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美国轻轨供电系统

摘要：本文介绍美国圣地亚哥市轻轨供电系统以及波特兰市轻轨直流馈电分支系统，可供我国建设城市轨道交通系统时参考。
1引言
城市交通的发展趋势是采用地下铁道、轻轨交通、无轨电车及电动汽车。本文介绍美国圣地亚哥市轻轨供电系统以及波特兰市轻轨直流馈电分支系统，以供我国建设城市轨道交通系统时作为参考。
2美国圣地亚哥市轻轨供电系统
２．１　直流馈电分支系统
直流馈电分支系统包括架空馈电分支系统与馈线电缆，它将来自牵引变电所的电能分配给轻轨车辆。一般，典型轻轨交通系统采用两种形式的架空馈电分支系统：直接悬吊与链式悬吊，如图１与图２所示。
２．１．１　直接悬吊
直接悬吊是架空牵引结构的一种形式，其接触线由横绷线经绝缘子来悬吊。由于触线的电导及载流容量较低，一般需要地下并联馈线电缆。此种结构系用于中心商业区，以保持美观，并且是固定终端形式的。
拥挤地区建筑物所有人有时宁愿横绷线附着在其建筑物上，而不愿在其建筑物前树立支柱（电杆）。虽然这是可以接受的交通方案，但会使建筑物部分承受不寻常的应力。线中断时可能造成比支柱架线更大的危险，因为这使建筑物所承受的力大于支柱所附线的力。
２．１．２　链式悬吊
链式悬吊是架空牵引结构的一种形式，其触线由单根或多根悬吊线悬吊。链式悬吊通常为简单链式，当需要较大的安载流容量以及较低的导电率时，链式悬吊就采用复杂链式。链式悬吊通常为恒定张力形式，其触线及悬吊线利用一平衡重量系统，在大的温度范围内保持恒定的张力。
（１）支持结构
常用的支持结构有两种形式：悬臂式与软横跨式。悬臂结构由于美观及费用节约的缘故是人们愿意选用的形式。悬臂组件装在侧旁或中央的支柱上。装于侧旁支柱的悬臂组件通常用于曲率半径大于３００　ｆｔ的所有单轨场合。除非侧旁净空不能符合要求时，装在中央支柱的悬臂组件应当用于所有双轨的场合。软横跨式通常用于曲率半径小３００　ｆｔ的单轨、双轨、让车车道和多轨的场合。第三种形式的支持结构称为门结构，其支持物为刚体钢构件，设立在轨道两侧。此种形式用于软横跨与悬臂支持不能应用的特殊场合。
前二种形式支持结构的共同特点是具有减小悬吊线或触线断裂时张力的性能。悬臂组件用铰链装在支柱上，当线中断时由于悬臂组件依支柱而旋转会使张力减小。这使相邻跨距的长度缩短，从而使张力减小。在软横跨式的情况下，当触线中断时，由于横绷线的偏移会使张力减小，当悬吊线中断时，悬吊线通过其滑轮装置的自由运行会使张力减小。
（２）恒定张力系统
触线与悬吊线相对于其支持结构的运动是恒定张力系统所必需的。为此，相隔一定间距要安装平衡重量装置。最大间距通常为４　０００　ｆｔ，而这些间距，如所周知，是张力区段。悬吊线与触线用一称为中点锚固装置的拉线系统固定在每个张力区段的中点。悬吊线和触线的伸缩度为周围温度以及中点锚固装置与有关平衡重量装置之间间距内列车负荷所引起的温升的函数。每个平衡重量装置包括一滑轮以及若干混凝土或钢的重块，以维持线索的弧垂与张力。
为了保证集电弓架从一个张力区段顺滑地通行至另一张力区段，相邻张力区段的跨距段是搭接的。在每个张力区段以及搭接段之外一个跨度处的末端触线及悬吊线从轨道中心线处被拉住，然后固定在一平衡重量装置上。
２．１．３　跨距长度（档距）
在直接悬吊的情况下，跨距长度的确定通常基于中心商业区街区的长度。最大距距长度一般限于１２０　ｆｔ，而平均为９０　ｆｔ，从而一般来说每个街区为两个跨距。
链式悬吊的跨距长度一般限于２００　ｆｔ，以避免脱线及限制支柱（电杆）基础的大小。跨度长度基于触线偏离轨道中心线所允许的最大位移，换言之，基于集电弓架从一个角端至另一角端的宽度。当计算触线偏离轨道中心线的总位移时，必须考虑下列特性：线上最大风压，触线摇晃，支柱偏移，轨道道口，车辆偏移，链吊支持物由于温度变化的移动以及结构容差的影响。
２．１．４　支柱（电杆）选择
单纯从技术观点出发时，支柱的选择系根据所支持馈电分支系统的形式而定，与所需支柱的高度、街道宽度以及所需弧垂等有关。通常采用两种形式的支柱：宽缘工字（Ｈ型）钢柱及预应力混凝土支柱。
２．２杂散电流控制
在直流牵引供电系统中行轨用作主要负回路时，可以引起地下公用事业设备以及相邻结构损坏的杂散电流应加以防止。因此，配合有若干设备与措施以使杂散电流减至最小，并使其效应减轻。一些常用的设备与措施如下。
２．２．１　设计具有非接地阴极的牵引供电系统。整流器、直流开关设备和负排流设备要与地绝缘。如果排流设备是接地的，多路地下回归路径将会存在，从而引起杂散电流。
