城市轨道交通的供电制式及馈电方式

城市轨道交通的供电制式及馈电方式

方　　鸣：铁道科学研究院机车车辆研究所，副研究员，北京，１０００８１

摘　　要：论述目前城市轨道交通常用的ＤＣ７５０Ｖ和ＤＣ１５００Ｖ供电制式，以及第三轨馈电与接触网馈电方式的特点，并对这两种供电方式进行了综合比较，提出了城轨建设的供电制式与馈电方式的选型建议。

关键词：供电制式；馈电方式；第三轨；接触网

１　　国内外城市轨道交通发展概况

１．１　　已建成的城市轨道交通系统

据不完全统计，全世界共有近１１５个城市修建了城市轨道系统，运营里程超过了７　０００　ｋｍ。在这些线路中，轨道和车辆主要采用钢轮钢轨系统，也有少量采用橡胶轮系统、独轨系统和其他系统。

１．２　　车辆的供电电压制式和受流方式

城市轨道系统的车辆供电电压制式主要有ＤＣ６００Ｖ、ＤＣ７５０Ｖ、ＤＣ８２５Ｖ和ＤＣ１５００Ｖ等几种。ＤＣ６００Ｖ制式多见于二战前英、美等国家修建的一些城市轨道系统，ＤＣ８２５Ｖ主要见于前苏联诸国，后期建成的各国城市轨道系统的车辆受电电压制式多在ＤＣ７５０Ｖ和ＤＣ１５００Ｖ两种制式中选用。对应于这两种供电制式，车辆的受流方式主要为集电靴式和受电弓式，因此，向车辆的馈电方式也相应为第三轨和接触网方式（还有少量的第四轨式，为橡胶轮系统、独轨系统和其他

系统的车辆配套使用）。根据统计资料，超过８０％的城市轨道系统运营线路采用第三轨供电方式，接触网方式则不足２０％，且多为２０世纪７０年代以后建成的线路，客流高峰小时最大断面流量超过了６万人次。

有关国家的铁道电气技术协会在１９８６年对世界各国铁道电力牵引（包括城市轨道交通）情况进行了调查，并根据当时的调查结果绘制了统计图，见图１。

从图１中可以看出，随着世界城市化趋势的加剧，城市人口的增多，以及世界机电设备制造水平的提高，城市轨道交通所采用的牵引电压水平也在逐渐提高，特别是新建城市轨道交通的城市。

２　　有关城市轨道交通供电电压制

式的标准规定

为了规范各国城市轨道交通的电

图１　　世界铁路电力牵引供电电压

与线路长度统计

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压制式，国际电工委员会（ＩＥＣ）、国际铁路联盟（ＵＩＣ）和欧洲标准化委员会（ＥＮ），以及各国都提出了相应的标准。

（１）ＩＥＣ、ＵＩＣ和ＥＮ规定的与城市轨道交通牵引电压（直流系统）有关的标准，分别见表１，表２和表３。

（２）我国国家标准的规定。为了规范我国的轨道交通电力牵引供电电压，国家

频率／Ｈｚ并且符合国际标准的规定。

３　　ＤＣ７５０Ｖ和ＤＣ１５００Ｖ电压制式的

特点

我国的城市轨道交通牵引电压制式无论是选用ＤＣ７５０Ｖ，还是选用ＤＣ１　５００Ｖ，均符合国家和国际标准的规定。但是，由于各城市间普遍存在的地理、人文、经济发展和城市规模等方面差异的影响，在确定采用何种牵引电压制式前了解这两种电压等级间的技术差异是很有意义的。

（１）牵引变电所的供电距离。ＤＣ７５０Ｖ和１５００Ｖ电压等级时牵引变电所的供电距离见表６。

（２）ＤＣ７５０Ｖ与ＤＣ１５００Ｖ馈电制式其他技术指标的比较见表７。

表１　　ＩＥＣ　８５０标准的规定

直流系统　　　　　　　　　　　　　电压／Ｖ瞬时最小值最小值标称值最大值４００５００１　０００２　０００６００７５０１　５００３　０００７２０９００１　８００３　６００标准对地铁和城市有轨、无轨电车作了如下规定，分别见表４，表５。

