地鐵接觸網類型及技術發展

1城市軌道接觸網在地鐵系統中應用這種類型的引入帶（最大電壓825v，最低電壓600v）的引入網絡歷史悠久。這種類型的引入網絡通常用于倫敦、紐約、莫斯科等地下鐵路。此外，它還被用作新興的現代化城市，如北京軌道、新加坡和加拿大的地鐵。近40年來,由于DC1500V供電的經濟性和良好的運行狀況,架空接觸網在重視功效和經濟效益的城市軌道交通系統中被大量采用,得到廣泛認可。香港雖然在許多方面沿用英國模式,但是在牽引網形式上卻做出與英國不同的選擇。日本東京雖然早期有少量的接觸軌供電的線路,但是后期卻大量普遍采用了DC1500V架空接觸網。目前世界上采用架空接觸網的軌道交通線路遠多于采用接觸軌的線路。目前國內地鐵已有運行經驗的接觸網類型主要有:北京地鐵隧道及地面均采用上接觸式低碳鋼接觸軌;上海市軌道交通1號線和2號線在隧道內采用的是彈性支座有補償簡單懸掛接觸網;廣州地鐵1號線采用架空全補償鏈形懸掛接觸網,2號線和3號線隧道內采用剛性懸掛接觸網,4號線采用下接觸式鋼鋁復合接觸軌;深圳市地鐵采用架空全補償鏈形懸掛接觸網;武漢輕軌采用下接觸式鋼鋁復合接觸軌;大連輕軌采用架空全補償鏈形懸掛接觸網;重慶輕軌工程采用與跨座式車輛配套的側接觸式T型匯流排剛性接觸網。歸納起來城市軌道接觸網有三大類型:接觸軌類接觸網;架空柔性接觸網;架空剛性接觸網。2接觸網絡類型的比較2.1接觸軌連接網絡和特點按接觸面分為上接觸式、下接觸式和側接觸式3種類型(圖1)。2.1.1上部受流方式比較低,使用壽命長。在城軌13號線b上接觸式接觸軌直接放在絕緣子上,絕緣子間距4m排列安裝在走行軌的一側,車輛的集電靴從接觸軌上表面取流。接觸軌的上方和一側有保護罩,對人員接近和冰雪侵擾有一定防護作用。上接觸式接觸軌的結構簡單,接觸軌重力對結構的穩定是有利的,日常檢查一目了然,維護工作量極小,機械故障的可能性也極小。因此,這種受流方式受到好評。北京最近建設的城軌13號線仍然采用上部受流方式。直流瓷絕緣子經長期運行考驗證明是成熟可靠的,價格也較低,使用壽命比有機聚合材料的絕緣子高。上部受流方式的主要優點是結構穩定可靠、維護方便、造價低。但在人身安全防護、美觀、耐候性方面略遜于下部受流方式。北京地鐵所采用的上部受流方式已運營30多年,由于全線封閉運行,運營線路上的接觸軌沒有發生過人身安全問題。為了維護方便,目前已將地下區間的防護罩拆除。上部受流方式在耐候性方面雖然略遜于下部受流方式,但從北京地鐵車輛段(地面部分)近30年運營情況看來,沒有因為氣候因素影響正常運營。上部受流方式的瓷絕緣子有足夠的絕緣強度,防護罩可以防止過大雨水將接觸軌與大地導通。上部受流方式接觸軌最低點距道床面不小于25cm,結合絕緣子構造分析,地面積雪厚度容許達到20cm,防護罩能將罩下積雪減少1/3,就我國北京以南的氣候條件而言,完全可以滿足正常運營的要求。2.1.2下接觸式接觸軌的耐候性下接觸式接觸軌安裝在絕緣支架的一側,絕緣支架間距3～5m排列安裝在走行軌的一側,接觸軌的上方和兩側都被防護罩屏蔽,車輛的集電靴從接觸軌下表面取流。其優點是相對安全、美觀、耐候性較好。在某些特殊的情況下(如乘客掉下站臺、車輛在區間發生停車故障、需要緊急疏散乘客、車輛維修工作人員疏忽等),對可能產生的人身安全問題有更好的防護效果。下接觸式接觸軌的耐候性主要體現在兩個方面:(1)防雨淋。3個方向的屏蔽阻止水滲入不銹鋼-鋁合金復合接觸軌的鋼鋁接觸面上。為了保證鋼鋁結合面有良好的導電性并防止鋼鋁接觸面上產生腐蝕,廠家在此接觸面上涂有防止氧化物產生的導電脂,避免水滲入鋼鋁接觸面形成電解質,同時還必須加強防水措施。(2)防冰雪。下接觸式接觸軌的防護罩能夠更好地防止軌面冰雪對車輛取流效果的影響。下接觸式接觸軌的主要缺點是與上接觸式接觸軌相比,運營維護工作量較大,相應費用較高。下接觸式接觸軌放在支架的一側,接觸軌重力對于整體結構是起不到穩定作用的,任何部件的變位都有可能引起接觸軌的變位、連接螺栓的松動或其它部件的應力集中;檢查維護時,必須打開防護罩,才能觀察到接觸軌機械連接和電氣接續部件的狀態。