高速公路電氣化發(fā)展設(shè)想

母?jìng)鱾?張利軍 趙 虎

1.中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司

2.哈爾濱市第二建筑工程公司

3.河北省秦皇島市海港區(qū)區(qū)委

1 現(xiàn)狀物流運(yùn)輸對(duì)高速公路電氣化的迫切需要

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高速公路發(fā)展迅猛，國(guó)家高速公路網(wǎng)由7條首都放射線、11條北南縱線、18條東西橫線以及地區(qū)環(huán)線、并行線、聯(lián)絡(luò)線等組成，總計(jì)約11. 8萬(wàn)km；除此之外，交通運(yùn)輸部發(fā)布《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年—2030年）》還提出了遠(yuǎn)期展望線計(jì)劃1. 8萬(wàn)km，主要發(fā)展西部地區(qū)，總規(guī)模約40萬(wàn)km。也就是說(shuō)，到2030年，我國(guó)將基本實(shí)現(xiàn)首都輻射省會(huì)、省際多路連通、地市高速通達(dá)、縣縣國(guó)道覆蓋的目標(biāo)。高速公路物流運(yùn)輸相對(duì)于鐵路、水運(yùn)和空運(yùn)來(lái)說(shuō)有更突出的優(yōu)點(diǎn)——方便快捷靈活，物流成本較低。目前的高速公路運(yùn)輸是通過(guò)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的大型運(yùn)輸汽車(chē)來(lái)完成，大量的物流運(yùn)量帶來(lái)尾氣排放量大、能源消耗高、運(yùn)輸費(fèi)用高等一系列問(wèn)題，給大氣環(huán)境帶來(lái)巨大污染。傳統(tǒng)汽車(chē)尾氣排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境主要污染源之一，公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的呼聲日益高漲。

石油為地球稀缺資源，目前世界石油短缺問(wèn)題已經(jīng)十分嚴(yán)重，而且世界原油儲(chǔ)量也越來(lái)越少，價(jià)格越來(lái)越高，建設(shè)電氣化高速公路是將來(lái)的運(yùn)輸問(wèn)題的必然趨勢(shì)，既減少了汽車(chē)對(duì)石油資源的依賴(lài)，又減輕了大氣污染，是未來(lái)理想的運(yùn)輸方式。從宏觀經(jīng)濟(jì)分析，公路運(yùn)輸是目前石油資源的最大消耗用項(xiàng)，也是二氧化碳最大排放項(xiàng)。

根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前每年公路上在運(yùn)行的大卡車(chē)和大客車(chē)總量約為220萬(wàn)輛，每年要消耗石油約9850萬(wàn)t，按目前平均油價(jià)7600元/t計(jì)算，全國(guó)公路運(yùn)輸中的大卡車(chē)和大客車(chē)每年消耗的石油總成本約為7182億元。目前汽車(chē)技術(shù)水平分析，內(nèi)燃機(jī)實(shí)際每產(chǎn)生1kW功率的平均油耗210g，按每7.6元/kg的油價(jià)計(jì)算，內(nèi)燃機(jī)每產(chǎn)生1kW功率的成本約為1.6元，而每消耗1kW電力的峰谷平均價(jià)約為0.8元，加上內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑和維修成本高，采用電力驅(qū)動(dòng)交流無(wú)軌電車(chē)運(yùn)行費(fèi)用僅是用油汽車(chē)成本的45%。如果全國(guó)20%大卡車(chē)和大客車(chē)采用電力驅(qū)動(dòng)行駛，每年全國(guó)將減少1890萬(wàn)t石油量消耗，全國(guó)每年的運(yùn)輸能源總成本將下降760億元，如果將這節(jié)省的錢(qián)用于建設(shè)公路上的交流滑觸網(wǎng)電車(chē)供電系統(tǒng)，每年可建76000km電車(chē)線路，由此可見(jiàn)，電氣化高速公路建設(shè)是一項(xiàng)具有經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益的利國(guó)利民的好事。