１９９１年国家建设部发文（建城［１９９１］７８５号）补充了城市轻轨的电压等级，明确采用ＧＢ５９５１《城市无轨电车和有轨电车供

电系统》所列数值。但是，由于轻轨车辆选型上的灵活性（既可以选

　　　　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，１　５００Ｖ，３　０００　Ｖ。表２　　ＵＩＣ　６００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　１　５００　３　０００择小编组的地铁车辆，也可以选择轻轨专用的铰接式车辆），这样的规定显得过于刻板。

由此，我国的城市轨道交通牵引电压制式有了明确的规定，

４　　第三轨馈电和接触网馈电方式

的特点

４．１　　第三轨馈电方式的特点

城市轨道交通的第三轨馈电方式中向车辆馈电的第三轨（图２为上磨式，根据集电靴和第三轨配合的方式，还有侧磨式和下磨式等其他形式）设置在车辆的走行轨旁，距走行轨中心距离约为１．４　ｍ，距轨面高度约０．４４　ｍ，由接触轨、端部弯头、防

　　　　未来的有轨电车和铁路馈电的直流牵引系统必须在以下３种标称电压中选择：７５０　Ｖ，１　５００　Ｖ，３　０００　Ｖ。表３　　ＥＮ　１４３５标准的规定

电气化系统非持续最低最低持续标称电压值／Ｖ６００７５０１　５００最高持续非持续最高电压值Ｕｍｉｎ２／Ｖ电压值Ｕｍｉｎ１／Ｖ　　　４００电压值Ｕｍａｘ１／Ｖ电压值Ｕｍａｘ２／Ｖ７２０９００１　８００７７０９５０１　９５０直流系统（平均值）　　　５００　１　０００　２　０００３　０００３　６００３　９００（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：７５０　Ｖ，１　５００　Ｖ，３　０００　Ｖ。（２）在再生制动的情况下，Ｕｍａｘ２＝８００　Ｖ是允许的。（３）在再生制动的情况下，Ｕｍａｘ２＝１　０００　Ｖ是允许的。表４　　地铁直流牵引供电系统（ＧＢ　１０４１１）最低值／Ｖ　　　５００　１　０００标称值／Ｖ７５０１　５００最高值／Ｖ９００１　８００表５　　　城市无轨电车和有轨电车供电系

统（ＧＢ５９５１）电压／Ｖ最低值额定值最高值（４００）（６００）（７２０）直流系统　５００７５０９００备注括号内的数值为非推荐值图２　　上磨式第三轨

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表６　　　ＤＣ７５０Ｖ和１５００Ｖ电压等级时牵引变电所的供电距离

电压等级／Ｖ７５０１　５００　　　　　车辆编组形式４Ｍ２Ｔ≤２　ｋｍ≤２．５　ｋｍ２Ｍ２Ｔ≤３　ｋｍ≤４．５　ｋｍ备　　注受回流轨轨道电位升高的限制，电压提高后的牵引变电所间距并不成倍提高。市地铁车辆用的受电弓照片。这是一种单臂轻型弓，在国外，有的城市的车辆还使用双臂弓（类似于有轨电车使用的受电弓）。

这种馈电方式适用于电压较高，但电流相对较小的ＤＣ１　５００Ｖ电压供电，并且采用这种馈电方式的车辆最高运行速度可超过１２０　ｋｍ／ｈ。对于在地面上行驶的小运量轻轨车辆在线路不能完全封闭时也常常采用这种方式，此时供电电压也可以采用ＤＣ７５０Ｖ。

