城市軌道交通接觸軌受流方案分析探討

王磊

摘要：城市軌道交通在近幾年的發(fā)展中迎來(lái)了良好契機(jī)，而城市軌道交通供電方式的好壞決定了城市軌道交通運(yùn)行效率的高低。文章從接觸軌電壓等級(jí)和接觸軌材料等方面闡述了城市軌道交通接觸軌的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)比分析了接觸軌供電的上部、下部、側(cè)面三種受流方式的特點(diǎn)，基于應(yīng)用對(duì)比研究表明：在受流性能和安全性方面，下部受流方式更優(yōu)異于上部受流方式。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;接觸軌;受流方式

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市軌道交通系統(tǒng)主要由地鐵、有軌電車(chē)和輕軌三大類(lèi)構(gòu)成。根據(jù)韓寶明等人對(duì)世界城市軌道交通運(yùn)營(yíng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：截至2018年底，全球已開(kāi)通了城市軌道交通系統(tǒng)的有72個(gè)國(guó)家和地區(qū)的493座城市，總運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)了26100km，車(chē)站總量超過(guò)了26900座，其中地鐵、有軌電車(chē)和輕軌分別占54%、41%和5%。中國(guó)城市軌道交通線路共187條，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)5766.7km，運(yùn)送客流超過(guò)184.4億人次，中國(guó)線網(wǎng)規(guī)模和客流規(guī)模居全球第一，其中地鐵里程占比最大，高達(dá)87%。目前城市軌道交通的供電方式普遍采用架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種，接觸軌供電方式具有可靠性較高，使用壽命長(zhǎng)，搶修和維護(hù)便捷，維修和土建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，且隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，城市越來(lái)越重視軌道交通的城市景觀效果，新建的軌道交通系統(tǒng)采用接觸軌供電方式日益增多。因此，文章將結(jié)合國(guó)內(nèi)外的運(yùn)營(yíng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)接觸軌受流方案進(jìn)行分析，為城市軌道交通接觸軌受電技術(shù)方案選擇提出建議。

1接觸軌概述

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)大部分使用的都是直流供電制，其牽引供電回路原理如圖1所示：牽引變電所→饋電線→接觸網(wǎng)（軌）→電動(dòng)列車(chē)→回流軌（回流線）→牽引變電所負(fù)極。

接觸軌與架空接觸網(wǎng)的不同之處在于，接觸軌是順著軌道鋪設(shè)的與線路相平行的一條受電軌，通過(guò)列車(chē)轉(zhuǎn)向架伸出的集電靴與接觸軌進(jìn)行接觸來(lái)獲取電能，如圖2所示。接觸軌供電方式最是早應(yīng)用于英國(guó)倫敦地鐵，由于接觸軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、可維修性好、可降低隧道的盾構(gòu)半徑節(jié)省建設(shè)初期的成本運(yùn)算、后期維修量小、不影響城市景觀等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)均廣泛應(yīng)用。

2接觸軌受流方案分析

2.1電壓等級(jí)

現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)中大多采用直流電，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用供電電壓等級(jí)均有標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC 850標(biāo)準(zhǔn)）、國(guó)際鐵路聯(lián)盟（uIc 600標(biāo)準(zhǔn)）以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（EN 1435標(biāo)準(zhǔn)）等標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定未來(lái)的有軌電車(chē)和鐵路饋電的直流牽引系統(tǒng)必須在DC750V、DCl500V，DC3000V中選擇。對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，《GB 10411-2005城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》、《GB 50157-3013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》和《GB 5951-1986城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地鐵直流牽引系統(tǒng)可在標(biāo)稱(chēng)電壓值為750v和1500v中選擇;有軌電車(chē)和無(wú)軌電車(chē)直流供電系統(tǒng)則推薦采用DC750V。

國(guó)外目前應(yīng)用接觸軌電壓一般在DCl 000v以下，國(guó)內(nèi)接觸軌系統(tǒng)一般為DC750V，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了DCl 500V的接觸軌。表1對(duì)比分析了DC750V和DCl 500V的兩種接觸軌電壓等級(jí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

