有轨电车

第四章：动力系统

4.0动力系统

本章的主要目的是介绍基本的电气化牵引系统的概念以及对于推进车辆技术的新的动力系统的与牵引系统的关系。它的目的不是提供电气系统的设计和建设的详细信息。

“动力系统装置”是由电力牵引系统（TES）和车辆上其他相关的装置等组件组成。传统的有轨电车车辆电力驱动的方式是通过由变电站和相关的线等构成的驱动系统（TPS）以及由高架线和相关支持结构构成的架空接触网系统（OCS）向车辆提供动力。

电力系统的设计需要考虑每根线的路线和外形轮廓，还有考虑在不同时间运行的无数车辆的运行规划，还有气候条件以及在被使用的专用车辆等。还有确定变电站的数量、尺寸以及坐落位置。电力牵引系统的设计是为了在所有工作条件下当线路电压超过了标准时维持线路电压在一个规定的范围内。不会导致电线的有害过热或其他可以缩短系统部件的寿命不利因素。再通过计算机模拟在不同的工作场景（包括一个或多个变电站的操作）的情况，并确认证实其假设。

在过去120年，接触网（OCS）已经成为轻轨和有轨电车的首选功率分配方法。然而，其他几种方法最近几年也有进入市场。并且为了降低能源成本,新型地面供电系统的应用被限制了，车载储能供电系统正变得越来越普遍。现在一些车辆也配备足够的储能系统支持短距离（小于1.6km）脱离接触网的运行。可以长距离脱离接触网的车辆正在发展中。

回顾表4-1提供的现在应用于有轨电车和轻轨动力驱动的说明，突出显示了车载储能如何在不同情况下使用。本章的以下章节详细讨论了这些不同的系统，就速度和正在发展的技术而言，动力系统最容易改变的。因此，这些内容仅仅反映了这个行业的当前状态，在不久的将来很有可能明显不同。

表4-1

有轨电车/轻轨的车载储能

4.1工作电压和电流的运输

从18世纪90年代开始，有轨电车采用工作电压在500伏到600伏之间。一些快速交通系统和城市间电气化铁路系统采用更高的电压，但是在今天600

伏在全世界仍是最常见的使用系统。在20世纪初，安装在车体地板下电动机与有轨电车车体融为一体，但是电压被直流电动机转换器的直径和一些被利用的材料所限制。

随着电机设计和材料研究的进步，提高电压到750伏或者更高是可实现的。高电压的结果是在获得同样功率的情况下，动力系统提供一个较小的电流。并且

在较低的电流水平下运行可以降低了电线电阻的功率损耗。因此，对于同等功率的需求，更高的电压系统可使变电站安装在更远的距离。今天，有轨电车和轻轨最常见的牵引供电工作电压600和750伏直流电，新系统21在750伏是最常见的。1500伏也开始应用于轻轨系统。对于新系统750伏是最常见的。在选择工作电压时，可能要重点考虑的存在因素是的多式联运操作，即在规定的区域内，共同运行各类车辆，如轻轨和有轨电车。在该地区的其他系统采用相同的工作电压，并建立其他兼容的动力系统设计标准，可以为探讨系统规划提供重要的好处。

有轨电车和轻轨车辆的供电受流方式通常是通过受电弓，但是在北美的一些传统和遗留系统中仍然使用集电杆。全世界的无轨电车系统也使用有轨电车的拉杆，由于需要有分开的正极和负极与接近的导线相连为了车辆在交通运输中能够偏离高架道路。交通运输中使用的是电线杆，尤其是带有一个旋转头的电车杆，可以克服基础设施操作所强加的限制，所以为了一个新的有轨电车的运行它们的使用不应该被限制。系统其他方面设计也一样，应采用大胆分析的方法来评估其运行的局限性。

标准系统导线高度会根据当地实际情况有所不同，但19英尺（5.8米）是一种常用的标准。对于用以上导线的街道，其高度是高于国家安全规范的最小值8英尺（5.5米），为两支持点之间的导线下垂提供弥补的距离。垂直间隙限制在城市地区也很常见，因为有轨电车的路线可能需要通过桥梁和其他低建筑物下。从物理的角度分析，有轨电车运行的最小高度是由有轨电车车身的高度加上受电弓的高度（区别于锁定高度）所决定。这个总高度会随着车辆类型的不同而不同，但是一般都是11英尺10英寸和12英尺8之间（3.6和3.9米）。当地巷道间隙的规定也将影响到如何放置架空线。在垂直间隙的另一端，有轨电车的电线可能在同一水平面和铁路干线交叉，所以在十字路口架空线高度通常需要提高到22.5和23.5英尺之间（6.9和7.2米）。这种极大和极小的高度在那里都存在，考虑到受电弓的高度范围，车辆的采购文件中要包括这些信息（见第1.1节“占空比”）。为了给车载储能设备充电，当车辆停止和运行时高架线提供的电流可能会被限制。车辆的受电弓可以在车辆停止时为车载储能设备充电，它可能为了降低受电弓和架空线对高电流的容纳要求。

4.2能源存储系统

能源费用是电力传输运营成本的重要组成部分。现代拥有高性能的动力系统和空调设备的有轨电车比20世纪的消耗更多的能源。因此，轨道交通行业在最近几十年里一直致力于研究怎样减轻重量和节约能源的技术。通过再生制动实现能源的重新利用是最成熟的技术，已经电力铁路22得以运用。它允许牵引电机在制动时发电，并把电量分配给接触网，为附近的其他正在加速的车辆制造可用的电流。现在即使附近没有其他车辆，较新的技术也被用来获取和重新利用制动是产生的能量。固定（地面动力）和移动（车载）储能系统在近几年都有相当大的发展，除了降低系统的能源消耗外，他们还带来了许多其他的好处。

有轨电车运行时的启动和停止特别适合在车载储能系统中使用，因为频繁的制动为能量的再生循环利用提供充足的条件。移动储能还应用在提高常规动力系统的性能方面，例如在加速时减小电流峰值，尽可能减少电量需求使小型变电站得以投入使用。通过这些技术，能够脱离接触网运行的车辆得以发展（详见4.3）。

在传统的再生制动的使用过程中，车辆制动时接触网电压会升高并且远大于额定电压。电压增加带来功率增加的此程度是取决于车辆推进设计时允许电压的范围以及电线的承受能力。在这种情况下，同一线路上运行的所有其他车辆必须设计时满足这个高电压要求。因为这个原因，描述车辆运行的线性工作特性上应包括在第1.1节中提到的“占空比表”中的有关再生制动运行的数据。

4.3脱离接触网的能力

4.3.1接触网的美观问题

分配电力的接触网系统是被证实了的，也是非专有的，所以它的组件可以从多个供应商中获得。他们在美观方面存在的反对意见。于是在实际中良好的接触网设计要认识到与上文相关的美学和与街道以及一些其他敏感地区的搭配的重要性。在这方面的努力还不够，可能是车本或者其他的原因，导致这些装置会被大众看到，所以在他们的生活环境中是不恰当和不好看的（图4-2)）。

接触网的设计也是一个重复的过程，必须与轨道和其他线形要素的设计互相协调。快捷公共车辆运营系统（TCRP）报告7“减少接触网系统的视觉冲击”中有建议“如果在设计过程中有这个减少目标，那么接触网的视觉影响会被降低”。通常提高接触网系统的美观的方法是通过用建筑物或者其他结构的锚点代替网杆和靠结合可能的照明系统，交通信号系统和其他的网杆来减少接触网网杆的数