（１）柔性悬挂。这种悬挂形式不受线路位置的影响。在隧道内采用这种悬挂方式约需要５００　ｍｍ左右的安装空间，接触网张力约３０　ｋＮ，全补偿。由于在隧道内接触线的绝缘和支撑装置易影响车辆的限界，需要在设计时校核。在国内，广州１号线全线、上海地铁１号线地面段、明珠线和在建的广州２号线地面段、深圳地铁全线和天津城轨滨海线采用了这种方式。见图５。

表７　　ＤＣ７５０Ｖ与ＤＣ１５００Ｖ馈电制式其他技术指标的比较

主要经济、技术参数峰值电流（２　ｍｉｎ间隔，６辆编组时）／Ａ电压损耗杂散电流（迷流）影响可承受的客流量车辆再生制动对电压的影响馈电方式７　２００～１０　０００大大相对小大第三轨（小客流时也可以使用接触网，例如地面的轻轨线路）除了个别设备外，实现了国产化基本相当３　６００～５　０００小小大相对小接触网除了个别设备外，基本实现了国产化基本相当ＤＣ７５０ＶＤＣ１５００Ｖ设备国产化率供电系统综合造价爬器、隔离开关和防护罩等组成，并用绝缘子支撑。与之相配合，车辆采用集电靴受流。图３给出了某城市车辆与上磨式第三轨配合的上磨式集电靴的照片。在国内，北京地铁和城轨、天津地铁，在建的武汉城轨采用这种方式。

，距轨面最小高度线段为±１５０　ｍｍ）

约４．０　ｍ（洞外地面为５．０　ｍ），有柔性悬挂、弹性悬挂和刚性悬挂３种方式，弹性悬挂和刚性悬挂方式只能用于隧道中。柔性悬挂方式的接触网采用全补偿（正线）或半补偿（站场或岔线）简单链型悬挂，由接触导线、承力索、吊弦、导电连接线、辅助馈电线、绝缘子、坠坨和支持装置（在隧道外还包括支柱）等构成，锚段长度不大于１　５００　ｍ，隧道外的正线导线跨距不大于２５　ｍ；弹性悬挂则需要采用特制的专用弹性定位器（西门子专

图３　　上磨式集电靴（隧道内，

第三轨未设防护罩）

利），由接触导线、导电连接线、辅助馈电线、弹性定位器等构成；刚性悬挂方式的接触网则由接触导线、汇流排和绝缘子等构成。与之相配合，车辆采用受电弓受流。图４给出了某城

图５　　柔性接触网（隧道内）示意

这种方式一般适用于ＤＣ７５０Ｖ电压供电，国外有个别城市有采用ＤＣ１　０００Ｖ电压供电而仍然使用第三轨馈电的报道，并且车辆最高运行速度一般在９０　ｋｍ／ｈ以下。４．２　　接触网馈电方式的特点

城市轨道交通的接触网馈电方式中向车辆馈电的接触网设置在车辆的走行轨上方，沿走行轨中心呈“之”字形走向（正线直线段为±２００　ｍｍ，曲

地面上的接触网采用柔性悬挂形式。考虑到地面存在大气雷电的侵害，因此随接触网架设有一条接地保护线，并且在站场等重要场所增设避雷器。为了保证受电弓运行的连续性，通常在采用弹性悬挂和刚性悬挂接触网的隧道口设置一定距离的过渡段，然后再与柔性接触网连接。见图６。

图４　　某地铁车辆用的单臂轻型受电弓

（２）弹性悬挂。这种悬挂方式仅

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城市轨道交通在运行时都会产生对外界的电磁干扰。相同电流下采用ＤＣ７５０Ｖ第三轨（集电靴受流）和ＤＣ１５００Ｖ接触网（受电弓受流）馈电方式时的电磁干扰场强分布见图９。