由表1可知：對(duì)于同一條線路，接觸軌采用DCl 500V比DC750V所需的牽引變電所數(shù)量可以減少，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。隨著城市軌道交通發(fā)展的提速、人口向大都市圈的涌人以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，城市軌道交通系統(tǒng)正向著DC3000V的方向發(fā)展，目前歐洲一些的干線電氣化鐵路已有采用DC3000V供電制式，技術(shù)相對(duì)成熟。

2.2接觸軌材料

接觸軌的材料有低碳鋼和鋼鋁復(fù)合材料兩種。接觸軌早期普遍采用低碳鋼材料，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外新建的城市軌道交通系統(tǒng)開(kāi)始采用一種全新的鋼鋁復(fù)合接觸軌來(lái)替代低碳鋼。低碳鋼接觸軌和鋼鋁復(fù)合接觸軌在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上有較大差異。鋼鋁復(fù)合接觸軌具有安裝重量輕、載流量大、導(dǎo)電性能好、供電距離長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)可靠、電能損耗少等優(yōu)點(diǎn)，可減輕運(yùn)行時(shí)對(duì)軌枕的壓力。盡管目前鋼鋁復(fù)合軌比低碳鋼投入成本高，但其機(jī)械和電氣性能優(yōu)勢(shì)明顯，且隨著技術(shù)和工藝的不斷進(jìn)步，成本將會(huì)逐漸降低，未來(lái)將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

鋼鋁復(fù)合接觸軌是通過(guò)某種復(fù)合方式將鋼帶和鋁合金本體結(jié)合在一起的接觸軌，地鐵車(chē)輛通過(guò)集電靴與接觸軌鋼帶接觸完成受電，目前鋼鋁復(fù)合接觸軌有3種典型制備工藝，見(jiàn)表2所列。

2.3接觸軌受流方式

接觸軌受流方式主要有上部受流、下部受流和側(cè)面受流三種方式。

側(cè)面受流方式對(duì)線路限界要求小，受電面不易附著磨屑、塵土、冰雪等雜物。但加裝防護(hù)罩較困難，安全.性稍差。側(cè)面受流方式在國(guó)外通常用于限界條件較差的舊線改造工程，目前國(guó)內(nèi)僅有重慶輕軌采用類(lèi)似側(cè)面受流系統(tǒng)。

按照我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用B1型車(chē)輛的受流方式僅采用上部和下部受流方式，兩者在產(chǎn)品性能、工程投資、安全性以及維護(hù)等方面的比較見(jiàn)表3所列。

從表3中可以看出，接觸軌上部和下部受流方式在使用壽命、經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)工作量等方面基本相當(dāng)，但是在受流性能、安全性和耐候性等方面：下部受流方式更優(yōu)異于上部受流方式。在現(xiàn)在這個(gè)以人為本的社會(huì)中，安全就顯的尤為重要，所以下部受流方式更能體現(xiàn)出城市軌道交通接觸軌系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3結(jié)論

通過(guò)上述分析并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，得出如下建議。

（1）對(duì)于超大運(yùn)量的軌道交通體系宜采用DC3000V電壓等級(jí)，大運(yùn)量軌道交通體系適宜采用DCI 500V電壓等級(jí)，而DC750V電壓等級(jí)適用于中等運(yùn)量體系。

（2）新建城市軌道交通系統(tǒng)的接觸軌材料宜選用鋼鋁復(fù)合接觸軌或性能更加優(yōu)異的新型材料。

（3）與接觸軌其他受流方式相比，考慮到受流質(zhì)量、耐候性和安全性等因素，宜優(yōu)先采用下部受流方式。

城市軌道交通接觸軌采用何種受流方式要從每個(gè)城市自身實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮城市軌道交通功能要求、城市整體規(guī)劃、費(fèi)用預(yù)算、城市定位和技術(shù)成熟性等綜合因素;同時(shí)應(yīng)注意到城市軌道交通線路的相對(duì)獨(dú)立性，根據(jù)城市軌道交通各線路的客流量預(yù)測(cè)值、出行時(shí)間要求、電動(dòng)客車(chē)類(lèi)型和列車(chē)編組數(shù)量以及其他因素等，科學(xué)合理地選擇城市軌道交通各線路的供電電壓等級(jí)、接觸軌材料和受流方式，并且不斷提高運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)技術(shù)水平以滿足不同供電制式要求。