城市軌道交通接觸軌受流方式應(yīng)用分析

張 迪，王 磊

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，1、學(xué)生，2、副教授。江蘇 南京 210031）

地鐵作為城市軌道交通主要構(gòu)成之一，在城市交通運(yùn)營中占有主導(dǎo)位置，地鐵供電方式對地鐵的正常運(yùn)行和管理起著至關(guān)重要的作用。目前地鐵普遍使用的供電方式主要有接觸網(wǎng)和接觸軌兩種［1-3］，由于近年來接觸網(wǎng)供電方式已經(jīng)滿足不了一些城市地鐵發(fā)展需求，因此，研究改進(jìn)城市軌道交通接觸軌供電方式很有必要。本文研究接觸軌供電方式的上部、下部和側(cè)面三種受流方式，綜合分析后提出未來地鐵選用受流方式的意見和建議。

1 前言

地鐵牽引供電系統(tǒng)大部分都是使用直流供電制，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→回流軌（回流線）→牽引變電所負(fù)極。

目前城市軌道交通地鐵的供電方式有著三種，分別是柔性架空接觸網(wǎng)、剛性架空接觸網(wǎng)和接觸軌。接觸軌是順著軌道鋪設(shè)的與線路相平行的一條受電軌，也被稱為第三軌，如圖2所示。接觸軌與架空接觸網(wǎng)類似，同樣可將電能輸送給列車，不同之處在于接觸軌將自身鋪設(shè)在軌道旁側(cè)，然后機(jī)車車輛再由車上自帶的集電靴與接觸軌進(jìn)行接觸來獲取電能。接觸軌具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維修性好、可降低隧道盾構(gòu)半徑節(jié)省建設(shè)初期成本、后期維修量小、不影響城市景觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 地鐵供電方式示意圖

圖2 接觸軌（也稱第三軌）布置圖

2 接觸軌系統(tǒng)概述

2.1 電壓等級(jí)接觸軌的電壓等級(jí)有很多種；IEC（國際電工委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直流牽引供電電壓等級(jí)為DC600 V、DC750 V、DC1500V［4］。

國外的接觸軌電壓一般在1 000 V以下；國內(nèi)接觸軌系統(tǒng)一般為直流750 V，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了直流1 500 V 的接觸軌。北京地鐵、武漢地鐵、天津地鐵等都采用DC750 V 供電，而廣州地鐵4 號(hào)線、無錫地鐵采用DC1 500 V供電。

在相同條件下接觸軌DC1 500 V 供電比DC750 V 供電牽引變電所數(shù)量少，從而降低了供電系統(tǒng)的成本。但是隨著供電電壓的升高，同時(shí)也將回流軌的對地電位升高，因此對絕緣材料的要求更為苛刻。

2.2 接觸軌材料接觸軌材料有低碳鋼和鋼鋁復(fù)合材料兩種。早期是用低碳鋼作為接觸軌材料，低碳鋼在應(yīng)用中損耗極小、制作簡單、價(jià)格相對較低，但是由于重量大、電阻高、經(jīng)濟(jì)性不好而逐漸淘汰，取而代之的是鋼鋁復(fù)合型材料。當(dāng)前世界軌道交通系統(tǒng)中低碳鋼接觸軌型號(hào)眾多，JU-52 型低碳鋼接觸軌在北京地鐵的線路中應(yīng)用多年。低碳鋼接觸軌與鋼鋁復(fù)合接觸軌的技術(shù)性能［5］比較如表2所示：

表2 低碳鋼與鋼鋁復(fù)合接觸軌的技術(shù)性能比較

從表2的性能對比結(jié)果可知：

1）鋼鋁復(fù)合接觸軌電阻小。4 000 A 的接觸軌在20℃的環(huán)境下電阻僅為6.7μΩ，而低碳鋼接觸軌的電阻高達(dá)21μΩ。

2）鋼鋁復(fù)合接觸軌導(dǎo)電率高。雖然鋼鋁復(fù)合軌比低碳鋼要貴，但由于鋼鋁復(fù)合軌節(jié)電比較多且磨損比較少，預(yù)計(jì)5年可收回初期增加的投資。

3）鋼鋁復(fù)合接觸軌重量輕安裝便利。例如1 m長鋼鋁、低碳接觸軌重量分別為14～17 kg 和47.49kg。接觸軌重量較輕有利于減輕對絕緣支架的重力和運(yùn)行時(shí)對軌枕的壓力。