２．２．２　限制牵引变电所之间的距离。与通常轻轨交通系统和重轨交通系统中牵引变电所间距长的情况不同，牵引变电所间距短导致行轨小的负电压上升值。当杂散电流存在时，这就可以使其值基本上减小。在圣地亚哥系统中，限制变电所间距约为７　０００　ｆｔ，这使正常与降级运行情况下的负电压上升值限制到４５　Ｖ。
２．２．３　每所牵引变电所配备有负排流设备。杂散电流排流电缆接自地下公用事业设备。当需要排泄杂散电流时，它们能够有选择性地接往负排流设备。这就可以控制排自受影响公用事业设备的杂散电流。
２．２．４　采用非金属地下管道。
２．２．５　轨道具有高路基电阻。
２．２．６　轨道与地绝缘。
２．３　牵引变电所间距
典型轻轨交通系统牵引供电系统的运行电压范围为额定电压（１００％满载电压）的７０％～１２０％。虽然直流７５０　Ｖ也在采用，但最常用的额定电压是直流６００　Ｖ。在圣地亚哥轻轨交通系统中，选用直流６５０　Ｖ作为车辆运行电压。与６００　Ｖ相比较，为１６ｍｉｌｅ系统选用６５０　Ｖ的结果是牵引变电所减少１所为１３所。
牵引变电所的间距主要决定于电压降，也与负电压上升值以及低水平故障（例如远端短路）有关。牵引变电所之间的间距越大，则负电压上升值越大，必须适当地加以限制。此外，任何低水平故障能被探测并被清除。
为了减小线路电阻以降低电压降，双轨的触线及悬吊线，通常是交叉连接的。从而，两条轨道的架空线由双馈区段各端的直流馈线断路器来保护。如此的特点可使变电所的数目减少，也可使一个变电所内的直流馈线断路器数目减少一半。但是，如果线路单向因故障断开时，双向都要受到影响。
采用具有再生制动的斩波控制推进系统也能获得电压降的减小。此外，采用他激式电动机以推进车辆，也会减小电压降。与串激式电动机相反，在高于基准速度的情况下运转时，他激式电动机具有保持高牵引力的固有特性。因此，车辆的初始或峰值加速度能够减小而不影响平均加速度。
3美国波特兰市轻轨延长线的直流馈线分支系统（架空线网系统）
该市轻轨延长线采用下列４种结构的直流馈电分支系统：
（１）重量调整张力的简单悬吊形式，其高度为４　ｆｔ（约１．２ｍ）；
（２）具有固定终端的简单悬吊形式，用于隧道内；
（３）重量调整张力的单接触线形式，用于波特兰市及希尔斯伯勒闹市范围铺轨地区，加设有地下馈电电缆，以增加电流容量；
（４）具有固定终端的单接触线形式，用于爱尔蒙尼卡存车场。
直流馈电分支系统包括４种线体：３００　Ｋｃｍｉｌ硬拉槽形铜接触线；２５０　Ｋｃｍｉｌ硬拉绞合铜吊线；并联用２　ｋＶ地下电缆——在波特兰闹市区采用７５０　Ｋｃｍｉｌ者，在希尔斯伯勒闹市区采用５００　Ｋｃｍｉｌ者。
在车站交通线区域一般采用悬臂组件装在中央支柱上的方式。在某些场合采用悬臂组件装在侧旁支柱上的方式。闹市铺轨区域采用锥状管形支柱，其外表美观且其上装有街道照明用灯具。
架空线网上装有分段绝缘器，以便故障隔离及维护。
在爱尔蒙尼卡工场建筑物内，在每个车辆工段，线网由墙装隔离开关来分段。
其他情况大致与圣地亚哥市相同，不再赘述。
波特兰市轻轨延长线直流馈电分支系统的接触线、吊线及地下电缆的分布情况如下：
车站交通线区域：２５０　Ｋｃｍｉｌ吊线与３００　Ｋｃｍｉｌ接触线并联；
铺轨地区：７５０　Ｋｃｍｉｌ地下馈线与３００　Ｋｃｍｉｌ接触线并联（波特兰市闹区）；５００　Ｋｃｍｉｌ地下馈线与３００　Ｋｃｍｉｌ接触线并联（希尔斯伯勒闹市区）；
电阻值（６０　℃）：
吊线　０．２６５ Ω／ｍｉｌｅ；
接触线（新的）０．２１３ Ω／ｍｉｌｅ；
接触线（磨损２０％的）０．２６７ Ω／ｍｉｌｅ；
地下馈线（７５０　Ｋｃｍｉｌ）０．０８５ Ω／ｍｉｌｅ；
吊线与磨损的接触线并联时　０．１３３ Ω／ｍｉｌｅ；
７５０　Ｋｃｍｉｌ地下馈线与磨损的接触线并联时　０．０６４ Ω／ｍｉｌｅ。
参考文献
１　Ｒａｌｐｈ　Ｓ．Ｔｈｏｍａｓ，ｅｔａｌ．　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｆｏｒ　Ｔｒｉ?Ｍｅｔ　Ｐｏｒｔｌａｎｄ　Ｗｅｓｔｓｉｄｅ　＆　Ｈｉｌｌｓｂｏｒｄ　ＬＲ　Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ　Ｊ　Ｒ　Ｃ，１９９９（７）
２　ＰＷｏｎｇ．ＬＲＴ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ　Ｊ　Ｒ　Ｃ，１９８３