地下铁道供电制式与受流方式分析

[摘要]对地下铁道的供电制式与受流方式的技术经济性能进行分析，提出可采用的受流方式，为选择供电制式与受流方式提供参考和建议。

[关键词]地下铁道 供电 受流 分析

中图分类号：TM6文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220024－02

地下铁道工程受到广泛重视，在我国城市轨道交通建设中得到了飞速的发展。作为影响地下铁道系统技术先进性和工程造价的重要因素供电制式与受流方式引起了人们的广泛关注，为促进地下铁道的顺利发展，有必要进行系统的分析。

一、目前供电制式与受流方式

当前世界各国的城市轨道系统和车辆存在多种供电制式和受流方式。无论是欧美，还是日本，早期的地铁、轻轨系统均采用了直流1000V以下供电方式，如DC 600V，DC 750V等。随着技术进步，20世纪70年代后期设计的地铁系统更多地采用了DC 1500V的供电方式。

英国的伦敦、格拉斯哥等地的地铁系统分别采用了DC 600V、DC 630V和DC 750V供电方式和接触轨受流；而1980年开始投入运营的英国纽卡斯尔地铁，则采用了DC 1500V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DC 750V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DC 1500V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DC 600V、DC 750V，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DC 1500V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、小型地铁等交通系统则采用了DC 750V供电方式和接触轨受流。

在我国的香港，地铁采用了DC 1500V供电制式，架空接触网受流；轻轨采用DC 750V供电方式，架空接触网受流。北京、天津地铁均采用了DC 750V供电方式、接触轨受流。上海地铁一、二号线及全线高架的轻轨线路明珠线，采用DC 1500V供电制式，架空接触网受流。广州地铁一、二号线采用DC 1500V供电制式，架空接触网受流。深圳地铁一号线，采用DC 1500V供电制式，架空接触网受流。南京地铁一号线，采用DC 1500V供电制式，架空接触网受流。其它如武汉、青岛、重庆、大连等地的地铁、轻轨、单轨等的供电制式分别为DC 750V、DC 1500V两种。

二、供电制式与受流方式的选择

（一）常规供电制式

在IEC（国际电工委员会）和UIC（国际铁路联盟）的规定中有600V、750V、1500V、3000V四种直流电压制和25Kv，50Hz一种交流电压制。我国GB50157《地下铁道设计规范》、GB3317-82《电力机车通用技术条件》等有关标准中规定：城市轨道交通车辆的供电制式为DC 750V、DC 1500V两种；干线电气化铁路的供电制式为AC 25Kv，50Hz。

1．DC 750V（DC 500～900V）供电制式。该电压等级在国外的城市有轨交通（地铁、轻轨、有轨电车）和工矿机车上早有应用。我国少数工矿车辆也采用此制式，而在我国城市有轨交通中的应用，则始于北京地铁。20世纪50年代末期，北京地铁以前苏联生产的凸轮变阻技术地铁车辆为原形，开发了国产的北京地铁车辆。经过多年发展，后来陆续开发了多种车型，但供电制式则一直沿用DC 750V制式。采用该电压的供电系统多用接触轨受流，而部分轻轨系统和有轨电车系统则采用接触网受流。

2．DC 1500V（DC 1000-1800V）供电制式。20世纪的七八十年代，DC 1500V供电制在世界各国得到了广泛的应用。其主要特点是：线路电压高，电损耗及线路的电压降小；供电距离长，变流站的数量相对减少。因此特别适合特大城市、大城市和近郊卫星城区各种不同形式的轨道交通工具的联网运营，也适用于中等容量的供电系统。DC1500V电压供电的系统大多采用架空接触网受流。

3．AC 25Kv，50Hz供电制式。在所有的供电制式中，AC 25Kv，50Hz供电制已被世界公认为是最经济、最有效的供电方式。作为交流供电体系，它可以克服直流供电制带来的电路损耗问题，供电距离可在40km以上，是大容量的轨道交通供电系统，一般主要应用于干线铁路中，在市郊列车和近郊快速轨道车辆中也有应用。该供电制式有利于干线铁路和市郊铁路的过轨联运。

（二）DC 750V与 DC 1500V供电制式比较

与DC 750V相比，DC 1500V供电制式的优点有：

1．DC 1500V牵引变电所供电距离可达3.5km，较DC 750V的增加一倍，因而变电所总数减少一半；

2．供电电流减少一半，线路上的电阻损耗大大减少，带来明显的节电效果及减少导线截面积等好处；

3．车辆受电端电压降小。假定线路电阻相同，则DC 1500V时车辆受电端电压降只有DC 750V的一半，这对车辆起动，功率的发挥等都有相当大的好处；

4．所有电气设备的电流容量减小，有利于车辆的轻量化设计，增加载客量；

5．高电压的电气设备体积小，易于安装在有限的车体空间中，方便了设备布置，特别是在采用大的牵引功率时；

6．采用DC 1500V架空接触网受流列车车速较DC 750V接触轨的高；

7．由于轨道交通系统中的走行轨也是牵引供电的回流轨，与牵引变电所负极相接，而轨道交通牵引供电电压相对于干线电气化铁路电压低，回流轨与道床间形成电位差，从而沿走行轨向道床泄漏电流，形成杂散电流。为减少这种杂散电流，提高系统的电压是有效的途径之一。经验表明，采用DC 750V电压供电时杂散电流较大，而DC 1500V电压时牵引电流较小，故杂散电流也较小，减轻了对地下金属构筑物的危害；

