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轨道交通供电系统

摘要

城市轨道交通作为一个新兴的公共交通模式正在中国各地如火如荼的发展壮大着。

作为城市轨道交通重要组成部分的牵引变电系统更是需要大力关注。

所以我希望此文，通过对城市轨道交通电力牵引两种制式的比较，能在城市轨道交通电力牵引制式选择和建设时有一定的参考价值。

文章先是阐述了城市轨道交通有关牵引供电制式选择的意义、原则并介绍了一些国内外的情况；其次对城市轨道交通牵引供电制式的种类和特点作了简要介绍。

接着分析了城市轨道交通线网的牵引供电制式受各种相关因素影响与不同状况制约，并作了比较。

最后，在综合了各方面因素后，对两种牵引电压等级和牵引制式做了综合评价。

另外，文章还关注了两种新型城市轨道牵引供电系统，意在说明牵引供电方式是在不断发展的。

所以我个人认为：

选择适合城市实际情况以及地区需要的城市轨道牵引电压及制式是十分重要的。

通过对各种牵引电压等级及牵引方式的比较后认为，城市轨道交通牵引供电系统应力求统一，这样无论是对于前期的工程建设，平时的管理维护，还是后期的发展都有利。

当然,随着轨道交通的发展，新型的轨道交通牵引方式将层出不穷，我们应本着务实、合理、发展的眼光去对待城市轨道交通的牵引供电工程的建设。

关键词：

城市轨道交通，牵引制式，电压等级

Abstract

Thedevelopmentandgrowthofurbanrailtraffic,asanewmodeofpublictransport,isinfullswing.Tractionsubstationasanimportantcomponentofurbanrailtrafficneedastrongfocusespecially.SoIhopethisdissertation,bycomparingthetwostandardelectrictractionofurbanrailtraffic,willbeabletoplayavaluablereferencewhenselectingandconstructingurbanrailtransitelectrictraction.

First,thearticledescribedthesignificanceandprinciplesofurbanrailtransitnetworkplanningforthetractionpowersupplystandard.Secondly,gaveaconciseintroductionaboutthetypesandfeaturesofurbanrailtraffictractionpowersupplystandard,comparetwocommonvoltagelevelsandtractionstandards.Andthen,analysisthatthetractionpowersupplystandardofurbanrailtransitnetworkareaffectedbythevariousfactorsandconstrainedbydifferentsituation,moreovermakeacomparison.Atthelast,aftercombiningvariousfactors,evaluatetwokindsoftractionvoltagelevelsandtractionstandards.Furthermore,Thearticlealsoconcernedabouttwonewkindsofurbanrailtrafficpowersupplysystem,whichisintendedtoexplainthatthetractionpowersupplymeansisthecontinuousdevelopment.

So,Ipersonallybelievethat:

selecturbanrailtrafficvoltageandstandardwhichcancomforttheacturalsituatonofurbanandregionalneedsisveryimportant.Throughcomparingdifferenttractionvoltagelevelandtractionstandard,Imadeaconclusion:

onecity,oneurbanrailtraffictractionpowersupplysystem.urbanrailtraffictractionpowersupplysystemshouldstriveforuniformity.Itisgoodforthepre-construction,peacetimemanagementandmaintenanceandthelatterpartofdevelopment.Ofcourse,withthedevelopmentofurbanrailtraffic,thenewurbanrailtraffictractionstandardwillbeanendlessstream,weshouldtakeapragmatic,reasonable,anddevelopmentvisiontodealwithurbanrailtraffictractionpowerengineeringconstruction.

