接觸網(wǎng)和第三軌

世界各國(guó)都市軌道交通的供電電壓大都在DC600～1500V之間。IEC(國(guó)際電工委員會(huì))擬訂的電壓原則為：600V、750V和1500V三種。我國(guó)原則規(guī)定為DC750V和DC1500V兩種?，F(xiàn)在我國(guó)許多大都市都在考慮建設(shè)快速軌道交通，首先面臨的就是采用哪一種供電制式。這涉及到供電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、都市交通線網(wǎng)的規(guī)劃站距、供電半徑、供電質(zhì)量、運(yùn)輸規(guī)模、旅行速度和車輛形式等。必須根據(jù)各都市的具體條件和規(guī)定，綜合分析論證。下列分別從不同的運(yùn)行規(guī)定、特點(diǎn)、規(guī)模和條件來(lái)做一分析比較。1都市軌道交通供電接觸網(wǎng)的類型牽引供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網(wǎng)和回流線等構(gòu)成的供電網(wǎng)絡(luò)。接觸網(wǎng)分為架空式接觸網(wǎng)和第三軌(接觸軌，下列簡(jiǎn)稱三軌)式接觸網(wǎng)。三軌式接觸網(wǎng)僅用于地鐵與封閉的都市鐵路和輕軌，架空式接觸網(wǎng)除此還可用于鐵路干線、都市地面和工礦電機(jī)車電力牽引線路。為了確保對(duì)電動(dòng)車組良好的供電，接觸網(wǎng)應(yīng)順直平滑，高度一致，在高速行車中能始終保持正常穩(wěn)定的接觸授流；接觸網(wǎng)應(yīng)含有足夠的耐磨性與良好的導(dǎo)電性，壽命盡量長(zhǎng)，并力求構(gòu)造簡(jiǎn)樸，易于施工、維修。1.1架空式接觸網(wǎng)架空式接觸網(wǎng)的懸掛類型大致為三種：簡(jiǎn)樸懸掛，鏈形懸掛，剛體懸掛。不同的類型其電線粗細(xì)、條數(shù)、張力都是不同的。架空線的懸掛方式，要根據(jù)架線區(qū)的列車速度、電流容量等輸送條件以及架設(shè)環(huán)境進(jìn)行綜合勘察來(lái)決定要采用什么方式。1.1.1簡(jiǎn)樸懸掛簡(jiǎn)樸懸掛方式構(gòu)造簡(jiǎn)樸，支柱高度低，支持裝置承受的負(fù)荷較輕，但是弛度大、彈性不均勻。為改善這一狀況，普通在懸掛點(diǎn)處增加一種倒Y形的彈性吊索，稱為彈性簡(jiǎn)樸懸掛(見(jiàn)圖1)，對(duì)應(yīng)改善了懸掛點(diǎn)處的彈性和運(yùn)行狀況。由于彈性簡(jiǎn)樸懸掛建造費(fèi)用低，施工方便維修簡(jiǎn)樸，都市電車或輕軌往往采用這種懸掛方式。地鐵為了減少隧道凈空，采用以彈性支座或弓形腕臂作支持部件的簡(jiǎn)樸彈性懸掛。1.1.2鏈形懸掛接觸線通過(guò)吊弦懸掛到承力索上的懸掛稱為鏈形懸掛。鏈形懸掛承力索懸掛于支柱的支持裝置上接觸線通過(guò)吊弦懸掛在承力索上，使接觸線增加了懸掛點(diǎn)，調(diào)節(jié)吊弦能夠使整個(gè)跨距內(nèi)接觸線對(duì)軌面保持一致高度。由于接觸線是懸掛在承力索上的，因而基本上消除了懸掛點(diǎn)處的硬點(diǎn)，使懸掛線的彈性在整個(gè)跨度內(nèi)都比較均勻。顯然，鏈形懸掛比簡(jiǎn)樸懸掛性能好得多，但構(gòu)造復(fù)雜、投資大、施工維修調(diào)節(jié)較為困難。鏈形懸掛的類型諸多，能夠按懸掛鏈數(shù)分為單鏈形懸掛、雙鏈形懸掛和多鏈形懸掛。按線索相對(duì)于線路中心的位置，又能夠分為直鏈形接觸懸掛、半斜鏈形接觸懸掛、斜鏈形接觸懸掛。對(duì)都市軌道交通，因其運(yùn)行速度不太高，列車功率也不太大，普通多采用簡(jiǎn)樸鏈形懸掛，應(yīng)用速度可達(dá)100km/h以上。1.1.3剛性懸掛剛性懸掛又稱剛性接觸網(wǎng)，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)柔性接觸網(wǎng)的供電方式。