0? 引言

隨著城鎮(zhèn)化及城市群的發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車作為城市骨干公共交通網(wǎng)絡“補充、延伸、聯(lián)絡、過渡”的作用愈發(fā)突出?，F(xiàn)代有軌電車*顯著的特點是造價低、節(jié)能環(huán)保，其軌道可直接在現(xiàn)有公路上鋪設，車輛在地面?？俊，F(xiàn)代有軌電車運行系統(tǒng)建造成本僅為地鐵的 1/4~1/3，且工期短、污染少，載客量、乘坐舒適感、穩(wěn)定性均高于公共汽車，且兼?zhèn)涑鞘杏^光功能，因此，為助其發(fā)展很有必要對其供電方式進行分析。

1? 傳統(tǒng)有軌電車供電方式

傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛有 2 種供電方式：一種是架空接觸網(wǎng)供電，另一種是地面接觸軌供電。架空接觸網(wǎng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、架設方便、投資成本小、散

熱條件好；缺點是網(wǎng)絡復雜和集中時，不易架設、在城市中心架設接觸網(wǎng)及支柱會影響城市景觀、限制公路通行車輛高度，且工作條件差，易受環(huán)境條件如冰、風、雨、雪、溫度、化學腐蝕、雷電等的影響。地面接觸軌供電優(yōu)點是不會影響城市景觀，不會受到極端天氣影響；缺點是容易受到異物、積水的損壞，且安全性不高，在電分段與道岔處需隔斷，在一定程度上會增加車輛牽引系統(tǒng)設計成本。

2? 現(xiàn)代有軌電車地面供電方式

為避免上述 2 種傳統(tǒng)供電方式的缺點對現(xiàn)代有軌電車的設計、運營、維護產(chǎn)生不利的影響，近些年國內(nèi)外軌道交通領域提出了多種新的現(xiàn)代有軌電車供電

方式，并得到了廣泛驗證。

2.1? TramWave 供電方式

TramWave 是意大利安薩爾多公司基于自然磁力技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由玻璃鋼槽、負極回流條、插座盒、供電模塊、柔性接觸帶、供電電纜等零部件組成。

2.1.1 工作原理

TramWave 地面供電系統(tǒng)采用的是自然磁力技術(shù)，安裝在車輛轉(zhuǎn)向架下方的集電器與地面模塊內(nèi)的彈性磁鐵條都裝有永磁材料，當集電器處于放下狀態(tài)時，模塊內(nèi)的彈性磁鐵條受磁力作用上升，使模塊表面與電源正極連通，集電器通過與區(qū)段供電模塊的金屬板板面接觸從而將供電電源正極引入車內(nèi)。只有與集電器接觸的區(qū)段金屬板才有電，而當集電器離開模塊表面后，彈性磁鐵條受重力作用，回落到與安全負極相接觸的位置，模塊表面失電，安全負極維持各區(qū)段接地；當集電器處于收起狀態(tài)時，集電器與模塊之間的磁力強度不足以吸起彈性磁鐵條，因此無法激活地面供電模塊，所有區(qū)段維持接地狀態(tài)。圖 1 為 TramWave地面供電系統(tǒng)示意圖。

2.1.2 應用分析

①安全性：地心引力將確保 TramWave 地面供電系統(tǒng)的基礎狀態(tài)為安全情況，當集電器沒有位于供電模塊正上方時，彈性磁鐵條將維持在未激活狀態(tài)。意

外情況下，若模塊內(nèi)部導電卡在上端，導致彈性磁鐵條因重力落下后，供電模塊仍處于導電狀態(tài)，系統(tǒng)將立即斷開保護開關(guān)；若水滲入模塊，當積水情況不嚴重時，系統(tǒng)可維持正常運作；淹水水位過高時，系統(tǒng)將立即斷開保護開關(guān)。因有電區(qū)域永遠只有與集電器接觸的區(qū)段，故無觸電的危險。此外負極回流是通過模塊而不是像傳統(tǒng)軌道交通車一樣負極為走行軌，因此無雜散電流，可確保乘客安全。

