城市軌道交通牽引供電及電力技術探究

遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院 芮 安

1 城市軌道交通的牽引供電及電力技術的重要性

城市軌道電力系統（如圖1所示）較為重要，而城市軌道交通的牽引供電及電力技術是其安全、高效及可靠性的重要技術支撐。有關單位在對我國鐵道電力牽引（包括城市軌道交通）情況進行了調查，并根據調查結果繪制了統計圖。城市軌道交通的運營過程中，電力系統直接關系到列車的行駛速度、加速度、制動性能和能源消耗等方面，而牽引系統則直接關系到列車的牽引力和運行穩定性。因此，牽引供電及電力技術的安全、高效和可靠性直接影響到城市軌道交通的運營質量和服務水平。

圖1 城市軌道牽引電力系統

在城市軌道交通牽引供電技術中，常用的有第三軌供電、網式架空線供電和無線電供電等。不同的供電方式各有優缺點，例如第三軌供電的穩定性較強，但是需要地面設備，對城市空間的利用率較低；網式架空線供電的供電范圍廣，但是需要較高的架空空間，不適合在密集城區使用；無線電供電技術可以減少線路設備，但是成本較高[1]。

在城市軌道交通的電力技術中，常用的有直流電力技術和交流電力技術。不同的電力技術也各有優缺點，例如直流電力技術具有電能傳輸損耗小、控制精度高等優點，但是需要的設備成本較高；交流電力技術具有成本低、設備簡單等優點，但是電能傳輸損耗較大。

值得一提的是，車引供電計算在城軌供電系統的設計工作中占有重要的地位，是進行供電系統設計必須進行的一項工作，其關系到供電系統構成、車引供電方式、車引變電所設置、牽引整流機組容量等多項系統設計的關鍵因素。下文以計算單邊供電區段饋電線平均電流值為例進行說明：ig=i1+i2+…+in，式中：i1+i2+…+in為某瞬時由饋電線供電的各列車瞬時電流值，單位為A。饋電線的平均電流計算公式如下：

式中：igj為饋電線第j 時刻的瞬時電流，單位為A；n 為所取時刻的數量。

2 牽引供電技術

2.1 城市軌道交通牽引供電技術的分類和原理

城市軌道交通的牽引供電技術是指，為城市軌道交通列車提供動力所使用的電力供應技術，其主要分類包括第三軌供電、網式架空線供電和無線電供電等[2]。第三軌供電技術（如圖2所示）：第三軌供電技術是指通過在軌道旁邊，或中間安裝一條帶電的第三軌來為列車提供動力。列車通過接觸鞋與第三軌接觸，以獲得所需的電能。該技術的優點是穩定性強、電壓損耗小，但需要地面設備，占用空間大，對城市空間的利用率較低。此外，由于第三軌供電技術的電壓較低，因此需要通過變電站將電壓升高，以滿足列車的牽引需求。

圖2 第三軌供電

網式架空線供電技術：網式架空線供電技術是指通過在軌道兩側，或中間架設架空電纜來為列車提供動力。列車通過接觸線夾與架空電纜接觸，以獲得所需的電能。該技術的優點是供電范圍廣，適用于長距離的城市軌道交通系統。但需要較高的架空空間，不適合在密集城區使用。此外，由于架空電纜的電壓較高，因此需要通過變電站將電壓降低，以滿足列車的牽引需求。

無線電供電技術：無線電供電技術是指通過無線電波向列車提供電能，不需要通過地面設備或架空線來傳輸電能。該技術可以減少線路設備，降低了系統的安全風險，但成本較高，需要一定的技術支持。該技術的原理是通過將電能轉換為高頻電磁波，然后通過天線向列車發送電磁波，列車通過天線接收電磁波，將其轉換為電能供給列車。該技術需要考慮電磁波的傳輸損耗和列車接收裝置的設計等問題。

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2.2 不同城市軌道交通運營時的牽引供電技術選擇

不同城市軌道交通運營時的牽引供電技術選擇受多種因素影響，包括城市的實際情況、經濟條件、技術水平、環境保護等方面。城市的地形、地貌、城市規劃等因素會對牽引供電技術選擇產生影響。例如，地勢較高的城市可采用第三軌供電技術，因為該技術的電壓較低，適合在高地上使用。而地勢較低的城市可以采用網式架空線供電技術，因為該技術的電壓較高，適合在平地上使用[3]。

其次，城市軌道交通的牽引供電技術選擇也受到經濟條件的影響。不同的牽引供電技術的建設和運營成本不同，需要根據城市的經濟條件選擇適合的技術。例如，第三軌供電技術的設備成本較高，但運營成本較低，適合在經濟條件相對較好的城市使用；而無線電供電技術的設備和運營成本都較高，適合在經濟條件較為充裕的城市使用。另外，城市軌道交通的牽引供電技術還受到技術水平的影響。不同的技術需要不同的技術支持和人才積累，需要根據城市的技術水平選擇適合的技術。例如，無線電供電技術需要較為先進的技術支持和人才積累，適合在科技含量較高的城市使用。

最后，城市軌道交通的牽引供電技術選擇還需要考慮環境保護因素。不同的技術對環境的影響不同，需要根據城市的環境保護要求選擇適合的技術。例如，無線電供電技術對環境的影響較小，適合在注重環境保護的城市使用。