由于地鐵隧道供電導(dǎo)線上方空間有限，鏈形懸掛普通采用冷拉電解銅接觸線。1962年日本東京營(yíng)團(tuán)地鐵日比谷線開(kāi)通時(shí)，考慮可能發(fā)生斷線事故而要有保護(hù)方法、洞內(nèi)維修作業(yè)較復(fù)雜等問(wèn)題，以及隧道斷面比三軌供電要大幅擴(kuò)大的狀況，開(kāi)發(fā)了地鐵用的新的剛性懸掛方式?，F(xiàn)在通過(guò)10多個(gè)國(guó)家、30多條地鐵的運(yùn)行，通過(guò)不停改善設(shè)計(jì)，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)已日臻完善，非?？煽?。如營(yíng)團(tuán)地鐵南北線使用的剛體懸掛(見(jiàn)圖3)：采用鋁合金T型匯流排和鋁夾耳來(lái)夾持銅導(dǎo)線，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)樸，施工容易；T型匯流排截流截面大，減少電阻40%以上，不必輔助饋電線，使得其構(gòu)造簡(jiǎn)樸緊湊，節(jié)省隧道凈空，節(jié)省投資；導(dǎo)電銅線不受張力，應(yīng)用可靠，耐磨性好；接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件少，大大減少了維護(hù)成本。1.2三軌接觸網(wǎng)三軌接觸網(wǎng)是沿軌道線路敷設(shè)的附加接觸軌，從電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過(guò)滑靴與第三軌接觸而獲得電能。三軌接觸網(wǎng)的電壓據(jù)IEC原則為DC600V和DC750V，但也有國(guó)家采用較高電壓，如西班牙巴塞羅那地鐵就采用了DC1500V和1200V。接觸軌能夠有三種方式，即上接觸式、下接觸式和側(cè)接觸式。圖3剛性懸掛1.2.1上接觸式三軌安裝在絕緣子組件上(見(jiàn)圖4)，由接觸軌、絕緣子、三軌夾板、防護(hù)支架、防護(hù)板、端部三軌彎頭、防爬器等構(gòu)件構(gòu)成。受流器滑靴從上壓向接觸軌軌頭頂面受流。受流器的接觸力是由下作用彈簧的壓力調(diào)節(jié)的，受流平穩(wěn)，由于端部彎頭的過(guò)渡作用，能夠減少在斷電區(qū)的電流沖擊。上接觸式三軌施工作業(yè)簡(jiǎn)便，能夠在軌頭上部通過(guò)支架安裝不同類型的防護(hù)板。北京地鐵、紐約地鐵都是采用上接觸式第三軌。1.2.2下接觸式下接觸式三軌軌頭朝下，通過(guò)絕緣肩架、橡膠墊、扣板收緊螺栓、支架等安裝在底座上。下接觸式的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)罩從上部通過(guò)橡膠墊直接固定在接觸軌周邊，對(duì)人員安全性好。莫斯科地鐵就采用這種方式，利于避免下雪和冰凍造成集電困難。但是這種方式安裝構(gòu)造較復(fù)雜，費(fèi)用較高。1.2.3側(cè)面接觸式側(cè)面接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌，集電靴從側(cè)面受流。跨座式獨(dú)軌車輛就采用側(cè)面接觸形式。其受流器裝在轉(zhuǎn)向架下部，接觸軌裝在軌道梁上。圖4三軌裝配圖1.2.4三軌材料的進(jìn)步三軌用導(dǎo)電率較高的鐵軌制成(普通國(guó)內(nèi)使用的材料為05Al)。近幾年來(lái)隨著復(fù)合材料的發(fā)展，由不銹鋼與鋁合金通過(guò)機(jī)械辦法或冶金結(jié)合辦法加工而成的鋼鋁復(fù)合接觸軌(見(jiàn)圖5)已取代低碳鋼接觸軌，被世界上60多個(gè)都市采用。鋼鋁復(fù)合軌與低碳鋼接觸軌相比含有下列優(yōu)勢(shì)：圖5鋼鋁復(fù)合軌斷面①電導(dǎo)率高，電壓降及牽引能耗成比例下降，因此可加大供電距離約1.4倍，適宜減少牽引變電站的數(shù)目。