2.1.3側面受流方式側接觸式接觸軌類似于上接觸式接觸軌,都是安裝在瓷絕緣子的上部,主要區別是接觸軌外形不同,對著車輛受流器的側立面較為平直。主要優缺點也與上部受流方式基本相同。與上述兩種受流方式相比,側面受流方式有兩個較突出的優點:一是接觸軌的終端彎頭向側面外彎,不占下部空間,離積雪較遠,也不占上部空間,容易處理與車體的距離關系;在線間距較寬的道岔區,它可以順道岔導曲線延伸,縮短道岔區的無電區長度。二是它受到的受流器側向壓力是較穩定的,不會因為受流器脫軌而對接觸軌和支架產生過大的側向推力,運行更加安全可靠。側接觸式接觸軌主要在德國等少數國家采用,我國目前沒有運營經驗和車輛受流器的生產運用經驗。重慶城市交通單軌線路采用的側面受流剛性接觸網與側接觸式接觸軌不是同一概念。2.1.4鋼鋁復合接觸軌接觸軌依其材質分為低碳鋼和不銹鋼-鋁合金復合材料2種類型。(1)低碳鋼接觸軌。北京地鐵的上接觸式接觸軌使用我國自行生產的JU-52型低碳鋼接觸軌(鋼號為0.5Al),單位重量51.36kg/m,單位長度電阻為1.91×10-5?m(+15℃),標準制造軌長12.5m的接觸軌在隧道外焊接成50～75m長度的軌節(在隧道內軌節長度可以加倍),軌節之間做成軌縫式膨脹接頭,構造簡單,維護簡便,運行30年來,上表面僅磨耗3～5mm,約占接觸軌截面的6%,運行反映良好。我國為伊朗地鐵生產的DU-48型下接觸式接觸軌的鋼材由巴西進口,耐腐蝕性能優于0.5Al鋼,單位重量47.49kg/m,單位長度電阻為2.1×10-5?m(+15℃),也是將標準軌焊接成軌節(長度與環境溫度有關),軌節之間做軌縫式膨脹接頭。(2)不銹鋼-鋁合金復合接觸軌。由于750V接觸軌供電距離短,20世紀70年代以來,一些城市開始用鋼鋁復合接觸軌取代低碳鋼接觸軌,復合接觸軌用2mm厚的高硬度不銹鋼帶與鋁合金軌壓合,結合面涂有特種導電脂。目前采用這種復合接觸軌有巴塞羅那、舊金山、底特律、溫哥華、多倫多、曼谷、哥本哈根等城市。以載流量3500A的復合接觸軌為例,單位重量11.16kg/m;鋁截面積3485mm2,不銹鋼截面積220mm2;單位長度電阻0.91×10-5?m(+20℃);標準軌長可為9m或10m,通過專用魚尾板連接成120m的軌節,軌節之間用專用膨脹接頭連接。在溫哥華地鐵運行5年后實測平均磨耗0.04mm/年,據此測算預期壽命可達40～50年。鋼鋁復合接觸軌較之低碳鋼接觸軌具有下列優勢:(1)重量輕、截面小、易于施工安裝;(2)電阻值低、電壓降及牽引網電能損耗成比例下降,牽引變電所數目少;(3)接觸面光滑、耐磨耗,可避免受流器與接觸軌之間產生電弧;(4)運營成本較低。鋼鋁復合接觸軌在發展過程中經歷次改進,不斷完善,有多家廠商生產,在使用中也有過不同的評價,如擬采用,應該進一步調查實際運行情況。鋼鋁復合接觸軌要求每一軌間用螺栓連接的接頭縫隙不大于0.1mm,這是很高的安裝精度,需要精心施工和精心管理;目前國產有機聚合材料絕緣子壽命較短,需要適時清洗和更換。以上分析可知,如果下接觸式的接觸軌采用低碳鋼材質,則相對于上接觸形式沒有明顯優勢,而且造價較高;如果下接觸式的接觸軌采用鋼鋁復合材質,則由于變電所間距可以加大,綜合投資可與上接觸形式的低碳鋼接觸軌基本持平,考慮能源損耗和設備折舊費用,經濟比較總體上有一定優勢。目前,不銹鋼-鋁合金復合接觸軌國產化研究取得了一定的進展,為今后降低造價、推廣應用打下了基礎。2.2柔性連接網絡的類型和特點目前國內有運行經驗的地鐵隧道內架空柔性接觸網有2種。2.2.1彈性黨懸掛裝置上海市軌道交通1號線和2號線采用的彈性支座有補償簡單懸掛接觸網,典型安裝如圖2。彈性支座有補償簡單懸掛接觸網受流質量良好,與鏈形懸掛比,凈空要求低、占用空間小、下錨簡單,但載流要求是靠饋線通過電纜與接觸線相連滿足的,跨距小、造價高。