.25kg，施工安装方便，施工机具简单，施工安装费用较低。3.2设备投资比较 现以青岛地铁为例，对两种供电制式的设备投资进行比较。青岛地铁第一期工程长约16.455km，全部为地下线，设13座车站。采用以主变电所为主的混合式供电方案。除去两种供电制式相同部分设备的投资 (2座主变电所、车辆段的1座牵引降压混合变电所和两座降压变电所、10kV电缆网络)，对两种供电制式下可比部分的设备投资比较如下： 1 DC1500V架空接触网方案， 青岛地铁第一期工程，采用DC1500V架空接触网方案，正线上设牵引降压混合变电所6座，设降压变电所7座。 按牵引降压混合变电所每座造价1000万元，降压变电所每座造价400 万元，架空接触网（柔性隧道内）每公里造价165万元计算，系统中可比部分的造价为14262万元。 2 DC750V低碳钢接触轨方案 采用DC750V低碳钢接触轨方案，正线上设9座牵引降压混合变电所，设4座降压变电所。该方案变电所的单价与DC1500V架空接触网方案相同，接触轨每公里造价按103万元计算，系统中可比部分的造价为14009万元。 3 DC750V钢铝复合接触轨方案 钢铝复合接触轨是由不锈钢带，通过机械方法，与铝合金型材相结合制成的接触轨。其特点一是重量轻，每延米重14.75kg；二是电阻率低，牵引网损耗小；三是供电距离较长。 青岛地铁第一期工程，采用DC750V钢铝复合接触轨方案，正线上设7座牵引降压混合变电所(接触网方案为6座)，设6座降压变电所。钢铝接触轨每公里造价按125万元计算。系统中可比部分的造价为13538万元。 由此可见，以设备投资而论，架空接触网方案和低碳钢接触轨方案基本持平。钢铝复合接触轨方案造价最低。3.3供电可靠性比较 地铁每天运营18小时，必须保证不间断地供电。一旦供电中断，就会造成地铁停运，打乱城市交通秩序。因此，安全可靠的供电是选择供电制式的重要条件。 1 架空接触网系统 柔性架空接触网结构复杂、固定支持零部件较多。所以薄弱环节也多。一旦某个零部件发生问题，会引起滑触线脱落、甚至发生刮弓等恶性事故。 另外，架空接触网靠导线张力维持其工作状态，经过多年磨损及电弧烧伤，导线的截面会逐渐减小，其强度也随之降低。加上导线材料的缺陷，在拉锚装置及故障电流作用下，极易发生滑触线断线事故。造成地铁停运。 上述架空线事故，国内几家地铁已发生多起。2001年7月上海地铁1号线，因架空线断线，造成部分路段停运近2小时。 香港地铁于八十年代初建成，采用DC1500V架空线供电。建成后多次发生架空线断裂，造成地铁长时间停运，引起地面交通瘫痪的重大事故。 例如，1991年3月12日的香港报纸，曾用醒目标题报导地铁架空线断裂事件：地铁连串故障几瘫痪，引致港九交通大混乱，逾七小时方恢复正常，令五十万乘客受影响。荔景站滞留4小时，乘客获发“证明书”。 报纸还披露地铁1986年在港岛线，1987年在荃湾线，亦曾因接触网故障，造成停运五个半小时以上的事故。 香港1991年6月19日的报纸，报导了九广电气化铁路(九龙—罗湖)因接触网故障，造成停运事故。称：遭截断电线长达一公里，火车瘫痪十二小时，二十五万乘客受影响。 该报纸还刊登了“九铁故障算旧帐”记年表。例举了1982年至1991年该线发生的39起停运事故。其中因架空接触网故障引起的停运事故为14起，占故障总数的35.8%。每次故障停运时间在2—7小时，最长的达12小时。 上述事实说明，架空接触网供电的可靠性较差。一旦发生断线事故，因高空作业也不便于抢修。 