8．采用DC 1500V架空接触网受流，有利于组成地下、地面和高架等不同型式的轨道交通工具的过轨运行，可充分地发挥轨道交通的网络功能。从这一角度而言，DC 1500V供电制式应成为今后城轨系统，特别是地铁系统的主要发展方向。

DC 750V供电制的优点在于：

1．采用DC 750V接触轨供电，不影响城市景观，且受风速影响较小；而采用DC 1500V架空接触网供电时，则受风速影响较大，如5级风即应限速，8级风时车辆应停止运行；

2．对车辆的VVVF（变频变压控制）逆变器功率元件的电压等级而言，选用DC 750V供电制式时较之DC 1500V时的低，因而元件成本低，易于采购和系统维护；

3．接触轨采用钢作为接触轨材料，可以降低导体材料的费用。

（三）架空接触网与接触轨的比较

理论上，在采用专用车道的系统中，架空接触网和接触轨两种方式均适合；而不设专用车道的系统中，出于安全等因素，应优先考虑采用架空接触网方式。一般而言，在选用DC 1500V作为地铁系统的牵引供电电压时，多采用架空接触网供电方式；当选DC 750V作地铁系统的牵引供电电压时，多选用接触轨方式；轻轨系统则应根据不同的运用环境，合理地选择架空接触网或接触轨方式；有轨电车系统，则大多采用架空接触网方式。

对于地面的轨道交通系统，采用架空接触网与接触轨相比，有以下优点：

1．在地面交叉路口处，架空接触网供电可给列车提供不间断的电力供应，而接触轨供电在交叉道口处则要间断；

2．即使是在非专用道，架空接触网供电仍具有很高的安全系数，而地面接触轨供电时，为确保乘客安全，需要装设护栏；

3．架空接触网供电的线路布局，道岔建设和交叉道口十分简单，其供电系统维修车间和车场的布局，设计和施工也简单。轨道、街道和步行道交叉使用，可以不受限制；

4．现代的架空接触网系统可以容纳到城市环保当中去，电杆的支撑结构，其颜色可考虑与当地环境相匹配，不会产生负面影响。

综上所述，对于接触轨而言，可靠性高，造价低，少维护是其主要特点，另外还可降低隧道的结构高度。目前尚未出现过因接触轨故障而影响列车运行的记录。此外接触轨的磨耗量很小。但是，由于接触轨长期暴露于地面，系统中要求具有防止人员触电，防止污染的良好绝缘和封闭措施，还必须考虑腐蚀后的维护和受流的可靠性。采用架空接触网的受流方式则较为灵活，架空接触网可确保带电体与车辆、人员之间的安全距离，可降低对城市轨道交通线路的封闭要求。但目前架空接触网受流方式在可靠性、可维护性等方面与接触轨相比仍有一定的差距。

从国外的实际运用情况看，新建的城轨系统中采用架空接触网受流方式的占据大多数，并成为一种趋势。这是因为现代城轨系统的列车既可行驶在地下，也可行驶在地面，还可行驶在高架线路上，其复杂的线路条件决定了列车的受流方式应优先采用架空接触网。目前国内的上海、广州地铁车辆在驶离了市区后均驶上了地面，因此统一的架空接触网受流方式可以降低其车辆系统的复杂性，同时还极大地降低了系统的综合造价。在国外的城市轨道交通系统中，列车的地面运营里程也远远大于地下的运营里程。

三、结论

1．从国外城市轨道交通的发展来看，供电电压制式一般是根据所在城市的客流，是否是各类轨道交通工具联运（地铁、轻轨等），以及车辆平均运行速度等的要求进行选择。值得注意的是，近年来由于技术上的进步，城市轨道交通车辆的供电制式正朝着提高牵引电压等级的方向发展，特别是近年来修建的轨道交通系统，几乎都选择了DC 1500V的供电制式。

2．随着客流量增加，车体尺寸大型化，列车编组的增长和速度的提高，对列车的整体动力性能也有了更高的要求，即要求列车在较短的时间内迅速加速至最高运行速度，或在较短的时间内从最高运行速度迅速减速停车，对列车总功率的需求也比以前大大增加了，车辆的单轴功率从75kW增加至200kW，因此必须提高列车的供电电压，增加系统的容量。而接触轨系统出于安全等方面的考虑，很难提高电压，再加上现代的城轨车辆需要开行连接市郊线的直通车，因此大多数新建的地铁或轻轨系统开始采用DC 1500V架空接触网供电方式。

3．随着技术的不断进步，特别是绝缘技术和新材料的广泛应用，地铁在采用架空接触网时，可以尽量控制隧道的高度，降低建设成本。德国、日本等开发了可缩小空间的钢体架线方式，同时还研制成功了可以在低隧道中工作的受电弓，这样，隧道高度就与接触轨大体相同。此外，从工程投资费用上进行比较，两种供电制式的系统单价基本相当。且牵引变电所的设备投资和架空线的土建费均比接触轨低得多，虽然隧道工程的投资，架空接触网方式比接触轨方式要略高一些，但由于车辆电传动系统造价降低，其综合差价可以弥补采用接触网带来隧道工程投资的增加。此外，国内许多城市的论证结果表明，在工程费用上采用DC1500V架空方式是经济的。

参考文献：

[1]地市轨轨道交通研究，上海铁道大学，上海：上海铁道大学出版社，1998.

[2]崔元鉴编，地下铁道，北京：中国铁道出版社，1984.

[3]高渠清著，隧道及地下工程论文选集，北京：中国铁道出版社，1996.

作者简介：

许斌，男，汉，福建莆田人，大学本科，供电专业，工程师。

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