由图９可以看出，在相同电流下

图８　　刚性接触网（隧道内）示意

图６　　地面（隧道外）柔性接触网示意

采用ＤＣ７５０Ｖ第三轨（集电靴受流）

表８　　　　第三轨和接触网馈电方式的比较

第三轨系统构成导电部分材质单位电阻率（２０℃）／Ω醡ｍ２·ｍ－１简单掺铝钢轨０．１２５６　４００～７　０００（等效铜截面积约为８５０　ｍｍ２）相对多≤９０低小相对较小　　　　带电的第三轨在走行轨高０．４４　ｍ。安全性　　　　线路必须完全封闭，运行中发生突发性事件时必须得到可靠停电通知后或是采用特殊方法方可组织乘客转移，或是在地面上对城市景观的影响进行事件现场处理。小有一定影响，需要精心设计接触网复杂铜或铜合金线材０．０１７８约８５０（接触导线２×１５０或２×１２０；导电承力索２×１５０；辅助馈线２×１５０）；刚性为１　４００相对少≥１２０相对较高相对较大　　　　相对较大（与隧道挖掘方式和采用悬挂方式有关）高度在４　ｍ以上。　　　　线路可以不完全封闭，运行中发生突发性事件时车辆可以脱离带电接触网，立即组织乘客转移或是进行事件现场处理。适用于隧道，需要采用一种悬挂专用的弹性定位器，接触网张力约１５ｋＮ，半补偿。在国内，上海地铁１号线就在隧道中采用了弹性悬挂方式。采用这种方式需要约４５０　ｍｍ左右的安装空间。图７是西门子实验室内的

实际截面积／ｍｍ２所需支撑点允许车辆最高运行速度／ｋｍ·ｈ－１系统造价维护工作量在隧道中所需空间侧方，距走行轨中心１．４　ｍ，　　　　带电的接触网在走行轨上方，距轨面图７　　实验室内的单导线隧道简单弹性悬挂

单导线简单弹性悬挂，对于城市轨道交通，这种悬挂方式通常采用双导线简单弹性悬挂。

（３）刚性悬挂。这种悬挂方式同样仅适用于隧道。刚性悬挂实际上就是把第三轨放置在了隧道的顶部（是一种由每段长约８～１０　ｍ的铝合金汇流排连接，和接触导线组成特殊的“第三　轨”，又称作“∏”型结构。国外还有直接将第三轨或特制第三轨安装在隧道顶部的报道，即“Ｔ”型结构），安装高度约４００　ｍｍ，但需要借助特殊的安装工具。见图８。在国内，广州地铁２号线中的地下线路将采用这种方式。

第三轨和接触网馈电方式的经济、技术综合性能比较见表８。

４．３　　第三轨和接触网馈电方式的电磁干扰

无论是采用何种供、馈电方式，

图９　　相同电流下采用ＤＣ７５０Ｖ、第三轨（集电靴受流）和ＤＣ１５００Ｖ、接触网（受电

弓受流）馈电方式时的电磁干扰场强分布

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城市轨道与交通

（４）各城市的轨道交通的供电制式应相对统一，避免由于供电制式的不同给车辆运营、维护等管理上带来的不便。同时，也应注意到城市轨道交通线路的相对独立性，根据城市轨道交通各线路的客流量、出行时间要求，以及其他因素等，科学、综合和合理地选择城市轨道交通各线路的供电电压制式，并且以合理的运营、维护等来解决由于供电制式的不同给车辆运营、维护等带来的不便。

参考文献

１　　关于北京、上海、广州三城市地铁牵引供电系统的调研报告．铁道部科学研究院，１９９８

２　　建立中国经济高效的大运量交通运输系统．中德财政合作项目学术访问研讨会，２００１

３　　徐安．城市轨道交通牵引供电系统．北京：中国铁道出版社，１９９８

和ＤＣ１５００Ｖ接触网（受电弓受流）馈电方式时接触网馈电方式所产生的电磁干扰要高于第三轨馈电方式。但是，由于相同功率下采用ＤＣ７５０Ｖ第三轨（集电靴受流）方式时的电流远大于ＤＣ１５００Ｖ接触网（受电弓受流）馈电方式，并且接触网——受电弓受流模式的离线率又低于第三轨——集电靴受流模式，而电流和离线率又是影响电磁干扰强度和持续时间的重要因素，因此笼统地说采用ＤＣ７５０Ｖ第三轨（集电靴受流）馈电方式所产生的干扰要小于采用ＤＣ１５００Ｖ接触网（受电弓受流）馈电方式是不正确的。