彈性支座懸掛裝置價格明顯高于其它懸掛形式,而且使用壽命不超過15年,每次大量更換既費時又費力費錢,還容易對正常運營造成不利影響。國產彈性支座雖然已經試運行成功,但長期運行經驗不足,價格也很高。2.2.2柔性全補償鏈形懸掛接觸網廣州地鐵1號線隧道內采用的旋轉腕臂支撐的全補償鏈形懸掛接觸網,典型安裝如圖3。旋轉腕臂支撐的全補償鏈形懸掛接觸網采用雙根承力索、雙根接觸線,載流量大、受流質量良好、跨距大、造價低;但占用凈空高、空間大、張力補償下錨復雜,需要為接觸網加高凈空,在補償下錨處需加大隧道斷面。載流要求也需要靠饋線通過電纜與接觸線相連滿足,在目前采用的盾構隧道斷面中能和廣州地鐵1號線所運行車輛受電弓相匹配,但如果采用上海地鐵車輛上一些較寬的受電弓則不能保證必要的絕緣間隙。地面及高架區間的地鐵正線一般都采用柔性全補償鏈形懸掛接觸網,對于DC1500V供電方式來說,正線股道上一般需要采用雙接觸線,單或雙承力索,0～4根輔助饋線,1根架空地線,會導致結構粗重,外觀繁雜。正線柔性全補償鏈形懸掛接觸網在技術上是成熟的,經濟上是相對合理的,目前還沒有更理想的形式來取代。在車輛段,由于車輛輕載、低速,車場線一般都采用彈性簡單懸掛接觸網;車輛段出、入段線和試車線等有特殊要求的線路,一般采用適當組合的鏈形懸掛接觸網。2.3剛性懸掛試驗段運行效果廣州地鐵2號線隧道內采用剛性懸掛接觸網,典型安裝如圖4。剛性懸掛接觸網結構相當于架空第三軌,主要部件“匯流排”的制造難度低于鋼鋁復合接觸軌。剛性懸掛接觸網經過十幾個國家40多條地鐵的運營,在設計上不斷改進,目前已經臻于完善。剛性懸掛試驗段在廣州地鐵1號線運行近3年,廣州地鐵2號線三元里至琶洲段已經正式開通使用,受流質量較好。剛性懸掛的國產化率可達到96%以上,工程造價低于柔性懸掛接觸網,在盾構隧道內使用仍能保證較寬的受電弓所需要的空氣絕緣間隙,長隧道區間不需要預留接觸網下錨空間,匯流排載流截面大、溫升小,沒有事故斷線之虞,不需要輔助饋線,結構穩定可靠,零件種類少,維護簡單易行。所以,盡管剛性懸掛在我國使用時間不長,運營經驗不多,在制造、施工、設計等方面都還有值得改進之處,但其總體優勢得到了業界的肯定,正在許多新建城市軌道交通項目中得到推廣。隧道內剛性懸掛和隧道外柔性的銜接可以通過專門設計的過渡裝置來實現,目前過渡裝置在廣州地鐵運行的效果良好。3地下接觸網類型的選擇城市軌道交通的特點是:站間距離小,列車運行速度不高(一般為30～80km/h,目前我國設計的最高速度為120km/h),行車密度大,牽引電流大。隧道內環境較好,接觸網事故極少。不同電壓等級的接觸網各有其優缺點及適應范圍。DC750V架空接觸軌供電制式的優點是安全可靠、維護簡單、壽命長、對景觀無影響。缺點是所間距離短、綜合造價高、運行能耗費用高。城市中地下、地面及高架橋線路上均可采用。DC1500V架空接觸網的優點是安全可靠、所間距離大、綜合造價低、運行能耗費用低(相對DC750V)。柔性懸掛有斷線之虞;接觸線磨耗快,換線周期短;在隧道內,張力補償下錨要求高,在地面或高架橋上影響城市景觀。地下部分采用剛性懸掛優點明顯。AC25000V架空接觸網的特點是安全可靠、所間距離大、綜合造價最低、運行能耗費用最低;對隧道凈空要求太高;不能在城市中地下采用,只適合在城際或城市外環等站間距離長的地面或高架橋上采用。如果線路既有地下部分又有地面和高架部分,或已有DC750V線路,筆者建議選擇DC750V接觸軌供電制式,采用上接觸式鋼鋁復合軌,這樣即可增加所間距,降低綜合造價,又可減少運行耗能費用,維護更換方便。但應注意做好防止絕緣子污染和人身觸電的防護工作。下接觸式的有機絕緣支撐壽命不夠長,維護更換工作量大,費用高,不宜采用。如果線路全在地下,建議選用DC1500V架空接觸網,采用剛性懸掛,剛性懸掛占用空間小,不影響其他管線設施的維護,安全可靠,無斷線之虞,換線方便、快捷。剛性懸掛在地面和高架橋線路上使用,極不經濟,應避免使用。在高架橋上架設柔性懸掛,受風負荷及雷電影響大,造價高,