美國輕軌供電系統 摘 要：本文介紹美國圣地亞哥市輕軌供電系統以及波特蘭市輕軌直流饋電分支系統，可供我國建設城市軌道交通系統時參考。1引 言 城市交通的發展趨勢是采用地下鐵道、輕軌交通、無軌電車及電動汽車。本文介紹美國圣地亞哥市輕軌供電系統以及波特蘭市輕軌直流饋電分支系統，以供我國建設城市軌道交通系統時作為參考。 2美國圣地亞哥市輕軌供電系統 ２．１ 直流饋電分支系統 直流饋電分支系統包括架空饋電分支系統與饋線電纜，它將來自牽引變電所的電能分配給輕軌車輛。一般，典型輕軌交通系統采用兩種形式的架空饋電分支系統：直接懸吊與鏈式懸吊，如圖１與圖２所示。 ２．１．１ 直接懸吊 直接懸吊是架空牽引結構的一種形式，其接觸線由橫繃線經絕緣子來懸吊。由于觸線的電導及載流容量較低，一般需要地下并聯饋線電纜。此種結構系用于中心商業區，以保持美觀，并且是固定終端形式的。 擁擠地區建筑物所有人有時寧愿橫繃線附著在其建筑物上，而不愿在其建筑物前樹立支柱（電桿）。雖然這是可以接受的交通方案，但會使建筑物部分承受不尋常的應力。線中斷時可能造成比支柱架線更大的危險，因為這使建筑物所承受的力大于支柱所附線的力。 ２．１．２ 鏈式懸吊 鏈式懸吊是架空牽引結構的一種形式，其觸線由單根或多根懸吊線懸吊。鏈式懸吊通常為簡單鏈式，當需要較大的安載流容量以及較低的導電率時，鏈式懸吊就采用復雜鏈式。鏈式懸吊通常為恒定張力形式，其觸線及懸吊線利用一平衡重量系統，在大的溫度范圍內保持恒定的張力。 （１）支持結構 常用的支持結構有兩種形式：懸臂式與軟橫跨式。懸臂結構由于美觀及費用節約的緣故是人們愿意選用的形式。懸臂組件裝在側旁或中央的支柱上。裝于側旁支柱的懸臂組件通常用于曲率半徑大于３００ ｆｔ的所有單軌場合。除非側旁凈空不能符合要求時，裝在中央支柱的懸臂組件應當用于所有雙軌的場合。軟橫跨式通常用于曲率半徑小３００ ｆｔ的單軌、雙軌、讓車車道和多軌的場合。第三種形式的支持結構稱為門結構，其支持物為剛體鋼構件，設立在軌道兩側。此種形式用于軟橫跨與懸臂支持不能應用的特殊場合。 前二種形式支持結構的共同特點是具有減小懸吊線或觸線斷裂時張力的性能。懸臂組件用鉸鏈裝在支柱上，當線中斷時由于懸臂組件依支柱而旋轉會使張力減小。這使相鄰跨距的長度縮短，從而使張力減小。在軟橫跨式的情況下，當觸線中斷時，由于橫繃線的偏移會使張力減小，當懸吊線中斷時，懸吊線通過其滑輪裝置的自由運行會使張力減小。 （２）恒定張力系統 觸線與懸吊線相對于其支持結構的運動是恒定張力系統所必需的。為此，相隔一定間距要安裝平衡重量裝置。最大間距通常為４ ０００ ｆｔ，而這些間距，如所周知，是張力區段。懸吊線與觸線用一稱為中點錨固裝置的拉線系統固定在每個張力區段的中點。懸吊線和觸線的伸縮度為周圍溫度以及中點錨固裝置與有關平衡重量裝置之間間距內列車負荷所引起的溫升的函數。每個平衡重量裝置包括一滑輪以及若干混凝土或鋼的重塊，以維持線索的弧垂與張力。 為了保證集電弓架從一個張力區段順滑地通行至另一張力區段，相鄰張力區段的跨距段是搭接的。在每個張力區段以及搭接段之外一個跨度處的末端觸線及懸吊線從軌道中心線處被拉住，然后固定在一平衡重量裝置上。 ２．１．３ 跨距長度（檔距） 在直接懸吊的情況下，跨距長度的確定通常基于中心商業區街區的長度。最大距距長度一般限于１２０ ｆｔ，而平均為９０ ｆｔ，從而一般來說每個街區為兩個跨距。 鏈式懸吊的跨距長度一般限于２００ ｆｔ，以避免脫線及限制支柱（電桿）基礎的大小。跨度長度基于觸線偏離軌道中心線所允許的最大位移，換言之，基于集電弓架從一個角端至另一角端的寬度。當計算觸線偏離軌道中心線的總位移時，必須考慮下列特性：線上最大風壓，觸線搖晃，支柱偏移，軌道道口，車輛偏移，鏈吊支持物由于溫度變化的移動以及結構容差的影響。 ２．１．４ 支柱（電桿）選擇 單純從技術觀點出發時，支柱的選擇系根據所支持饋電分支系統的形式而定，與所需支柱的高度、街道寬度以及所需弧垂等有關。通常采用兩種形式的支柱：寬緣工字（Ｈ型）鋼柱及預應力混凝土支柱。 ２．２ 雜散電流控制 在直流牽引供電系統中行軌用作主要負回路時，可以引起地下公用事業設備以及相鄰結構損壞的雜散電流應加以防止。因此，配合有若干設備與措施以使雜散電流減至最小，并使其效應減輕。一些常用的設備與措施如下。 ２．２．１ 設計具有非接地陰極的牽引供電系統。整流器、直流開關設備和負排流設備要與地絕緣。如果排流設備是接地的，多路地下回歸路徑將會存在，從而引起雜散電流。 ２．２．２ 限制牽引變電所之間的距離。