2 高速公路電氣化解決方案

2.1 高速公路電氣化供電牽引網(wǎng)

對(duì)高速公路進(jìn)行電氣化改造，在高速公路加裝供電牽引網(wǎng)，移植城市無(wú)軌電車(chē)供電方式，沿高速公路架設(shè)輸電線路。在高速公路路肩和中央分隔帶間隔一定距離架設(shè)供電架線桿，在桿上固定絕緣懸吊線，在行車(chē)道上方懸吊架設(shè)動(dòng)力輸電線，與系統(tǒng)牽引網(wǎng)作變送聯(lián)網(wǎng)。在車(chē)上有一帶電刷的活動(dòng)的支架，汽車(chē)的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)由牽引網(wǎng)供電驅(qū)動(dòng)，從高速公路出入口到高速公路的連接線上架設(shè)有交流或直流輸電線，這些輸電線與高速公路的輸電線相連。

電氣化高速公路牽引網(wǎng)主要包括供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)兩部分，其中供電系統(tǒng)包括回流導(dǎo)線以及牽引變電所至接觸網(wǎng)的饋電線。接觸網(wǎng)部分包括接觸網(wǎng)懸掛裝置、支撐裝置、定位裝置，在兩對(duì)應(yīng)的架線桿上端設(shè)橫跨，在橫跨下面配上下定位索，在每車(chē)道上方沿道路方向架設(shè)一根承拉線，承拉線懸掛在橫跨上，在每根承拉線下面通過(guò)懸吊一根接觸線，接觸線通過(guò)定位索固定在相應(yīng)的車(chē)道上；在每錨段兩段的線索下設(shè)補(bǔ)償裝置。兩接觸線間設(shè)隔離線，牽引網(wǎng)穩(wěn)定、安全，能動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的變道。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)集電裝置

電動(dòng)汽車(chē)在電氣化高速公路上行駛，通過(guò)可伸縮的集電弓從高架接觸網(wǎng)上獲取電力。電動(dòng)汽車(chē)集電弓可分為單臂弓和雙臂弓，均由集電滑板、框架、臂桿、底架、彈簧、氣缸、支撐絕緣子等組成。

集電弓是靠集電滑板在上部接觸線上摩擦接觸而受電，由于接觸線和集電滑板之間有振動(dòng)等因素造成導(dǎo)致接觸不平順，在高速摩擦接觸中會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，電弧放電會(huì)危害車(chē)上電氣設(shè)備、集電滑板和接觸線。在電氣化高速公路實(shí)施過(guò)程中，要改進(jìn)集電滑板材料，增加其耐磨耗能力；實(shí)現(xiàn)軟接觸，減少滑板和接觸線間的接觸壓力，可以減少兩者之間的磨耗，延長(zhǎng)集電滑板和接觸線的壽命。碳素復(fù)合材料將是改進(jìn)集電滑板材料的一個(gè)發(fā)展方向，新型碳素材料做成的滑板在潤(rùn)滑性能、導(dǎo)電性能、抗摩擦損性能和實(shí)現(xiàn)軟接觸方面更具優(yōu)勢(shì)，可以降低離線率，減少電弧放電現(xiàn)象，有效改善集電弓的集電性能。

在借鑒電氣化鐵路電力機(jī)車(chē)配電線集電弓架和城市無(wú)軌電車(chē)配電線集電弓架的配置方式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在前后單相雙線正負(fù)受流塊之間隔設(shè)絕緣連接塊，在前后正負(fù)受流塊底部與集電弓起落架的托架之間設(shè)置絕緣墊，在前、后正負(fù)受流塊之間連接電纜線引伸入雙動(dòng)力汽車(chē)內(nèi)作為汽車(chē)電動(dòng)力電源線，適應(yīng)汽車(chē)在高速公路上車(chē)速、路況、變道超車(chē)的行駛需要，保證車(chē)輛運(yùn)行正常、可靠和安全。

