SIRIO系列100%低地板現代有軌電車 配置TramWave地面供電系統 實現非架空接觸網供電模式
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有軌電車供電新技術

安薩爾多STS在那不勒斯的Tramwave地面供電線路

安薩爾多STS在那不勒斯的Tramwave地面供電線路

有軌電車是一種歷史悠久的公共交通工具,現在仍然有不少城市保留有軌電車,并且在技術上不斷改進。但是近四、五年來很多人認為市中心區的架空線很不美觀。巴黎、布魯塞爾、紐約、倫敦、華盛頓特區的市中心都將軌道交通設在地下,到郊區再上地面。然而地下的建設費用太高,往往是地面架空供電的3倍,而且維修費用也很高。為了在地面上避免架空供電,近年來出現了多種地面供電的方案,并取得了一定的成效。下面介紹一些可行的方案。

1 Tramwave地面供電系統技術

創威(TramWave)地面供電技術是安薩爾多STS公司的先進專利技術,該項專利技術已在意大利TRIESTE所有電動公交車上使用。TramWave是一種創新的供電方法,模塊化設計理念,適合于各種不同的結構及管理規劃需求。Tramwave可提供穩定的傳輸電力,并有效的減少對環境的污染。最重要的特點,創威地面供電系統取代傳統架空接觸網供電方式,可避免對市區的城市景觀造成破壞。

Tramwave供電接觸線嵌入式安裝在兩條鐵軌中間的連續導管內,不影響行人及其它車輛的穿行。接觸線的供電只有在車輛駛過時才能被轉向架下安裝的車載磁性集電靴接觸性激活,且僅位于車下固定的一小段區塊,其它位置不帶電。Tramwave系統的基本構件為一個3m或5m長用于內嵌的模塊化組件構成,該模塊組件內容納了全部的地面供電系統所需元素。一系列50cm長彼此絕緣的鋼制接觸板安裝于模塊組表面,所有模塊組連接在一起形成了Tramwave地面供電接觸線。車輛駛過時,只有與車下集電靴接觸的一塊50cm或者最多2塊共100cm的線段上為激活通電狀態,其它均不帶電,保證了供電的安全要求,滿足了車輛的驅動及附屬設備用電需求。Tramwave供電系統模組具有自己的電路安全環,負極回流不經過車輪及鋼軌,有效的避免了雜散電流的危害。Tramwave供電的有軌電車可通過車載蓄能裝置實現再生制動,回收制動電能。

Tramwave的主要特色還表現在:其可以實現連續電力供應,與傳統架空電線供電達成同樣的效果;不需再裝載輔助的系統,能自主的運作;Tramwave可實現直接安裝在各種軌道車輛上;可以與傳統架空網實現混合供電的應用方式(如在歷史古跡附近使用非架空電力系統,在郊區使用傳統架空系統)。目前,在意大利的那不勒斯建設有600m長的有軌電車Tramwave地面供電線路已于2012年底投入載客運營。

2 無線電控制的APS地面供電系統技術

Alstom在波爾多運營的APS有軌電車地面供電系統

Alstom在波爾多運營的APS有軌電車地面供電系統

20世紀90年代,法國的波爾多決定建造一個有軌電車網,規模達到43公里,使用74輛有軌電車,并且規定在市中心區不允許架設架空線。

1996年,波爾多市政府決定委托SYSTRA公司領導的項目組全權負責該市有軌電車線網的建設工作,線網由3條線路組成,總長約43公里,線路之間可以方便換乘,其中有10公里線路采用Alstom的APS地面供電方式,可避免架設接觸網線及其支架對城市景觀的影響。該項目組于1996至1997年完成了工程設計和投資成本估算等多個階段的工作。1997年,SYSTRA公司以工程總承包方的身份開始負責線網建設的一期工程(含3條線路,總長24.7公里)。工程于2000年2月正式開工,A線于2003年12月投入使用,B線和C線于2004年投入運營。通往地區醫療服務中心的A線延伸段計劃于2005年6月投入使用。2002年,SYSTRA公司領導的項目組再次接受波爾多市政府的委托負責有軌電車線網建設的二期工程,同樣包含3條線路,總長約18公里。 二期工程2007年投入運營。為了能在有軌電車二期工程完工的基礎上于2015年順利實現該市全封閉公交線網的建設計劃,波爾多政府已于2003年將三期工程的可研工作委托給SYSTRA領導的項目組。