②經(jīng)濟性：TramWave 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（1 500~2 000）萬元 /km。

③可用性：TramWave 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實現(xiàn)混合方式供電。模塊化組件組合生產(chǎn)車輛可大幅縮短系統(tǒng)的開發(fā)時程，降低車輛購置及維修成本。目前意大利的那不勒斯（試驗線）、廣東珠海有過該系統(tǒng)的應用。通過應用分析，

TramWave 地面供電技術(shù)是安全、可靠的，但是仍有一些技術(shù)問題需要進一步分析和解決，其運用成熟度需根據(jù)實際情況進行全方位的檢驗。

2.2? APS 供電方式

APS 是法國阿爾斯通公司基于車地無線通信技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由供電接觸軌、供電箱、感應裝置、車載天線、集電靴等零部件組成。

2.2.1 工作原理

APS 地面供電系統(tǒng)采用地面接觸軌供電、鋼軌回流制式。供電接觸軌位于兩條走行軌之間，走行軌、接觸軌軌面均與地面持平。接觸軌的導電段每 8 m 增

設一段 3 m 的絕緣段，如圖 2 所示。

接觸軌每 22 m 由 DC 750 V 一個直流分段供電，只有當車輛通過時，由無線電控制的開關(guān)才使接觸軌通電。安裝在車底 2 個轉(zhuǎn)向架的集電靴獲得供電。車輛通過后，接觸軌與走行軌相連，電壓為零。工作流程如下：

①列車的 2 個集電靴位于供電段 A，供電箱 AB 的AK1 閉合，AK2 斷開，導電段 A 電壓為 DC 750 V，列車通過 2 個集電靴受流，走行軌回流；此時 BK1、CK1、DK1 斷開，BK2、CK2、DK2 閉合，導電段 B、C、D 電壓為 0，如圖 3 所示。

②列車繼續(xù)運行，位于列車前端的集電靴進入導電段 A、B 之間的絕緣段，供電箱 AB、CD 的全部開關(guān)狀態(tài)與圖 3 一致，導電段 A 電壓為 DC 750 V，列車通過后端的集電靴繼續(xù)受流，此時導電段 B、C、D 電壓為 0，如圖 4 所示。

③列車繼續(xù)運行，導電段 B 檢測到列車，供電箱AB 的 BK1 閉合，BK2 斷開，導電段 A、B 通過不同的 2 個集電靴為列車供電，此時導電段 C、D 電壓為 0，如圖 5 所示。

④列車繼續(xù)運行，位于列車后端的集電靴進入導電段 A、B 之間的絕緣段，導電段 A 檢測不到列車，供電箱 AB 的 AK1 斷開，AK2 閉合，列車前端的集電

靴通過導電段 B 受流，此時導電段 A、C、D 電壓為 0，如圖 6 所示。

⑤列車繼續(xù)運行，列車的2個集電靴進入導電段B，共同為列車供電，供電箱 AB、CD 的全部開關(guān)與上圖位置一致，此時導電段 A、C、D 電壓為 0，如圖 7 所示。

APS 供電系統(tǒng)可使列車按上述過程持續(xù)運行，列車可持續(xù)受流。

2.2.2 應用分析

①安全性：APS 地面供電系統(tǒng)工作機制決定了僅有當列車通過時，該導電段帶電，且每節(jié)導電段的長度小于列車長度，帶電的導電段均處于列車覆蓋的底

部，其余導電段處于接地狀態(tài)，可保證行人安全。

②經(jīng)濟性：APS 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（4 000~5 000）萬元 /km。

③可用性：APS 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實現(xiàn)混合方式供電。目前國外多個城市有過該系統(tǒng)的應用。沿線埋設大量分區(qū)接觸軌旁設

備，除了積水會對其造成較大程度的影響，該系統(tǒng)在實際應用中碰到的另一個問題是絕緣段的磨損每年達1 mm，與導電段的高度產(chǎn)生差異，這種差異無疑會縮短集電靴的壽命，并且可能會影響其正常工作。此外，積水和雨雪也會對該系統(tǒng)的正常使用帶來隱患。