4）鋼鋁復(fù)合接觸軌是用螺栓進(jìn)行中間聯(lián)結(jié)并通過專用工藝固定使接觸軌表面更光滑平整，在運(yùn)行過程中磨耗較?。坏吞间摻佑|軌的聯(lián)結(jié)是通過焊接而成的，這樣將增加施工難度和施工周期。

鋼鋁復(fù)合接觸軌是通過集電靴與接觸軌鋼帶接觸而獲取電能，因此，鋼鋁復(fù)合接觸軌的平穩(wěn)性和機(jī)械性能是影響地鐵車輛安全運(yùn)行的重要參數(shù)。

2.3 接觸軌的布置

2.3.1 正線接觸軌布置 接觸軌的安裝一般要根據(jù)受流方式和各種界限來確定，并且要充分考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性。對于新建線路，接觸軌的安裝應(yīng)與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào)；對于維修線路，要適應(yīng)機(jī)車車輛轉(zhuǎn)線、調(diào)車作業(yè)等要求，接觸軌的安裝還應(yīng)與原來線路保持一致。

正線的接觸軌一般都是安裝在地鐵運(yùn)行方向的右側(cè)，只有在道岔等部分區(qū)段的接觸軌會(huì)安裝在運(yùn)行方向的左側(cè)。

以無錫地鐵的一號(hào)線接觸軌布置情況為例：

①1 號(hào)線正線（除道岔，存車線等特殊位置）接觸軌均安裝在行車方向的右側(cè)，特殊位置換邊布置。

②接觸軌支架跨距一般為4.8-5.2 米，特殊部位采用兩個(gè)鋼支架固定（如中心錨結(jié)、端部彎頭等）。

③正線高架段接觸軌80米為一個(gè)錨段，地下線路接觸軌110米為一個(gè)錨段。

④快速端部彎頭在正線上應(yīng)用，長度為5.3 m，低速彎頭在場段應(yīng)用，長度為3.4 m。

⑤正線高架段設(shè)置隔離開關(guān)室，采用全封裝隔離開關(guān)柜三聯(lián)柜，地下區(qū)間隔離開關(guān)懸掛在站臺(tái)兩端隧道壁上，車場、車輛段運(yùn)用庫內(nèi)各股道為單柜的隔離開關(guān)柜，靜調(diào)庫采用靜調(diào)電源柜供電。

⑥接觸軌受流面距離鋼軌面高度200±5 mm，距離最近一根鋼軌距離為752.5±5 mm。

2.3.2 道岔接觸軌布置 道岔區(qū)段的接觸軌在施工布置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮地鐵車輛在轉(zhuǎn)換鋼軌時(shí)如何保證車輛受電良好，雖然車輛轉(zhuǎn)向架兩側(cè)均裝有集電靴，但是接觸軌斷軌間距過大時(shí)仍會(huì)造成車輛無法正常受電，影響列車在過道岔運(yùn)行中的受電情況。

道岔上的接觸軌安裝應(yīng)該減少斷口間距，放大連續(xù)道岔之間的距離，對于那些無法斷口距離無法減小的道岔應(yīng)增加短接觸軌的使用；增大地鐵車輛上蓄電池的容量減小瞬間斷電的時(shí)間。車輛段的接觸軌安裝原則是少斷軌，并且還要滿足日常工作的需求。在曲線半徑較小的線路，接觸軌應(yīng)安裝在線路的外側(cè)。

3 受流方式分析

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［6-7］。

3.1 上部受流上部受流方式如圖3所示。

圖3 上部受流方式

上部受流方式，是城市軌道交通中發(fā)展最早的接觸軌受流方式，其工作原理是將接觸軌受電面朝上固定在專用的絕緣子上，并且通過固定在枕木或道床上的絕緣支座防護(hù)罩支架來給予支撐，如圖3所示。由鋼鋁復(fù)合接觸軌、絕緣支座、防護(hù)罩支架、防護(hù)罩、防爬器等部件組成。地鐵電客車的集電靴從接觸軌的上面獲取電能。集電靴與接觸軌的接觸壓力是由集電靴彈簧來調(diào)整的，使車輛在運(yùn)行過程中受流平穩(wěn)，接觸軌頂部的弧度可以減少在斷電分區(qū)電流對集電靴的沖擊。