2 接触轨系统 接触轨系统的另部件少，结构比较简单，坚固耐用，不存在断轨和刮碰受流器等事故隐患，北京和天津地铁的三轨系统使用近30年，从未发生过因接触轨故障造成列车停运事故。由此可见，接触轨供电系统的可靠性较高。一旦发生事故，抢修也方便快捷。3.4使用寿命比较 接触网的使用寿命，关系到接触网更新改造的再投资。根据我国电气化铁路的规定，接触网导线断面允许磨耗量为33%，磨耗到限的导线必须及时更换。按此标准，国产架空接触导线的设计使用寿命为15年，实际使用寿命可能略大一些。进口接触线的使用寿命可达20年。就是说采用架空接触网供电，系统每隔15—20年就需要更换一次滑触导线。 接触轨的特点是坚固耐磨，使用寿命长。我国地铁考查人员在伦敦地铁看到了使用100年的第三轨。前几年，北京地铁曾对低碳钢接触轨磨耗状况进行过检测，经过20多年的运营，其磨耗量不到5%。按此推算接触轨使用100年其磨耗量也不到25%。 与此相比，架空接触网在100年内须更换5—6次滑触线。运营单位需要一次次地再投入资金。 因此，从使用寿命和节约投资考虑，接触轨方案具有较大优势。 3.5 维修及管理费用比较 1 架空接触网系统 架空接触网在运营中维修调整工作量较大，需要组建接触网维修工区。按照国家电气化铁路规定，一个接触网工区定员需25人，配备专用的接触网检查车，承担10km左右线路接触网的维修任务。按此计算，一条20km长的地铁，需要设2个接触网工区，定员约50人。 接触网工区的车辆、机具设备、以及人员工资福利等，使运营管理单位每年要付出一笔很大的维修费用及管理费用。 另外，在日常运营中，若接触网发生断线事故，接触网维修车无法开进隧道内，全靠人工抢修。由于作业面高，抢修很困难。香港地铁最长的抢修时间达12小时。 2 接触轨系统 采用第三轨供电，其结构简单坚固耐用，几乎不用维修。北京地铁没有专职的三轨维修人员。由线路维修人员兼顾三轨维修。 平常三轨维修的内容有，擦拭绝缘瓷瓶、检查馈电线接头焊点、调整三轨安装位置、检查防爬设备、调整三轨弯头。，这些简单的维修工作，不需要大型机具设备，所花维修费用较少。因为三轨坚固耐用，也不存在断轨抢修问题。3.6土建费用比较 快速轨道交通的土建费用，与工程地质条件和施工方法有关。地下车站明挖施工，与供电制式无关，盾构法施工的区间隧道断面，两种供电制式相同，不需要进行比较。 用明挖法施工的区间隧道，两种供电制式的净空高度不同，具有可比性。 我国地下铁道限界标准规定，DC1500V架空线系统的隧道净空高度为4.5m；DC750V三轨系统的隧道净空高度为4.2m。二者相差0.3m。 按此计算，DC750V三轨系统，每延米区间隧道(双线)，可节约钢筋混凝土0.42m3， 每公里隧道可节约投资46万元。 用矿山法施工的直墙拱型隧道，DC1500V系统与DC 750V系统，净空高度相差0.25m。每公里隧道减少开挖量2350m3，可节约投资约70万元。3.7城市景观效果比较 随着人们环保意识的增强，越来越重视城市环境和景观。上海地铁3号线建成以后，人们开始反思架空接触网对城市景观的负面影响，实际上这个问题十年以前，在国外已经引起重视。 1990年建成的新加坡地铁67km线路，1998年马来西亚吉隆坡建成的两条高架轻轨，以及1999年建成的泰国曼谷轻轨，从城市景观效果考虑，均采用第三轨馈电。 北京地铁13号线，以地面线和高架线为主，采用第三轨馈电。其景观效果受到了市民的称赞。 前年在杭州地铁的一次评审会上，上海某知名专家，就供电方式问题发表了自己的看法。