Innorail曾花多年開發了APS系統(后被Alstom收購),并在馬賽進行試驗。APS在有軌電車軌道的中間增設一條中央軌,中央軌每8m增設一段3m的絕緣段。每22m由750V直流分段供電,只有當車輛通過時,由無線電控制的開關才使中央軌通電。安裝在車底兩個轉向架的集電靴獲得供電。車輛通過后,中央軌便不帶電。車上裝有9kWh的蓄電池組,在通過絕緣段時可保持供電;或當供電系統發生故障時,可保證電車不致停在關鍵地段。該系統碰到的問題是絕緣段的磨損每年達1mm,與導電軌產生差異。經過采取補救措施,該問題已得到解決。此外,冰雪天氣也碰到一些問題。

Alstom曾提出報告稱,波爾多使用APS的有軌電車已運行600萬公里,每天運送20萬人次,完好率達到99%。導電軌的使用壽命預期與鋼軌相同,但有關集電靴的使用壽命未提供資料。電車的車底安裝了刷子,可以掃除導電軌表面的砂。APS可能無法實現制動能量的再生,這是一個缺點。法國其他一些城市也考慮其新建有軌電車線路在中心區的范圍(1.5km以內)采用APS系統。

3 蓄電池供電

法國的尼斯在2007年12月投入運行的有軌電車線路要通過兩個重要的廣場,那里每年都要舉行狂歡節游行,因此不能架設架空線。解決的方案是使用蓄電池短距離供電,在架空供電時再向蓄電池充電。Alstom的Citadis302型有軌電車裝有540VDC,200kW SAFT NiMH蓄電池組,能以80Ah供電27kWh。車上的空調設備也可由蓄電池供電,但如果車輛在沒有架空供電的區段停留超過3min的話,車上的空調設備自動停用,以節省能耗。蓄電池的正常使用壽命預期約5年。

4 Primove電磁感應供電技術

龐巴迪Primove無接觸運行系統

龐巴迪Primove無接觸運行系統

Primove的電磁感應供電系統是龐巴迪于2008年開發的一種有軌電車供電技術,并于2009年1月在德國的Bautzen進行示范試驗。750VDC供電電纜沿電車軌道敷設,根據需要每隔一定距離設置一套逆變裝置,由供電電纜供電。逆變器將直流電轉變為20kHz,400VAC,通過敷設在軌道中間的3條并行的電纜,初級電路產生感應磁場。次級電路安裝在車底下,離開初級電路的距離最大不超過70mm。次級線圈在感應磁場的作用下,產生約400V的交流電壓,再轉變為600VDC,供給有軌電車的牽引系統。電磁感應供電系統的效率取決于次級與初級之間的空氣隙大小,正常范圍約45mm,但是會隨著車體垂直方向的上下而變化。車底感應的電流本身是閉路的,因此軌道內沒有回流的電流。

在Bautzen試驗的電車長20.5m,重28.3t,由4臺85kW電動機驅動。車上裝有2個感應線圈,最大傳輸功率為250kW。試驗線路分為5段,第一和第五段各長240m,第二至第四段各長10m。感應電纜敷設在總長510m的線路。試驗的意圖是針對不同的情況,在地面行人容易接近軌道的地方,只允許車輛底下的短距離區段可以通電;在隧道內或隔離的區段,則可以采用較長的區段。區段的通斷由電子控制。

由于采用感應的原理,所以不產生磨損。冬季大雪的情況也沒有問題。根據研制單位的報告,感應傳輸的損耗比傳統架空供電約高10%。投資和維修費用估計是架空供電的1.5倍,需要等待試驗結束才能確定。

在道碴或草地上敷設的軌道,Primove完全沒有問題,但是在瀝青或水泥街道上敷設的軌道,要求電纜的敷設深度至少為200mm,以防止電纜損壞。

德累斯頓已表示對Primove有興趣,可用于通過會展區的有軌電車延伸線路。此外,在隧道內如果不用架空線的話,可以減小隧道的斷面。有待回答的問題是電磁波對乘客人體的影響。

5 超級電容器供電

Bombardier于2003年在德國的曼海姆采用超級電容器作為蓄能裝置,向有軌電車供電。這種Mitrac節能裝置當充足電時容量為300kW,可以利用的能量為60%,裝置的總重為477kg。試驗的車輛為Duewag有軌電車,采用ABB牽引系統。經過4年的試驗,節能效果十分可觀,除了再生制動的正常節能效果外,能耗還可降低20%,最大優點是,當有軌電車離開架空線由超級電容器供電時,減少的架空線損耗約為6%。