Keywords:

urbanrailtraffic，tractionstandard,voltagelevel

城市轨道交通供电模式分析

赵正杰104407109

0概述

0.1研究城市轨道交通牵引供电制式的意义

在我国，城市轨道交通建设正在蓬勃兴起，伴随着都市经济圈、经济带的形成与发展，区域性的现代化轨道交通线网规划也愈来愈多地展现在我们面前，人们对轨道交通线网在区域经济开发中的促进作用和在社会生活中的重要性的认识正在深化，轨道交通线网建设正在成为一个较长时期内保持所在区域经济持续健康发展和城市现代化的必要支撑。

同时，随着城市轨道交通运输重要地位的日益突显和工程经验的积累，城市轨道交通的系统构成已经到了需要合理配置、优化的阶段。

牵引供电制式是指轨道交通的供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流制、电压制和列车集电方式。

一个地区的轨道交通牵引供电制式，影响到整个线网的供电设施和车辆配置、城市景观、居民出行的方便、城市轨道交通工程建设的投资和效益等诸多方面，具有重要的社会意义和经济意义。

因此，牵引供电制式是城市轨道交通线网规划中不可忽视的一项内容。

正确选定城市轨道交通线网的牵引供电制式，还有利于在城市建设和规划中充分考虑相关工程建设条件的预留，提高资源的综合利用率，为相关行业和部门的发展和规划提供可靠依据。

0.2城市轨道交通牵引供电电压标准

IEC（国际电工委员会）,UIC（国际铁路联盟）,EN（欧洲标准化委员会）提出：

表0.1：

IEC850标准的规定

直流系统

电压/V

瞬时最小值最小值标准值最大值

频率/Hz

400

500

1000

2000

600

750

1500

3000

720

900

1800

3600

对未来架设的有轨电车和铁路馈电的直流牵引系统，明确推荐在下列三种标准电压中选择：

750V，1500V，3000V。

表0.2：

UIC600标准的规定

直流馈电线路

电压/V

频率/Hz

标称值

瞬时最小值

最小值

最大值

标称值

允许变化范围

600

750

1500

3000

未来的有轨电车和铁路馈电额直流牵引系统必须在以下3种标准电压中选择：

750V，1500V，3000V。

表0.3：

EN1435标准的规定

电气化系统

非持续最低电压值

Umin2/V

最低持续电压值

Umin1/V

标称电压值

最高持续电压值

Umax1/V

非持续最高电压值

Umax2/V

直流系统

（平均值）

400

600

720

770

500

750

900

950

1000

1500

1800

1950

2000

3000

3600

3900

（1）.对未来架设的有轨电车和地方铁路馈电的直流牵引系统，明确推荐在下列3种标称电压中选择：

750V，1500V，3000V。

（2）在再生制动的情况下，Umax2=800V是允许的。

（3）在再生制动的情况下，Umin1=1000V是允许的。

我国根据国家GB5951《城市无轨电车和有轨电车供电系统》标准的规定：

表0.4：

地铁直流牵引供电系统（GB10411）

最低值/V

标称值/V

最高值/V

500

750

900

1000

1500

1800

表0.5：

城市无轨电车和有轨电车供电系统（GB5951）

电压/V

直流系统

最低值

额定值

最高值

（400）

（600）

（720）

500

750

900

备注

括号内的数值为非推荐值

可见，现在以DC750V和DC1500V为建议及主要供电电压等级

对应于这两种供电制式，车辆的受流方式主要为集电靴方式和受电弓方式，因此，向车辆馈电的制式也相应为第三轨和接触网方式（还有少量的第四轨方式，为橡胶轮系统、独轨系统和其他系统的车辆配套使用）。

0.3各个城市牵引供电、馈电制式的情况

根据统计资料，有80%左右的城市轨道交通采用第三归供电方式，接触网方式不足20%，且多为20世纪70年代后建成的，高峰小时最大断面流量超过6万人。

DC825V主要见于前苏联诸国；DC600V制式多见于二战前英美等国修建的一些城市轨道系统；英国的伦敦、格拉斯哥等地的地铁系统分别采用了DC600V，DC630V和DC750V供电方式和接触轨（俗称第三轨）受流；而1980年开始投入运营的英国纽卡斯尔地铁，则采用了DC1500V供电方式和架空接触网受流。

法国各城市轨道交通普遍采用DC750V供电方式，但接触轨、架空接触网两种受流方式并存；而客流量较大的巴黎地区快车线则采用了DC1500V供电方式，架空接触网受流。