系统的供电制式应允许在两个电压制式中选用。

（２）随着城市人口的增加，人们对出行时间要求以及机电设备制造水平的提高，城市轨道交通所采用的供电电压水平正在逐渐提高。因此，在旅客客流量较大的城市（高峰小时客流断面达到或超过６万人次），或是在对出行时间有要求的特大型，或国际大都市型的城市，在要求旅行速度≥４５　ｋｍ／ｈ时，建议选用ＤＣ１５００Ｖ供（馈）电方式。

（３）ＤＣ１５００Ｖ供电制式具有牵引变电所间距大，牵引变电所数量和设备维护工作量减少，电压损耗和迷流小，可适应的客运量大等优点，其所对应的接触网馈电方式具有安全性好，车辆运行速度高等优点，适用于客流量大，或是旅行速度要求高（有出行时间要求，或是有一定距离的卫星城与主城区间的快速交通），轨道对地泄漏电阻不易提高，或是有较高安全性要求的城市，但是也要考虑到接触网结构相对复杂，维护工作量大，对城市景观存在一定影响，造价相对较高的问题。

５　　结论

（１）我国的城市轨道交通牵引电压制式无论是选用ＤＣ７５０Ｖ，还是选用ＤＣ１５００Ｖ，均符合国家和国际标准的规定。同时，由于ＤＣ７５０Ｖ和　ＤＣ１５００Ｖ、第三轨和接触网供（馈）电方式各有利弊，在选型时应结合城市各自的特点进行选择。对于轻轨系统，由于其在选择车辆形式上的灵活性，建议轻轨

责任编辑　　赵向红收稿日期　２００２－０８－１２

（上接第３５页）康市将形成总装机近回归模型对安康铁路分局２００３—２００７年的货运发送量进行预测，其结果如表２所示。

表２　　安康铁路分局２００３－２００７年货物发送量需求预测　　　　　年份经济增长率／％货物发送量／万ｔ２００３９．３２００４９．８２００５９．５２００６９．７２００７９．６２００万　ｋＷ的水电能源工业。已经开工建设的秦岭终南山公路隧道预计在２０１０年建成，在此之前的货运，将主要依靠铁路运输，所以铁路的货运量将会急剧上升，现有的运输能力根本无法满足运量的需求。在目前情况下，进行科学地预测货运发送量，充分利用运输能力，可以有效地解决运能与运量的矛盾；从长远来说，必须加快铁路和公路建设，从而在根本上解决安康铁路分局运能与运量突出的矛盾。

根据２００３年安康市、汉中市、达川市经济形势分析与预测，结合安康铁路分局的实际情况，利用一元线性

５２６．３５３６．４５３０．３５３４．４５３２．４３　　结论

分析市场变化，预测消费者运输需求情况，是指导市场营销的重要环节。企业应不断地进行市场调查，研究市场，确立目标市场，利用数学模型对运量进行正确预测，制定切实可行的运输策略。同时将货运量的预测作为一项重要的工作来抓，建立管理规范、机动高效的货运市场预测—策划—决策—贯彻实施的管理模式，并且在实际中设定专

职人员负责货运信息的收集，对稳定货源建档立卡、跟踪监测，对竞争货源分类分析。从而采取有效措施吸引货源，增加货物发送量和货运收入，在竞争中扩大货运市场的份额，提高铁路在货运市场中的竞争能力。

责任编辑　　杨　　倩收稿日期　２００３－０１－１６

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