2.3? Primove 供電方式

Primove 是加拿大龐巴迪公司基于電磁感應技術(shù)開發(fā)的一種地面供電系統(tǒng)，主要由直流供電電纜、逆變裝置等部件組成。

2.3.1 工作原理

Primove 供電系統(tǒng)是在軌道中間敷設 DC 750 V 直流供電電纜，并根據(jù)需要每隔一定距離設置一套逆變裝置，直流饋電電路由 2 個獨立并完全絕緣的電纜組成，與沿導軌布置的逆變器相連接，由供電電纜供電。逆變器將 DC 750 V 直流電逆變?yōu)楦哳l AC 400 V 交流電，從而使一次繞組區(qū)域得電，在通過敷設在軌道中間的 3 條電纜時，地面?zhèn)入娐窌a(chǎn)生感應磁場。車輛側(cè)感應電路安裝在車輛底下，通過電磁感應原理，感應出 AC 400 V 交流電，再經(jīng)過車輛整流裝置將其轉(zhuǎn)換為 DC 600 V 的直流電，供牽引傳動、輔助電源系統(tǒng)、車載儲能系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)的傳遞效率取決于二次繞組與一次繞組之間的間隙大小，由于這個間隙會在列車運行中隨著車體垂直方向的振動而變化，所以傳遞效率一直在變化。工作原理如圖 8 所示。

從圖 8 可知，DC 750 V 直流供電電源經(jīng)逆變、整流為牽引逆變器、輔助電源系統(tǒng)及車載儲能系統(tǒng)供電，牽引逆變器將直流輸入經(jīng)過逆變?yōu)榻涣鳟惒诫姍C供電。

2.3.2 應用分析

①安全性：Primove 地面供電系統(tǒng)感應產(chǎn)生的電流是閉路的，因此軌道內(nèi)不會產(chǎn)生回流電流，同時車輛側(cè)高壓設備的損壞不會造成頂網(wǎng)等事故的發(fā)生。

②經(jīng)濟性：Primove 地面供電系統(tǒng)的投資成本約為（2 000~2 500）萬元 /km。

③可用性：Primove 地面供電系統(tǒng)可與傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)結(jié)合使用，實現(xiàn)混合方式供電。目前仍處于試驗驗證階段。盡管無線電磁感應的效率能達到 90% 以上，但是由于能量的走向經(jīng)過了逆變裝置、無線電磁感應傳輸、整流裝置等多個環(huán)節(jié)，因此其系統(tǒng)效率較傳統(tǒng)的接觸式牽引系統(tǒng)低，整個系統(tǒng)的效率在 50%~60% 左右；地面一次側(cè)與車載二次側(cè)實現(xiàn)了物理隔離，不會有集電靴和接觸軌之間的磨耗問題，雨雪天氣也不會對系統(tǒng)的正常工作造成影響。

3? 比較和分析

綜合考慮國內(nèi)外已執(zhí)行、在執(zhí)行的現(xiàn)代有軌電車供電方式，架空接觸網(wǎng)供電仍然是運用*廣泛、*經(jīng)濟的供電方式（見表 1）。但從現(xiàn)代有軌電車的定位及發(fā)展趨勢來看，地面供電方式的有軌電車仍具有相當?shù)膬?yōu)勢。首先地面供電方式減少了架空接觸網(wǎng)、承力索、電線桿所造成的視覺污染，對現(xiàn)有城市基礎設施影響較??；其次地面供電方式應對極端特殊天氣的能力更強。

4? 結(jié)語

現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)是整個城市軌道交通非常重要的組成部分。相較于 TramWave 和 Primove 地面供電系統(tǒng)，采用 APS 供電系統(tǒng)和架空接觸網(wǎng)組合供電方式更為合理可行。架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)成本低、前期投入少、后期維護簡便，比較適合應用在遠郊或地面低洼易產(chǎn)生積水的區(qū)域；在路況較好、城區(qū)中心采用APS 地面供電系統(tǒng)以保護城市現(xiàn)有景觀。