在德国的各城市，其城市轨道交通供电电压制式为DC600V，DC750V，接触轨、架空接触网两种受流方式并存。

日本多数城市快车、地铁、轻轨均采用DCl500V供电制式和接触网受流；单轨铁路、部分地铁线路及新交通系统ACT、小型地铁（采用了直线电机，交流传动技术）等交通系统则采用了DC750V供电方式和接触轨受流。

另外，新加坡，德黑兰，曼谷、吉隆坡等都采用了DC750V第三轨馈电方式；

在我国的香港，地铁采用了DC1500V供电制式，架空接触网受流；轻轨采用DC750V供电方式，架空接触网受流。

北京、天津地铁均采用了DC750V供电方式、接触轨受流。

上海地铁及全线高架的轻轨线路，都采用DC1500V供电制式，架空接触网受流。

广州地铁采用DC1500V供电制式，架空接触网受流。

南京地铁一号线，采用DC1500V供电制式，架空接触网受流。

长春轻轨是采用DC750V接触网馈电方式，将来，苏州、杭州、武汉和青岛将采用DC750V的第三轨馈电方式。

0.4供电制式的选择原则

（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。

应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。

一般大运量轨道交通系统，采用DC1500V电压和架空接触网馈电；中运量系统采用DC750V和接触轨馈电方式。

（2）供电安全可靠：

轨道交通是城市交通的骨干，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，一但发生故障时应便于抢修，尽快恢复运营。

（4）牵引网使用寿命长，维修工作量小：

这是降低轨道交通运营成本的重要条件。

（5）注重环境和景观效果：

这是作为城市基础设施必须坚持的原则。

0.5论文框架

第0章：

主要介绍了城市轨道交通牵引供电的一些国际标准、基本情况和选择原则，从而对城市轨道交通牵引供电的现状有一个直观的认识及了解，并确定论文的主要研究方向；

第1章：

主要介绍了城市轨道交通两种牵引供电制式（接触网和接触轨）的结构、特点、技术要求，从而对城市轨道交通牵引供电的两种方式的技术层面有更深入的了解；

第2章：

通过从设备施工安装，设备投资，使用寿命，维修管理费用，供电可靠性，土建费用，城市景观效果，人身安全，能量损耗，杂散电流、腐蚀防护等方面对城市轨道交通牵引供电的两种主要制式进行比较，并结合实际案例，来找到两者的优缺点，是论文的重点；