2.3 對(duì)汽車(chē)動(dòng)力裝置的革新

現(xiàn)在靠車(chē)載電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力裝置存在問(wèn)題很多：充電時(shí)間長(zhǎng)、車(chē)載電池壽命短、控制線路性能差、車(chē)輛制造成本高等技術(shù)難題，因此發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)要多措并舉，路與車(chē)統(tǒng)籌考慮。汽車(chē)與公路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，以電力驅(qū)動(dòng)為主，電池輔助驅(qū)動(dòng)，發(fā)展“電氣化高速公路”和電動(dòng)汽車(chē)兩大產(chǎn)業(yè)，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。用電力作為電動(dòng)汽車(chē)的直接能源，可大大降低車(chē)輛的制造成本與客、貨運(yùn)輸成本，這是由電機(jī)的效率和油電價(jià)格之比決定的。電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)也是間接的電力驅(qū)動(dòng)，電力直接驅(qū)動(dòng)省去了中間的電能轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，較電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的性能更穩(wěn)定，并且能實(shí)現(xiàn)大噸位運(yùn)輸車(chē)輛的制造，便于對(duì)電能提供的綜合治理。電氣化公路是新能源與電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)單、直接、有效的對(duì)接平臺(tái)。

行駛在高速公路上的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成混合動(dòng)力裝置，由電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)的供電電源來(lái)自沿路架設(shè)的牽引網(wǎng)和車(chē)載蓄電池。電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)可以分別獨(dú)立地向汽車(chē)傳動(dòng)系提供扭矩，既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)加速或爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，當(dāng)汽車(chē)車(chē)速達(dá)到巡航速度，汽車(chē)將僅僅依靠電動(dòng)機(jī)維持該速度。

采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功率來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的最大功率，此時(shí)處于純電力驅(qū)動(dòng)、尾氣零排放的工況下工作。當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)或爬坡而功率不足時(shí)，由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充電。汽車(chē)配備車(chē)載蓄電池，可以十分方便地回收制動(dòng)、下坡、怠速的能量。當(dāng)汽車(chē)變道或其他情況下不能由牽引網(wǎng)供電時(shí)，由車(chē)載蓄電池驅(qū)動(dòng)，可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過(guò)充、過(guò)放，延長(zhǎng)其使用壽命，降低成本。

3 發(fā)展展望

隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)可以利用公路路面板作為太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)能發(fā)電，沿路面橫向鋪設(shè)集電線路，在中央分隔帶鋪設(shè)縱向集電線路和整流、調(diào)壓裝置，直接輸送至沿路牽引網(wǎng)向沿路行駛的汽車(chē)供電。

截止到2013年中，我國(guó)全國(guó)高速公路總長(zhǎng)度超過(guò)十萬(wàn)公里，成為擁有高速公路最多的國(guó)家，按照平均路面寬度10m計(jì)算，高速公路路面總面積超過(guò)十億m2，高速公路路面上部沒(méi)有遮擋，陽(yáng)光照射面積率大，如果把路面兼用作太陽(yáng)能板，可以收集巨大的太陽(yáng)能資源，實(shí)現(xiàn)清潔能源的高效利用。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展電氣化高速公路最有利于降低能源消耗和保護(hù)大氣質(zhì)量，是公認(rèn)的綠色交通方式，是針對(duì)世界性的原油危機(jī)和開(kāi)發(fā)利用新能源、提倡節(jié)能環(huán)保的潮流需要，提出的一種取長(zhǎng)補(bǔ)短，既能發(fā)揮公路運(yùn)輸中所體現(xiàn)出的快捷、方便、靈活、隨意等諸多優(yōu)點(diǎn)、又能開(kāi)辟利用廉價(jià)廣泛的電能來(lái)替代燃油的一種構(gòu)想。發(fā)展電氣化高速公路可以綜合實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益，降低能耗，降低物流成本，減少尾氣排放，降低環(huán)境污染，節(jié)約社會(huì)資源，有利于建設(shè)和諧交通體系，維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。