由于試驗取得成功,德國萊茵地區決定采用19輛Bombardier Variobahn有軌電車,車上的Mitrao節能裝置采用Batscap超級電容器與逆變器組成一套裝置,比原型車的裝置體積更小一些,重量也減輕為400kg。30m長的有軌電車配備2套裝置,能以20km/h的速度離開架空線行駛800m。40m長的有軌電車配備3套裝置。這種供電方式適合于線路延伸而不允許架線的區段。

6 Sitras HES混合型蓄能裝置供電技術

Siemens開發的Sitras HES技術用于CombinoPlus有軌電車,在葡萄牙的Almada進行試驗。由750VDC充電的超級電容器另外增加一組牽引蓄電池,形成類似混合動力的方式。Sitras HES采用空氣冷卻Maxwell 0.85kWh超級電容器,工作電壓為190V~480VDC,組成2套144kW的裝置,總重820kg。蓄電池為水冷SAFT Ni-MH,容量為18kWh,105kW,重量為826kg。在正常運行條件下,蓄電池由架空線供電,最大充電電流22A。蓄電池的最大放電電流為200A。所有增加的設備重量約2.2t。

在正常制動的情況下,再生的電能有1/3反饋到架空線,1/3被超級電容器吸收,1/3用于車上的輔助設備,或消耗在制動電阻器。如果將超級電容器的容量增加一倍,則可消除制動電阻器的損耗。

7 CAF快速充電蓄能裝置供電

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西班牙的CAF采用快速充電方案,ACR系統是一套由車載超級電容器供電的電源系統,車上的超級電容器在進站制動時,可利用再生電能充電,停站時站上的架空電源再進行快速充電。

該系統在西班牙薩拉戈薩(Zaragoza)市輕軌1號線使用,站間無需架設架空線網,榮獲多個獎項和贊譽。將有21輛Urbos Ⅲ型有軌電車采用這種方式運行。西班牙的塞維利亞(Sevilla)市輕軌也采用該系統。2013年1月4日,CAF公司聯合長鴻營造公司中標的高雄環狀輕軌捷運8.7公里工程項目,即采用此ACR系統的快速充電帶車載超級電容器供電系統,車輛為Urbos 100系列100%低地板有軌電車,預計2014年底首車上線測試。

Alstom也對類似的方式在巴黎的T3線進行試驗。超級電容器安裝在Citadis402型有軌電車的車頂上,總容量為2.16kWh,其中1.62kWh可以使用的最大功率為360kW。整個裝置的重量為720kg。在停站時的充電時間不超過20s。

8 飛輪儲能技術

飛輪儲能是指將能量儲存在高速旋轉的飛輪質量中,飛輪儲能系統就是利用飛輪實現電能到機械能再到電能轉換的一套完整的儲能裝置。在技術上,大容量儲能飛輪系統起到平穩電壓的作用,車輛再生制動的使用比例可以大大提高,并可取消沉重的制動電阻,減輕車重提高效率,并提高制動的可靠性;在經濟上,飛輪成本也能很快回收。因此可見,飛輪儲能技術在城市軌道交通系統中的應用這是一種值得充分重視的技術。

2013年1月17日,阿爾斯通(Alstom)交通運輸部和威廉姆斯混合動力公司簽署協議,雙方合作在Citadis有軌電車上安裝并測試威廉姆斯的飛輪儲能技術。在獨家合作關系的基礎上,雙方將于2014年開始在現有的車輛上裝車并測試原型系統,即威廉姆斯的復合材料MLC飛輪儲能裝置。

威廉姆斯的飛輪技術最早于2009年開發并用于威廉姆斯一級方程式賽車上,后來被引進用于倫敦公共汽車上。該技術通過回收制動能量最高可節約燃油15%,而之前制動能量通常都以熱能方式消耗掉。該飛輪轉子是由一種復合材料制成,在高速運轉情況下,比金屬材質更加安全。

對于有軌電車來說,架空供電雖然是一種經濟的運行方式,且現代技術可以使架空設備簡潔美觀,并能達到較長的使用壽命。但是,從整個有軌電車系統所產生的社會效益上看,地面供電方式的有軌電車仍具有相當的優勢。若避免架空供電,將使投資費用和運行成本增加。經過數年的研究試驗,各種方案在技術上都是可行的,社會效益也是相當可觀的,但從經濟角度需要衡量其必要性。其適用范圍可能僅限于必須取消架空線的特殊區段,比如市區范圍以及風景名勝和古跡保護區等等。

感謝 作者 柴適 世界之窗 2011年稿 部分修改

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該日志于2013-01-21 16:01由 Zac 發表在軌道交通分類下, 你可以發表評論。除了可以將這個日志以保留源地址及作者的情況下引用到你的網站或博客,還可以通過RSS 2.0訂閱這個日志的所有評論。

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