他说：上海地铁1号线当时预测的客流量较大，选用A型车8辆编组，车组重量达440t。按照这样大的负荷确定系统采用DC1500V架空线供电。 对于一些中等城市，客流量不是很大，选用B型车6辆编组，车组重量不超过300t。在这种线路上，选用第三轨供电比较合适。 他还说：现在看来，架空线系统适合用在地下线。用在高架桥上和地面线上，那么多的电线和电线杆太难看，影响城市景观。特别是旅游城市更要考虑到城市景观效果，应该采用第三轨供电。 广州地铁总结了过去的经验，已确定在地铁4号线上采用DC1500V电压的第三轨馈电方式。由此看来，从城市景观效果考虑，第三轨系统有较大的优势。3.8人身安全比较 系统采用DC1500V架空接触网，其滑触线悬挂在线路上方4m处，不会对轨道维修人员及发生事故时人员快速疏散带来影响。安全性较好。目前，正在研究中的城际间快速轨道交通系统，采用地面线和高架线形式，城市景观退居次要地位。出于人身安全考虑，倾向于采用架空接触网馈电。 DC750V三轨系统，接触轨安装在走行轨旁边，高度较低，在接触轨带电情况下，人员进入隧道，或发生事故时人员快速疏散有一定的危险性。因此，从人身安全考虑架空接触网系统具有优势。 实践说明，由于在三轨上安装有绝缘防护罩，北京地铁运营30多年来也未发生工作人员和乘客被电击伤的事故。3.9 牵引网能量损耗比较 牵引网系统的能量损耗，与牵引网的电压制和馈电方式有关。在列车功率相同的条件下，牵引网电压和列车电流成反比。即牵引网电压提高一倍，其列车电流也减少一倍。因此DC1500V系统比DC750V系统的列车电流减小。 列车电流是沿着牵引网的分布负荷，变电所的间距增大，牵引网的馈线电流成正比增大。DC1500V系统的变电所间距比DC750V系统大，二者牵引网上的实际馈线电流不是1：2的关系。而应该是1：1.5的关系。 另一方面，架空接触网上的线路电阻为23—27mΩ/km，而钢铝复合三轨的线路电阻为8mΩ/km，仅为架空接触网电阻的1/3。根据电能消耗公式：W=I2Rt计算，钢铝复合轨牵引网的电能消耗要比架空接触网的能耗小。3.10 杂散电流腐蚀防护比较 杂散电流腐蚀防护是综合而复杂的工程，它涉及供电制式、轨道扣件、工程结构、接地系统、金属构件等许多方面，同时又贯穿于设计、施工、运营、监测、后期处理等各个环节。某一个环节处理不当，均会产生杂散电流腐蚀。 供电制式是影响杂散电流腐蚀许多环节中的一个。要定量地分析它对杂散电流的影响比较困难。定性地说，由于DC1500V系统与DC750V系统，均按最大电压损失来计算确定牵引网，DC1500V系统的钢轨电位，比DC750V的钢轨电位要高。因此，DC1500V系统的杂散电流值较大。4结束语 4.1 通过对两种供电制式的比较，可以看出，从工程一次投资比较，DC1500V架空接触网方案最高，DC750V低碳钢三轨方案次之， DC750V钢铝复合轨方案最低。 4.2 采用DC750V钢铝复合轨系统，也可以减少牵引变电所数量。 4.3 DC1500V架空接触网方案，在人身安全方面具有优势。 4.4 DC750V三轨方案具有6大优势：即施工安装和故障抢修方便，区间隧道土建费用低，供电可靠性高，使用寿命长，维修工作量小维修费用和管理费用低，城市景观效果好。 4.5 在我国城市化进程中建设的快速轨道交通，应该高起点，注重城市景观效果，为子孙后代造福。以上只是笔者一些想法，愿提出来与同行们探讨。有不当之处，欢迎大家批评指正。