3 電力技術

3.1 城市軌道交通電力技術的分類和原理

城市軌道交通電力技術有直流電力技術和交流電力技術兩種。直流電力技術：直流電力技術是目前城市軌道交通系統中常用的一種電力技術。直流電力技術可采用第三軌供電、網式架空線供電和懸掛式架空線供電等多種形式。直流電力技術具有穩定性好、傳輸損耗小等優點，同時也有一些局限性，如電壓、電流受限制較大，線路占用較多等。

交流電力技術：交流電力技術是近年來在城市軌道交通系統中逐漸得到應用的電力技術。與直流電力技術相比，交流電力技術具有電壓和電流控制范圍廣、傳輸損耗小等優點。交流電力技術也可采用多種供電形式，如架空線供電、地下電纜供電等。但交流電力技術在電力變換和電力傳輸方面也存在一些技術難點需要解決。兩種電力技術各有優劣，具體應用還需考慮具體情況。在實際應用中，城市軌道交通系統往往采用直流電力技術和交流電力技術相結合的方式，充分利用兩種技術的優點，達到最佳的電力效果。

除此之外，還有集中式供電和分散式供電。城市軌道交通集中式供電是指在城市軌道交通系統中，通過集中供電方式為整個軌道交通系統提供電能。這種供電方式常采用架空電纜或第三軌供電方式。在集中式供電系統中，所有的動力設備（如牽引變壓器、牽引電機等）都集中在供電系統的某個地方，通過電纜將電能輸送到軌道交通線路的各個部分。這樣做的好處是可以實現供電設備的集中管理和維護，同時也可提高供電系統的可靠性和穩定性。

分散式供電是指在城市軌道交通系統中，將供電設備分散安裝在不同的位置，通過分布式供電方式為軌道交通系統提供電能。這種供電方式常采用接觸網供電方式。在分散式供電系統中，每個區間或車站都有專門的供電設備，可獨立地為該區間或車站提供電能。這樣做的好處是可以減少輸電距離，使供電系統更加穩定可靠。同時，也可以更加靈活地調整供電系統的負載和容量。

3.2 不同城市軌道交通車輛的電力技術選擇

不同城市軌道交通車輛的電力技術選擇，主要受以下幾個因素的影響：地理環境。城市軌道交通車輛的電力技術選擇與地理環境密切相關。例如，某些城市的地鐵線路較長，需要采用能源利用率高、傳輸損耗小的電力技術，如高壓直流技術。而一些城市的地鐵線路較短，可以采用更為經濟、簡單的直流電力技術。

車輛類型。不同類型的城市軌道交通車輛，其電力技術的選擇也不同。例如，地鐵列車一般采用直流電力技術，而有軌電車則多采用交流電力技術。

牽引負載。不同城市軌道交通車輛的牽引負載也不同，其電力技術的選擇也會受到影響。例如，不同列車密度牽引負荷不同，重載地鐵車輛的牽引負載較大，需要采用電壓和電流控制范圍廣、傳輸損耗小的交流電力技術。

技術發展。隨著技術的不斷進步，城市軌道交通車輛的電力技術也在不斷更新換代。例如，當前越來越多的城市軌道交通車輛采用高壓直流技術，以提高能源利用率和傳輸效率。

經濟成本。城市軌道交通車輛的電力技術選擇還需要考慮到經濟成本。不同電力技術的投資和維護成本不同，需要根據具體情況進行綜合考慮。

4 城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術的未來發展趨勢

首先隨著環保意識的不斷增強，城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術將會越來越多地采用新能源技術，如太陽能、風能等。這些新能源技術可減少對傳統能源的依賴，同時還可以減少對環境的污染。

其次高壓直流技術的應用，高壓直流技術可以提高能源傳輸的效率，并且可減少線路的占用面積，降低投資成本。將高壓直流技術應用于城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術中，可以提高系統的穩定性和可靠性，同時還可以提高能源利用效率。還有無線電供電技術的應用，無線電供電技術可以減少地下管線的占用，提高城市軌道交通系統的空間利用效率。隨著無線電供電技術的不斷發展，其安全性和可靠性也得到了不斷提高，未來有望在城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術中得到更廣泛地應用。

此外，還有能量回收技術的應用，城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術未來還將繼續推廣能量回收技術。通過將制動能量回收并儲存，可以提高能源利用效率，減少能源浪費，同時還可以降低列車制動時的噪聲和振動。

最后智能化技術的應用，未來城市軌道交通系統的牽引供電及電力技術還將越來越智能化。通過集成智能化控制系統，可實現對供電系統的精細化管理，從而提高系統的運行效率和穩定性。同時，智能化技術還可實現對能源使用情況的實時監測和分析，為運營管理提供更加準確的數據支持。

綜上所述，城市軌道交通的牽引供電及電力技術是其安全、高效和可靠性的重要技術支撐，不同的牽引供電和電力技術有不同的優缺點，應根據實際情況選擇合適的技術。未來，城市軌道交通牽引供電及電力技術的發展方向是智能化、自動化和綠色化，需要不斷推進技術創新和應用。因此，對城市軌道交通牽引供電及電力技術進行深入研究，有助于提高城市軌道交通的服務水平和運營質量，為城市發展和綠色出行做出貢獻。