赵金凤，陈吉刚，赵云云，徐 阳，周 琳



新型有轨电车供电系统地面供电模式研究

赵金凤，陈吉刚，赵云云，徐 阳，周 琳

针对传统有轨电车供电系统影响城市景观的问题，提出了一种国产化地面供电系统，并对其设计思路、零部件结构、主要参数及工艺等进行了阐述。

地面供电；钢铝复合接触轨；工艺

0 引言

有轨电车是一种历史悠久的交通工具，且近年来发展迅速。随着城市建设的发展，在市区架设架空接触网影响城市景观，为了避免该问题，有轨电车无触网技术（储能式有轨电车）得到飞速发展。储能式有轨电车采用超级电容或其他储能介质作为车载储能装置，在特定地段（一般为车站）进行快速充电，沿线其余区段不设置供电设施，通过车载储能装置保证列车的牵引动力。目前，国内有轨电车（超级电容）多数只在站台顶部架设接触网，大大减小了接触网对城市景观的影响，但仍然存在接触网外露的情况。若能将有轨电车和地面供电系统相结合，则可解决该问题。

1 有轨电车地面供电系统选型

目前，比较有代表性的有轨电车地面供电系统方案有3种，分别为阿尔斯通的APS、庞巴迪的PRIMOVE和安萨尔多的TRAMWAVE。这3种方案均采用地面供电系统向列车提供电力，但在具体实现方案上存在差异[1～3]。

APS系统的供电轨在外观上如2条金属片镶嵌在绝缘轨上，基本构成如图1所示。探测回路处于供电轨之内，接收来自围绕在车辆中心下方集电靴四周天线的信号。当需要向车辆供电时，车辆的信号感应装置侦测并传递信号给该区段的供电轨，供电系统被激活，此时车辆中间下方的供电轨带电；当集电靴驶离该区段后，电源箱立即切断该区段供电轨的电源。

图1 APS供电系统基本构成示意图

PRIMOVE技术基于电磁感应技术，利用电能与磁场能相互转化的原理，实现了电能的非接触式传输。电气元件隐蔽安装于车底与轨道下方，当感应系统（图2）检测到车辆通过时接通电源，线圈产生的磁场被车辆底部安装的受流器（图3）感应，并转化为电能为车辆牵引系统供电。

图2 PRIMOVE地面一次感应线圈

图3 PRIMOVE车载二次感应线圈

TRAMWAVE地面供电系统采用独特的自然磁力相吸技术为列车提供牵引电力。安装在车辆转向架上的受电靴与地面模块的柔性导电排均装有永磁材料，模块断面结构示意图见图4。当受电靴经过模块供电节表面时，模块内的柔性导电排受磁力吸引上升，模块导通供电。当受电靴离开供电节表面后，柔性导电排受重力作用回落到安全负极位置，模块表面失电，并使模块供电节表面与安全负极相连，确保乘客人身安全。

图4 TRAMWAVE嵌入式模块断面基本结构

与PRIMOVE系统相比，APS系统可更好满足储能式有轨电车对短时大电流充电的需要；与TRAMWAVE系统相比，ABS系统接触轨与集电靴之间接触平稳，不易产生相对移动中的拉弧问题，且运营维护成本相对较低。通过对比可知，车载储能式有轨电车采取APS地面供电系统最为适用。

2 设计思路

有轨电车（超级电容）地面供电系统采用信号控制设备控制供电机构的开合。车辆进站时，当某段导电轨全部位于车辆下方并被车体包围时，集电靴上的探测器发出信号，供电系统开始为该段导电轨供电；当车辆驶离该段导电轨时，信号控制器再次发出信号，供电设备停止向该段导电轨供电，保证无车状态下整套装置不带电，供电机构安全可靠。

3 地面供电装置结构组成

地面供电装置由钢铝复合轨和非金属连接轨间隔组成，还包括非金属支座、中间接头/电连接、非金属压块、信号控制器、供电机构等。安装完成后钢带面高出地面一定高度。其结构如图5所示。

图5 地面供电装置结构示意图

3.1 钢铝复合接触轨基本结构及参数计算

本方案钢铝复合接触轨为“C”形结构，采用钢带与铝轨机械复合方式：通过复合专机将钢带两侧的壁板与铝轨本体复合，使铝轨本体的部分材料挤入钢带两侧壁板上沿长度方向分布的一定数量的小孔中，形成牢固的销轴连接，使钢带绷紧并紧贴于铝轨本体表面，形成紧密的机械接触。其结构如图6所示。

3.1.1 载流量的计算

钢铝复合接触轨载流量计算[4]式为

式中，d为持续载流量，A；为铝轨本体截面积，mm2；为铝轨本体截面周长，mm；为系数，且

=1×2×3×4×5

空气的材质性能常数20= 35.4W-1·mm-2·m时1= 1.01；环境温度air= 40℃时，2= 1.01；温度增加到45℃时，3= 1.07；设施在露天、无强迫对流时，4= 1.02；接触面表面洁净时，5= 1.02，且有=1 489 mm2，= 367 mm，将以上数据代入式（1），得d= 1 926 A。

图6 钢铝复合接触轨结构示意图

3.1.2 热胀系数计算

实际线路中复合轨受环境温度变化、通电后自身发热等影响会产生热膨胀，导致复合轨长度发生变化。不同的材料具有不同的热膨胀系数，钢铝复合轨采用挤压技术将2种不同的材料结合，不锈钢的热膨胀系数为16.5×10-6K-1，铝的热膨胀系数为23.5×10-6K-1；不锈钢的弹性模量为199× 103MPa，铝的弹性模量为70.3×103MPa；不锈钢的横截面积为420 mm2，铝的横截面积为 1 490 mm2。