上部受流方式優(yōu)點(diǎn)：接觸軌結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、設(shè)備費(fèi)用和維修更新費(fèi)用低。缺點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)過于簡單，接觸軌安裝防護(hù)罩不方便；隧道內(nèi)潮濕易引發(fā)短路故障；接觸軌的高度不易改變，從而使安裝的許多零件需要設(shè)計(jì)不同的高度，以滿足在安裝過程中的實(shí)際需要。

目前國內(nèi)應(yīng)用上部受流方式的有北京地鐵1 號(hào)線、2 號(hào)線、4 號(hào)線、5 號(hào)線、10 號(hào)線、13 號(hào)線和天津地鐵1號(hào)線，運(yùn)行技術(shù)比較成熟穩(wěn)定性好。

3.2 下部受流下部受流是接觸軌受電面在接觸軌的下方，該受流方式如圖4所示。

圖4 下部受流方式

下部受流是通過絕緣支架、接觸軌防護(hù)罩、支架防護(hù)罩、橡膠墊、收緊螺栓和鋼鋁復(fù)合接觸軌等組件安裝在接觸軌底座支架上。

下部受流方式的優(yōu)點(diǎn)：接觸軌的安裝高度可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整不用生產(chǎn)那么多不同高度的零件，節(jié)省原材料；下部受流方式的接觸軌安裝防護(hù)罩時(shí)更加的方便，防護(hù)性能會(huì)更好，帶電的接觸軌對那些線路維修人員更加安全，不用擔(dān)心無意間碰到而觸電；下部受流方式受氣候影響較小，可以更好的為接觸軌遮風(fēng)擋雨、還可以避免一些粉塵對集電靴取電的影響，能很好的保證車輛牽引用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行；日常檢查維護(hù)方便。缺點(diǎn)：下部受流方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、安裝繁瑣、后期維修不太方便。

目前我國城市軌道交通中大多都采用下部受流方式，主要有武漢輕軌一期工程，天津地鐵2號(hào)線和3號(hào)線，深圳地鐵3號(hào)線以及昆明地鐵首期工程、3號(hào)線和6號(hào)線均采用下部受流。

3.3 側(cè)面受流側(cè)面受流方式如圖5所示。

圖5 側(cè)面受流方式

側(cè)面受流方式是近幾年新研發(fā)的一種接觸軌懸掛方式，受流面和集電靴與地面垂直，如圖5 所示，接觸軌由牽引軌和回流軌組成，牽引軌和回流軌一起布置在防護(hù)罩內(nèi)，由車輛的集電靴從牽引軌上獲取電能再通過回流軌形成一個(gè)完整的回路。

側(cè)面受流方式的優(yōu)點(diǎn)：側(cè)面受流方式對線路界限要求較小；受電面不易附著灰塵鐵屑，不影響集電靴的取電。缺點(diǎn)：加裝防護(hù)罩較困難，安全性稍差。

目前采用類似側(cè)面受流的受流方式只有重慶輕軌系統(tǒng)。

通過對上部受流、下部受流和側(cè)面受流方式的優(yōu)劣對比以及應(yīng)用情況來看，我國城市軌道交通中廣泛采用上部受流跟下部受流方式，表4 為上下部受流方式的對比表。

表4 上下部受流方式的比較

從表4 中可以看出：接觸軌上下部受流方式在使用壽命、工程投資、施工安裝和維護(hù)工作量等方面相差無幾，但是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。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。

4 結(jié)論

在快速發(fā)展城市軌道交通行業(yè)，接觸軌供電受流方式憑借其在設(shè)備安裝、設(shè)備投資、使用壽命和對城市的景觀影響等方面不可替代的優(yōu)越性，在國內(nèi)外的城市軌道交通中應(yīng)用較為廣泛。接觸軌供電受流方式中的上部受流、下部受流和側(cè)面受流等三種受流方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，并在國內(nèi)外的主要城市軌道交通建設(shè)中均有成功應(yīng)用案例，在受流質(zhì)量和安全性方面，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。

我們在未來的城市軌道交通建設(shè)中，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)算和城市定位等綜合因素來合理地選擇適合自身城市的供電受流方式。