隨著中國經濟的快速發展,特別是汽車擁有量的急劇增長,城市交通問題成為各個大型城市迫切需要解決的重要問題之一。而以城市軌道交通和道路公交為主的城市公共交通就成為解決城市交通擁堵的主要手段之一。
目前,我國的城軌系統供電制式包括DC750V接觸軌供電、DC1500V接觸網供電和DC1500V接觸軌供電等3種方式。接觸網現有柔性接觸網(一般在隧道外)和剛性接觸網(一般在隧道內)2種。接觸軌與受電靴(也稱集電靴、受流器)的受流接觸有上接觸、下接觸和側接觸3種。本文僅就接觸軌(也稱第三軌,以下均稱接觸軌)和接觸網兩種供電方式涉及的若干問題提出自己的觀點。
1國內外現狀
由于早期的功率半導體技術的局限性,早期地鐵系統的牽引供電一般采用DC750V或以下等級。
隨著功率半導體技術的發展和成熟,城軌系統的供電電壓由DC750V等級提升為DC1500V或更高等級。而接觸網技術也不斷發展和成熟,國際上的城軌系統采用DC1500V電壓等級的均為接觸網供電方式。
我國在運營線路和在建線路基本上是DC1500V接觸網供電方式。
2從運營、應急救援和養護維修看兩者的安全問題
接觸網安裝在線路頂部,正常情況下人員無法直接接觸,對乘客、維修人員和其他相關人員來說安全性高;尤其從人員跌落、緊急情況下和列車救援時的乘客疏散、車輛段的維修人員往來通過、線路的緊急維修和常規維護保養、暴雨洪災、積雪積冰等方面來看,接觸網的安全性和安全等級均高于接觸軌。從理論上、技術上看,接觸軌供電方式是可以解決安全問題的,但是為了保證安全的實現,所付出的設備投人和維護代價遠遠大于接觸網系統。
在接觸軌供電方式下,線路上的任何正常維護和緊急維修作業均必須申請停電進行,維護維修完成后必須通過登記、注銷等確認機制才能重新供電。這種機制導致有效維護時間降低,維護維修效率相對較低。
在車輛段、維修基地等人員出人頻繁的區域,為了保證人員安全和惡劣氣象環境的供電安全,要么采取復雜的防護措施(其地面防護設備和措施的代價非常高),要么采用接觸網供電技術。我國廣州4、5號線采用DC1500V接觸軌與接觸網聯合供電方式,在車輛段仍然采用接觸網供電,這就造成了浪費和維護成本提高。特別是在車輛段,人員高度密集,接觸軌也是密集布置,風險非常大。
3從中國氣象環境看接觸軌與接觸網供電
目前,接觸網技術非常成熟,無論在多臺風地區、多雷暴雨地區、大雪地區以及其它各類特殊氣象環境地區,接觸網均運行安全。而接觸軌與地面距離非常小,對1500V供電接觸線的安全距離與安全防護要求很高,當暴雨傾瀉、地面積水甚至洪災時,容易發生漏電甚至短路,導致安全事故和由于供電終止導致的列車停運。另外,由于集電靴碳刷運行產生的碳粉與金屬粉塵粘附,容易導致接觸軌的安全等級下降。
4從國內外建設和運營經驗以及國際標準看接觸軌供電
世界城市軌道交通中,凡采用接觸軌供電方式的都是DC600V,750V,825V,唯一例外的“高壓”就是建于1972年的舊金山海灣區的快速有軌交通(非地鐵系統,DC1000V)和德國漢堡S一Bahn(DC1000V,1940年建成)。我國北京地鐵有幾十年應用DC750V接觸軌供電的經驗,已多次發生過觸電事故。如今供電電壓提高到DC1500V時采用接觸網供電。有些國家(如日本、英國)還明文規定,供電電壓為DC1500V時不得采用接觸軌。
根據IEC相關標準,DC1500V是直流高、低壓的分界線,在相關設計文件中凡是標注標稱電壓AC1000V或DC1500V的條款均明確指出“架空網接觸系統”的字句,其安全“防護距離”明確規定不適用接觸軌系統(IEC62128-1(鐵路應用一固定設施一第一部分:與電氣安全和接地有關的保護規定》)。
特別要提出的是,1500V接觸軌供電方式并不引領世界新潮流。
5從能耗、全壽命成本看接觸軌供電
從供電所損耗、列車控制技術(策略)、制動再生反饋以及線路狀況看,接觸網和接觸軌兩種方式的能耗一致。而接觸軌供電方式需要在每個轉向架安裝受流器(集電靴、受電靴),每個受流器質量為35kg,安裝底板和附件為10kg,每列車(按6節編組計算)增加質量540kg,高壓母線質量大于200kg;而2個受電弓總重260kg,因此接觸軌方式列車增加的質量是480kg。由此引起的啟動能耗與運行能耗增加量與接觸網線路阻抗引起的能耗增加量大致相當。
接觸軌的建設成本要大于接觸網的建設成本,尤其是車輛段的建設成本要遠遠大于接觸網方式。采用接觸軌供電,則一列車的受流器造價是60萬元,受電弓的造價是15萬元。而受電靴的故障率與磨耗遠高于受電弓,并且每次漩輪后必須調整受電靴,因此受電靴的故障率和維護成本遠遠大于受電弓。
在接觸軌供電方式下,如果車輛段也是采用接觸軌方式,則為了保障安全,所投人的安全設備投資很大,且保障與維護難度及工作量也很大,維護維修效率明顯降低。如果車輛段采用接觸網方式,則列車上必須同時具備兩種受電設備,其制造成本和維護成本明顯增加。
6從建設、景觀和管理看接觸軌供電
如果一個城市的既有地鐵線路主要采用DC1500V接觸網供電方式,則后續線路最好也是采用接觸網供電方式,以有利于互聯互通、備品備件,以及檢修、管理體系共享。否則,必須重新建立另外一整套的管理、維護維修、安全、備品備件、相關工種等體系,對互聯互通、資源共享、標準化都十分不利。
城市軌道交通系統在市區的線路,一般是采用地下方式,并不存在城市景觀問題。而在郊區的線路,顯然景觀并不是選擇供電方式的主要理由。部分旅游城市地鐵供電制式是否影響景觀,是一個仁者見仁智者見智的問題。安全與景觀兩者孰重孰輕非常明顯。
7結語
綜合考慮建設投資、日常維護、運行、受流器維護、車輛制造成本與維護成本、運行能耗等全部因素,接觸網與接觸軌兩種供電制式的比較如下:兩者的全壽命成本基本相當;兩者的雜散電流基本相當;接觸軌方式由于摩擦產生的金屬粉塵污染明顯大于接觸網方式;由于接觸軌受流方式需要集電靴與導電軌的平面接觸,工程以及運行維護中根本無法保證,所產生的接觸電弧和離線電弧明顯大于接觸網。
對于DC1500V電壓等級采用接觸軌方式,從理論分析角度看,觸電與短路風險無法消除,而為了降低這種風險所付出的成本將是昂貴的。中國人一直有一句話“人命關天”,人的生命大于天。一條線路要在幾十年的運行中保障生命安全,需要付出巨大的代價。
DC1500V電壓等級采用接觸軌方式,既不是引領世界新潮流,也沒有成熟經驗可以借鑒;更沒有國際標準和國家標準支持;而且大于80km/h速度運行時,有許多技術問題存在不確定性風險。故DC1500V電壓等級采用接觸軌方式是是不妥當的