基于不锈钢与铝的不同膨胀量被完全平衡这个假设成立的基础上进行理论计算，最终的联合膨胀量受2种材料的弹性模量和截面大小影响。

钢铝×(铝×铝+钢×钢)=(铝×铝×铝)+(钢×钢×钢) （2）

式中，钢铝为复合轨热膨胀系数，钢为不锈钢热膨胀系数，铝为铝的热膨胀系数，钢铝为复合轨横截面积，钢为钢带横截面积，铝为铝轨横截面积，钢铝为接触轨弹性模量，钢为不锈钢弹性模量，铝为铝的弹性模量。

将以上数值代入式（2）可得

钢铝= 20.4×10-6K-1

非金属支座采用玻璃钢复合材料，玻璃钢的热膨胀系数为(20～30)×10-6K-1，几乎与钢铝复合轨热膨胀系数一致，因此整套装置在使用过程中不易产生由于温度变化引起的变形、拱起等问题。

3.2 非金属支座及压块

钢铝复合轨架设在非金属支座上，通过非金属压块将钢铝复合轨固定，支座和压块示意图如图7所示。非金属支座及压块均采用专用不饱和树脂拉挤成型，玻璃钢复合材料具有耐老化、耐腐蚀、绝缘性及低温性能优良、阻燃性好等特点。采用拉挤生产工艺可实现连续规整截面零件的连续生产，生产效率高，零件的稳定性好。

图7 非金属支座及压块示意图

3.3 非金属连接轨

非金属连接轨由聚四氟乙烯模压成型，具有强度高，耐磨性好等特点。其横截面与钢铝复合轨横截面相同（图8），表面平整连续，端头倒圆角，可保证集电靴平滑过渡，同时满足分段供电需求。

图8 非金属连接轨示意图

3.4 中间接头/电连接接头

中间接头/电连接接头用于连接相邻2段复合轨并向钢铝复合轨供电，接头外形结构与复合轨内腔完全匹配，限制了接头的扭转，保证续接的可靠性，结构如图9所示。接头上预留4个螺纹孔，利用螺栓将相邻轨连接固定，并保持轨面高度一致，高差控制优良，保证系统持续运营时集电靴平滑受流，整体结构安全可靠、连接便捷、安装方便。接头本体上焊接铜铝过渡板，板上预留光孔，用于连接供电电缆。

3.5 堵头

堵头用于装置两端封堵，堵头上预留进线口，堵头截面与非金属支座形成紧密配合，无需螺栓连接固定，安装方便。堵头采用玻璃钢模压成型，机械、电气、耐候性能可靠，阻燃性能优良（图10）。

图9 电连接结构示意图

图10 玻璃钢堵头及安装示意图

4 主要参数

结合有轨电车地面供电系统的功能要求，提出了地面供电系统钢铝复合接触轨的主要技术指标，如表1所示。

表1 钢铝复合接触轨技术指标

5 关键工艺

5.1 钢铝复合接触轨

钢铝复合接触轨制造工艺为单轨挤压成型。铝轨本体采用双动正向挤压成型机，将铝坯进行挤压一次成型。精密的挤压模具和最佳的工艺流程可以保证铝轨本体表面光滑，避免裂纹、砂眼和损伤等缺陷。不锈钢带采用自主研发的数控轧辊成型生产线单独加工并一次冷弯成型。钢铝复合采用独特的机械复合工艺，实现了钢铝紧密、牢固的机械和电气接触，获得了良好的导电性能，满足了大电流连续移动传输的要求。为提高钢铝复合接触轨的机械强度和导电性能，铝轨本体选用铝镁硅合金材质6101B（T6），该材质具有强度高、耐腐蚀、可热处理等特点；不锈钢带采用耐磨性能优异的10Cr17。

5.2 中间接头/电连接接头

中间接头/电连接接头是连接相邻两端轨且向导电轨供电的零件，其本体上焊有电连接铜铝过渡板，防止电腐蚀，可以连接电缆。本体材质为铝镁硅合金材质6101B（T6），铜铝过渡板材质为6101B+ T2+1050A。接头本体的轮廓与钢铝复合接触轨腰面紧密接触，确保满足电流持续性的要求。

6 结语

与传统的有轨电车（超级电容）供电系统相比，地面供电方式更美观，无需在车站顶部设置充电装置，彻底解决了架空接触网影响自然景观的问题。本文从结构组成、材料选取、加工工艺等方面对地面供电装置进行设计，提出了解决方案。

[1] 王小磊. 现代有轨电车无架空线供电技术综述[J]. 城市公共交通，2014（4）：35-39.

[2] 何治新. 现代有轨电车牵引供电方式选择[J]. 城市轨道交通研究，2013，16（7）：105-108.

[3] 蔡波，李琨鹏. 现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究[J]. 城市轨道交通研究，2015，18（1）：72-77.

[4] 赵金凤. 中低速磁浮钢铝复合接触轨侧向安装受流研究[J]. 电气化铁道，2012，23（3）：36-38.

For aesthetics of tramcar power supply system, the paper puts forward a localized ground power supply system, and illustrates its design theories, structure of fittings, main parameters and process.

Ground power supply; steel aluminum composite contact rail; process

U223.6

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.015

1007-936X(2018)01-0061-04

2017-06-01

赵金凤.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，教授级高级工程师；

陈吉刚、赵云云.广州地铁设计研究院有限公司，高级工程师；

徐 阳.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，工程师；

周 琳.中铁电气工业有限公司，教授级高级工程师。