即使現(xiàn)在鋼鋁導(dǎo)電軌還只能進(jìn)口，成本比鐵軌要貴3倍，但是節(jié)省下來(lái)的牽引變電站投資與接觸軌增加的費(fèi)用基本相抵，并且由于線路損耗減少，按20km長(zhǎng)的線路計(jì)，僅靠節(jié)電一項(xiàng)，5年可收回多投的資金。②不銹鋼接觸面光滑，耐腐蝕，耐磨耗，可延長(zhǎng)接觸軌與受流器的壽命。③重量輕，便于施工安裝。正由于鋼鋁復(fù)合軌有以上優(yōu)勢(shì)，新上項(xiàng)目采用鋼鋁復(fù)合軌已成為趨勢(shì)。我國(guó)不少都市的軌道交通項(xiàng)目正準(zhǔn)備使用鋼鋁復(fù)合軌方式。2不同接觸方式的特點(diǎn)比較2.1安全性無(wú)論架空式接觸網(wǎng)還是三軌接觸網(wǎng)，其安全性都是無(wú)容置疑的。從發(fā)生觸電事故的狀況看，兩種方式都有且重要發(fā)生在車輛運(yùn)用維修與電網(wǎng)維護(hù)人員。從地面交通的角度來(lái)看，在市區(qū)平交運(yùn)行的有軌電車或輕軌車宜采用架空接觸網(wǎng)；牽引網(wǎng)壓等級(jí)較高時(shí)，為了安全和確保一定的絕緣距離，也宜采用架空網(wǎng)。而封閉運(yùn)行的都市鐵路或輕軌采用架空線或第三軌都完全能確保安全；在發(fā)生事故疏散乘客時(shí)架空式接觸網(wǎng)將給人們更多的安全感。2.2經(jīng)濟(jì)性從技術(shù)發(fā)展歷史來(lái)看，由于電工材料和輸變電技術(shù)的進(jìn)步，直流牽引輸電電壓呈增高趨勢(shì)。1863年開(kāi)通的倫敦地鐵和19開(kāi)通的紐約地鐵分別采用了DC630V和DC625V直流供電，三軌授流方式；1935年開(kāi)通的莫斯科地鐵采用的是DC825V(相稱DC750V)，第三軌授電。1955年開(kāi)通的羅馬地鐵首先采用了1500V直流架空線輸電。1960年后來(lái)，日本的地鐵與電氣鐵路一致，基本上都采用了DC1500V架空接觸網(wǎng)的制式。從建設(shè)費(fèi)用來(lái)看，1500V直流架空網(wǎng)輸電比750V三軌授流經(jīng)濟(jì)。提高輸電電壓，能夠?qū)?yīng)地減少電能損耗，減少變電站的數(shù)量，減少電力設(shè)備費(fèi)用。電壓提高一倍，同樣功率的電能輸送距離能夠提高近一倍。750V供電系統(tǒng)變電站間距較短，普通為1.5～2km，而1500V供電系統(tǒng)變電站間距可達(dá)3.5～4km。因此同一條線路采用1500V輸電，如果電站配備得當(dāng)，比750V能夠少建近二分之一變電站，供電設(shè)施大概只相稱750V三軌授流的70%左右。并且采用1500V制式后，同功率電動(dòng)車輛由于電流的減少，電器設(shè)備也能夠?qū)?yīng)地減小體積與重量。電站直流開(kāi)關(guān)等設(shè)備也如此。但是對(duì)于地鐵，橫斷面相似的車輛，采用架空線的其隧道半徑(或矩形隧道高度)要比采用三軌授電的大，施工土方量增加，土建費(fèi)用增加約14%。從維修的角度來(lái)看，架空式接觸網(wǎng)要定時(shí)進(jìn)行檢查維護(hù)，洞內(nèi)維修作業(yè)需要專用的接觸網(wǎng)檢查車，維修周期短、費(fèi)用高、備品備件需要量大。而接觸軌維護(hù)簡(jiǎn)樸。從北京地鐵運(yùn)行30年的實(shí)踐來(lái)看，由于三軌與受電靴接觸面大，第三軌的磨耗極小。據(jù)粗略地調(diào)查，運(yùn)行30年，第三軌的上端面磨耗只有約4～5mm，基本上能夠做到無(wú)維修或少維修化，因而也就對(duì)應(yīng)減少了維修費(fèi)用。另外，受流器構(gòu)造簡(jiǎn)樸，維修方便。受流器滑靴各國(guó)基本上都采用黑色金屬，成本低。