第3章：

主要介绍一些适合城市发展的新型城市轨道交通牵引供电制式，对未来新型的城市轨道交通牵引供电制式一些展望；

第4章：

本文的主要结论分析。

1城市轨道交通牵引供电制式和馈电制式简述

1.1接触网

架空接触网是将接触导线架设在车体上方的一种接触网形式，电力机车通过授电弓从架空接触网获取电流，架空接触网可用于铁路干线、城市轨道交通电力机车牵引线路。

架空接触网系统由各类线材、绝缘子、下锚装置、支持结构、分段绝缘器和隔离开关等组成。

其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。

接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。

接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。

支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。

根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。

支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。

定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。

支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。

我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。

预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。

1）单支柱形式：

支柱一般设立在双形梁外侧，上下行分别由一根支柱悬挂及定位，称之为单腕臂挂住结构形式。

特点如下：

1　上下行接触网不论在电气上还是机械上均相互独立，当一侧孤岛发生事故时，不影响另一侧股道，因而事故范围小

2　结构简单，零部件少，便于事故抢修

3　维修工作量小

4　由于上下行接触网分别悬挂，故支柱容量较小，施工相对简单

5　对桥梁与刘要求的精度较门型架底

6　支柱设立处需进行局部加宽

7　景观较为简洁

图1.1：

单支柱形式

2）门型架形式：

在桥梁两侧设立门型支架悬挂接触网，称之为：

门型架结构形式，其特点如下：

1　撒谎那个下行接触网在电气上相互独立，但因挂在同一门架上，当期发生事故时，同时影响两股道，事故范围大

2　施工难度增大。

门形架偏重，两支柱中心线连线应与线路中心线垂直，对桥梁上预留的基础螺栓的精度要求高

3　支柱受力均匀

4　整体景观效果好

图1.2：

门型架形式

3）地面段接触网形式：

地面段处可以采用与高架桥相同的方式进行悬挂外，海岸可以采取如图所示的中间立柱形式。

这种形式的架空接触网具有以下特点：

1　有点：

景观效果好，节省支柱数量

2　缺点：

一旦出现事故影响较大。

支柱容量比单侧立柱要打，荷载加大。

3　条件：

由于支柱设立在两线路中间，因此这支柱装配以及下锚需要安装空间，而艰巨加大又会增大投资。

图1.3：

地面段接触网形式

4）车辆段柔性架空接触网的类型：

车辆段柔性架空网采用简单悬挂，但孤岛采用单腕臂支柱形式，对于股道较多的地方，采用软横跨或应横跨形式。

软横跨形式如图所示：

图1.4：

车辆段柔性架空接触网的类型

软横跨或应横跨的特点可以利用两个支柱跨越较多的股道，节省支柱数量，节约投资。

一．柔性接触网技术参数

1）接触线高度

（1）隧道内接触线高度隧道内接触线工作支悬挂点距轨面连线的高度根据车辆形式以及受电弓工作高度而定。

对于地铁A，B型车辆一般为4040mm，最低不得低于4000mm。

（2）地面、高价以及出入场线接触线高度

接触线工作支悬挂点距轨面连线的高度一般为4600mm，最低不得低于4400mm。

（3）停车线接触线高度

停车场库区、场区以及试车线等处接触线工作支悬点距轨面连接线的高度一般最低不得低于5000mm。

2）结构高度

简单链型悬挂的结构高度一般为1100mm，净空较低的地段，结构高度可适当降低，但最小结构高度应满足最短吊悬长度不小于500mm的要求。

3）跨距长度

（1）地下段

地下段弓形腕臂形式跨距一般为20m左右；弹性支架形式跨距一般为12m左右。

（2）地面及高架段

地面段柔性悬挂的跨距应根据其悬挂类型、线路曲线半径、受电弓工作宽度、接触线风偏值因素确定，最大跨距不宜大于50m，最大偏移值不宜大于300mm。

4）锚段长度

柔性架空接触网锚段长度一般为1500m，特殊地段应根据线路条件确定。

接触网在锚段终端处设置自动张力补偿装置，并在锚段中部设立中心锚段。

当锚段长度小于750m时，一端设硬锚，另一端设自动张力补偿器。

5）接触导线坡度级转角

柔性悬挂性接触线高度变化时，其坡度变化的规定见表1.1

列车速度（km/h）