與通常輕軌交通系統和重軌交通系統中牽引變電所間距長的情況不同，牽引變電所間距短導致行軌小的負電壓上升值。當雜散電流存在時，這就可以使其值基本上減小。在圣地亞哥系統中，限制變電所間距約為７ ０００ ｆｔ，這使正常與降級運行情況下的負電壓上升值限制到４５ Ｖ。 ２．２．３ 每所牽引變電所配備有負排流設備。雜散電流排流電纜接自地下公用事業設備。當需要排泄雜散電流時，它們能夠有選擇性地接往負排流設備。這就可以控制排自受影響公用事業設備的雜散電流。 ２．２．４ 采用非金屬地下管道。 ２．２．５ 軌道具有高路基電阻。 ２．２．６ 軌道與地絕緣。 ２．３ 牽引變電所間距 典型輕軌交通系統牽引供電系統的運行電壓范圍為額定電壓（１００％滿載電壓）的７０％～１２０％。雖然直流７５０ Ｖ也在采用，但最常用的額定電壓是直流６００ Ｖ。在圣地亞哥輕軌交通系統中，選用直流６５０ Ｖ作為車輛運行電壓。與６００ Ｖ相比較，為１６ ｍｉｌｅ系統選用６５０ Ｖ的結果是牽引變電所減少１所為１３所。 牽引變電所的間距主要決定于電壓降，也與負電壓上升值以及低水平故障（例如遠端短路）有關。牽引變電所之間的間距越大，則負電壓上升值越大，必須適當地加以限制。此外，任何低水平故障能被探測并被清除。 為了減小線路電阻以降低電壓降，雙軌的觸線及懸吊線，通常是交叉連接的。從而，兩條軌道的架空線由雙饋區段各端的直流饋線斷路器來保護。如此的特點可使變電所的數目減少，也可使一個變電所內的直流饋線斷路器數目減少一半。但是，如果線路單向因故障斷開時，雙向都要受到影響。 采用具有再生制動的斬波控制推進系統也能獲得電壓降的減小。此外，采用他激式電動機以推進車輛，也會減小電壓降。與串激式電動機相反，在高于基準速度的情況下運轉時，他激式電動機具有保持高牽引力的固有特性。因此，車輛的初始或峰值加速度能夠減小而不影響平均加速度。 3美國波特蘭市輕軌延長線的直流饋線分支系統（架空線網系統） 該市輕軌延長線采用下列４種結構的直流饋電分支系統： （１）重量調整張力的簡單懸吊形式，其高度為４ ｆｔ（約１．２ ｍ）； （２）具有固定終端的簡單懸吊形式，用于隧道內； （３）重量調整張力的單接觸線形式，用于波特蘭市及希爾斯伯勒鬧市范圍鋪軌地區，加設有地下饋電電纜，以增加電流容量； （４）具有固定終端的單接觸線形式，用于愛爾蒙尼卡存車場。 直流饋電分支系統包括４種線體：３００ Ｋｃｍｉｌ硬拉槽形銅接觸線；２５０ Ｋｃｍｉｌ硬拉絞合銅吊線；并聯用２ ｋＶ地下電纜——在波特蘭鬧市區采用７５０ Ｋｃｍｉｌ者，在希爾斯伯勒鬧市區采用５００ Ｋｃｍｉｌ者。 在車站交通線區域一般采用懸臂組件裝在中央支柱上的方式。在某些場合采用懸臂組件裝在側旁支柱上的方式。鬧市鋪軌區域采用錐狀管形支柱，其外表美觀且其上裝有街道照明用燈具。 架空線網上裝有分段絕緣器，以便故障隔離及維護。 在愛爾蒙尼卡工場建筑物內，在每個車輛工段，線網由墻裝隔離開關來分段。 其他情況大致與圣地亞哥市相同，不再贅述。 波特蘭市輕軌延長線直流饋電分支系統的接觸線、吊線及地下電纜的分布情況如下： 車站交通線區域：２５０ Ｋｃｍｉｌ吊線與３００ Ｋｃｍｉｌ接觸線并聯； 鋪軌地區：７５０ Ｋｃｍｉｌ地下饋線與３００ Ｋｃｍｉｌ接觸線并聯（波特蘭市鬧區）；５００ Ｋｃｍｉｌ地下饋線與３００ Ｋｃｍｉｌ接觸線并聯（希爾斯伯勒鬧市區）； 電阻值（６０ ℃）： 吊線 ０．２６５ Ω／ｍｉｌｅ； 接觸線（新的）０．２１３ Ω／ｍｉｌｅ； 接觸線（磨損２０％的）０．２６７ Ω／ｍｉｌｅ； 地下饋線（７５０ Ｋｃｍｉｌ）０．０８５ Ω／ｍｉｌｅ； 吊線與磨損的接觸線并聯時 ０．１３３ Ω／ｍｉｌｅ； ７５０ Ｋｃｍｉｌ地下饋線與磨損的接觸線并聯時 ０．０６４ Ω／ｍｉｌｅ。 參考文獻 １ Ｒａｌｐｈ Ｓ．Ｔｈｏｍａｓ，ｅｔ ａｌ． Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｆｏｒ Ｔｒｉ?Ｍｅｔ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｗｅｓｔｓｉｄｅ ＆ Ｈｉｌｌｓｂｏｒｄ ＬＲ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｊ Ｒ Ｃ，１９９９（７） ２ Ｐ Ｗｏｎｇ．ＬＲＴ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｊ Ｒ Ｃ，１９８３ |