由于歷史因素，北京地鐵受流器滑靴是采用銅基材料，現(xiàn)正在實(shí)驗(yàn)鐵質(zhì)滑靴，推廣后會(huì)進(jìn)一步減少耗材成本。從輸電效率講，由于線路損耗是與電流平方成正比的，盡管能夠設(shè)輔助饋電線來(lái)減少線路阻抗，但DC1500V輸電顯然比DC750V損耗小、效率高。1500V電壓變化率較小，電能質(zhì)量較好，且由于雜散電流要小二分之一，有助于減少對(duì)地下金屬建筑物的腐蝕。2.3都市環(huán)境的適應(yīng)性架空式接觸網(wǎng)需要架設(shè)支柱，支持懸掛接觸網(wǎng)要安裝腕臂或橫跨，橫跨由金屬桁架或橫向承力索、上下定位繩構(gòu)成。在都市中間密布支架和電線網(wǎng)，影響市容，有礙觀瞻。固然通過(guò)巧妙的規(guī)劃設(shè)計(jì)能夠減少不利影響。而三軌授電，接觸軌位置低，沒(méi)有明顯的高大部件(如立柱、橫向承力索、金屬桁架等)，都市景觀好，對(duì)電磁污染較易采用防護(hù)方法。這也是國(guó)內(nèi)外某些都市軌道交通采用三軌受電方式的因素之一。從兩大類接觸網(wǎng)的應(yīng)用比例來(lái)看，現(xiàn)在地鐵采用三軌授電的都市仍比采用架空接觸網(wǎng)的多。但是隨著都市規(guī)模的擴(kuò)大及技術(shù)的發(fā)展，采用1500V架空接觸網(wǎng)的呈上升趨勢(shì)，且已有DC3000V系統(tǒng)出現(xiàn)。2.4傳輸功率與速度水平較高的電壓在同等條件下能夠傳輸較大的功率。DC1500V比DC750V顯然能夠適應(yīng)更大功率的電動(dòng)車輛，也能達(dá)成更高的速度水平，在粘著允許的狀況下加速度也能對(duì)應(yīng)提高。對(duì)于單向最大斷面客流量在每小時(shí)5萬(wàn)人次及下列，宜采用DC750V接觸軌；每小時(shí)5萬(wàn)人次以上，則宜采用DC1500V架空接觸網(wǎng)。在適應(yīng)速度上，架空接觸網(wǎng)簡(jiǎn)樸鏈形懸掛可實(shí)現(xiàn)200km/h的高速運(yùn)行，彈性簡(jiǎn)樸懸掛適應(yīng)速度達(dá)120km/h；剛性懸掛已實(shí)現(xiàn)了160km/h的實(shí)驗(yàn)速度。750V三軌授電普通只用于速度在100km/h下列的線路。只有美國(guó)舊金山的BART(海灣區(qū)快軌)最高速度達(dá)128km/h，供電電壓為DC1000V。3選擇接觸網(wǎng)形式時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)系都市軌道交通選擇哪一種供電制式的問(wèn)題，其核心是必須與都市的現(xiàn)有現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，統(tǒng)籌兼顧，堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上先進(jìn)，適應(yīng)本都市歷史現(xiàn)狀特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)劃前景。3.1適應(yīng)都市歷史現(xiàn)狀與發(fā)展前景的關(guān)系每個(gè)都市都有自己的歷史特性。在都市發(fā)展的同時(shí)，如何保持文化遺產(chǎn)和歷史風(fēng)貌，已日益受到人們的重視。因此，象北京這樣的古都，都市圈內(nèi)應(yīng)盡量修建地鐵。都市鐵路采用三軌，首先為避免軌道上空紛紜的線網(wǎng)，與保持整個(gè)都市的歷史風(fēng)貌相協(xié)調(diào)，另首先可與原地鐵系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。一種都市在建設(shè)地鐵或輕軌時(shí)采用何種接觸網(wǎng)制式，往往受到已建線路形式的影響。