接触线最大坡度（‰）

120

正线接触线非工作支部分改变方向时，与原方向的水平夹角一般不大于6°，渡线或其他线路的接触线及正线接触线的非工作支部与原方向的水平夹角一般不大于10°。

6）拉出值

柔性接触线定位点的拉出值，直线上一般为200mm；曲线上则根据曲线半径级外轨超高值确定，最大不得超过250mm。

7）侧面限界

柔性架空接触支柱的侧面限界是指支柱内缘与邻近铁路轨顶连线的线路中心线的水平距离。

支柱的侧面限界的设计取值要大于建筑接近限界的规定值，一般为2.6m左右。

侧面限界的具体数值需要与限界专业协商并根据车辆动态包络线确定。

8）绝缘距离

柔性架空接触希望设备和车辆应满足的最小净空尺寸见表1.2。

表1.2：

绝缘距离（mm）

电压等级（V）

750

1500

正常

困难

正常

困难

带电金属体到车辆动态包络线

115

100

带点金属剃刀“地”的静态值

混凝土

150

金属

150

带点金属体到“地”的动态值

混凝土

150

金属

100

受电弓动态包络线到土建结构

接地体及其连接件

150

100

受电弓动态包络线到公共带电金属体（包括定位器的固定端）

轨道横截面的垂直方向

150

100

轨道横截面的水平方向

受电弓动态包络线到定位器和任何直接与接触线相连的连接件

轨道横截面的垂直方向

轨道横截面的水平方向

150

100

注：

①“静态值”：

柔性架空接触网不受受电弓抬升拉力作用，或者长期承受抬升力作用情况下的净空尺寸；“动态值”：

柔性架空接触网承受行驶列车的受电弓抬升力作用时的净空尺寸。

②以上数值为最小数值，当空间富裕时，在考虑增加系统结构之前，优先考虑增大电器距离。

9）线材、绝缘子及主要零部件安全系统

柔性架空接触网设计的强度安全系数规定见表1.3。

表1.3：

安全系数

新接触线

≥3.0

接触线25%磨损

≥2.2

承力索

≥3.0

架空地线

≥2.5

软横跨横承力索中的钢绞线

≥4.0

其他材料

≥3.0

零件

抗拉

≥3.0

抗弯

≥3.0

抗滑

≥1.5

绝缘子

抗拉

≥2.0

抗弯

≥2.5

分段绝缘器

整体抗拉

≥2.5

二．刚性接触网技术参数：

1）接触线高度

隧道内刚性悬挂接触线工作支悬挂点距轨面连线的高度一般为4040mm,最低不得低于4000mm.

2）跨距长度

刚性架空线接触网悬挂点的正弦最大跨距：

曲线为6～8m,直线为8～10m。

相邻两跨距之比不宜大于1.25：

1。

3）锚段长度

锚段长度一般为200～250m,最大锚段长度不超过300m。

4）接触导线坡度

刚性架空接触线高度变化时，其坡度不宜大于2‰。

5）拉出值

刚性架空接触网500m长度内的拉出值一般为±200mm～250mm。

6）锚段关节

刚性架空接触网的锚段关节有平行布置的两汇流排组成，汇流排的重叠区域的长度为6.6m。

其中非绝缘锚段关节两平行汇流排间距为200mm，绝缘段关节两平行汇流排艰巨为200mm,绝缘锚段关节两平行汇流排艰巨为300mm。

7）绝缘距离

刚性架空接触网设备和车辆在任何情况下都应满足的最小净空尺寸与柔性架空接触网相同，参见表1.2。

1.1.4接触网的一些要求

由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，对接触网提出以下要求：

1.在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流，要求接触网在机械结构上有良好的稳定性和弹性。

2.接触网设备对地绝缘要符合技术要求，安全可靠。

3.要求接触网的设备、零件具有足够的耐磨性和抗腐浊能力，以期延长使用年限。

4.要求接触网结构.设备尽量简单，零件互换性好，便于施工，维修。

5.在事故情况下便于抢修和迅速恢复送电。

尽可能降低成本，特别要注意节约有色金属及钢材。

总之，要求接触网无论在任何气象条件下，都能处于良好的工作状态，满足电力机车在线路上安全，高速运行的要求，并且结构合理，节省投资，便于新技术的应用。

1.2接触轨

接触轨，又称地三轨或者简称三轨。

接触轨系统是沿线路敷设专为电动车辆授给电能的系统。

正线接触轨一般布置在行车方向的左侧，在道岔区等个别地段布置在行车方向的右侧。

接触轨系统主要由两部分组成：

正极供电网，负极回流网。

供电网由接触轨、弯头、连接板、膨胀街头、绝缘支架或绝缘子、绝缘防护罩、锚结、隔离开关、电缆等组成；回流网由回流轨、有关电器设备及电缆等组成。

1）上部授流

上部授流方式为接触轨正放，如图1.5所示，车辆授流器通过与接触轨的上顶面接触获取电能。

北京地铁1、2、4、5、10、13号线和八通线采用上部授流形式。

北京地铁1、2号线采用绝缘子支撑、金属支架木防护罩结构形式固定安装。

北京地铁8号线和八通线均采用绝缘子支撑、接

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