如歐洲、北美地鐵發(fā)展較早的都市倫敦、巴黎、紐約等都采用了三軌授電系統(tǒng)，其后基本沿用了該方式。北京地鐵也是如此。而上海、廣州地鐵都采用了架空接觸網(wǎng)，后續(xù)線路也就延續(xù)了DC1500V架空接觸網(wǎng)的形式。這不僅在系統(tǒng)的一致性、擴(kuò)展性、運(yùn)行維護(hù)方面有實(shí)際意義，也易于備品備件的替代。固然，隨著都市規(guī)模的擴(kuò)大，因線路不同而采用兩種接觸網(wǎng)制式的狀況也不少。如天津地鐵即使采用三軌授流的DC750V制式，但建設(shè)濱?？焖佘壍澜煌〞r(shí)，因站距大(最長(zhǎng)達(dá)6km)、線路長(zhǎng)、車速較高，就采用了DC1500V架空接觸網(wǎng)制式。從北京市的軌道交通發(fā)展來(lái)看，盡管現(xiàn)在規(guī)劃中的線路都延續(xù)了三軌形式，但中期規(guī)劃有些線路是穿越市區(qū)到都市邊沿區(qū)的，線長(zhǎng)站大，旅行速度應(yīng)提高到45km/h左右，且地面線與高架橋?yàn)槎啵捎肈C1500V架空接觸網(wǎng)形式更為適宜。3.2成熟技術(shù)與前瞻性技術(shù)的關(guān)系地鐵建設(shè)一定要選擇成熟可靠的技術(shù)，但是也要有一定的前瞻性，盡量采用先進(jìn)技術(shù)。柔性懸掛接觸網(wǎng)與三軌式接觸網(wǎng)用于都市地鐵和城軌交通已有數(shù)年的歷史，在我國(guó)也屬于成熟技術(shù)，均能滿足行車規(guī)定。新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)使兩大類型接觸網(wǎng)都有了新的進(jìn)步。剛性懸掛應(yīng)用于地鐵隧道，不僅減小隧道凈空，并且其匯流排載流面積大，接觸線耐磨性好，壽命長(zhǎng)；因無(wú)張力架設(shè)，不會(huì)發(fā)生斷線事故，可靠性優(yōu)于柔性懸掛，減少了維修工作量。鋼鋁復(fù)合軌用作接觸軌，改善了三軌授流形式的技術(shù)性能，擴(kuò)大了三軌授流方式的應(yīng)用范疇與前景。3.3減少工程投資與久遠(yuǎn)運(yùn)行效益的關(guān)系據(jù)某些資料分析，采用DC750V三軌授電比采用DC1500V架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)總投資要高18%。然而，架空接觸網(wǎng)特別是柔性懸掛，在系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)方面，檢修周期短、維修費(fèi)用高。對(duì)都市軌道交通而言，運(yùn)輸密度大，間隔小，在夜間停運(yùn)很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行定時(shí)檢修是比較難的。維修工作的不均衡造成勞動(dòng)力組織的困難與浪費(fèi)。因此，對(duì)地鐵或城軌公司，基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)維修化含有非常重要的意義。從這一點(diǎn)出發(fā)，鋼鋁復(fù)合軌與剛性懸掛技術(shù)對(duì)地鐵含有良好發(fā)展?jié)撡|(zhì)。即使一次投資費(fèi)用稍高，但維護(hù)材料與人工費(fèi)節(jié)省的久遠(yuǎn)效益是顯而易見(jiàn)的。3.4引進(jìn)技術(shù)與國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)在，廣州地鐵1號(hào)線架設(shè)了我國(guó)第一條剛性接觸網(wǎng)實(shí)驗(yàn)示范段，采用Π型鋁合金匯流排夾持導(dǎo)線，并基本實(shí)現(xiàn)了核心零部件的國(guó)產(chǎn)化，并準(zhǔn)備推廣使用到建設(shè)中的廣州地鐵2、