城市軌道交通供電接觸網類型的比較

馬沂文　白秀梅
　　摘　要　分析了城市軌道交通兩大類牽引供電接觸網的基本要求、不同類型與特點,提出不同城市選擇接觸網形式時應注意處理的關系和建議。架空接觸網及第三軌授電都是可行的形式,并在各自的應用領域中仍不斷發展進步。從城市發展以及技術經濟上分析比較,采用DC 1 500 V 供電及架空接觸網形式確有一定的優越性。
關鍵詞　城市軌道交通,供電,接觸網
世界各國城市軌道交通的供電電壓大都在DC 600～1 500 V 之間。IEC(國際電工委員會) 擬訂的電壓標準為:600 V 、750 V 和1 500 V 三種。我國標準規定為DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種。目前我國許多大城市都在考慮建設快速軌道交通,首先面臨的就是采取哪一種供電制式。這涉及到供電系統的技術經濟指標、城市交通線網的規劃站距、供電半徑、供電質量、運輸規模、旅行速度和車輛形式等。必須根據各城市的具體條件和要求,綜合分析論證。以下分別從不同的運營要求、特點、規模和條件來做一分析比較。
1 　城市軌道交通供電接觸網的類型
牽引供電系統是由電網輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網和回流線等構成的供電網絡。接觸網分為架空式接觸網和第三軌(接觸軌, 以下簡稱三軌) 式接觸網。三軌式接觸網僅用于地鐵與封閉的城市鐵路和輕軌,架空式接觸網除此還可用于鐵路干線、城市地面和工礦電機車電力牽引線路。為了保證對電動車組良好的供電,接觸網應順直平滑,高度一致,在高速行車中能始終保持正常穩定的接觸授流;接觸網應具有足夠的耐磨性與良好的導電性,壽命盡量長,并力求結構簡單,易于施工、維修。
1. 1 　架空式接觸網
架空式接觸網的懸掛類型大致為三種:簡單懸掛,鏈形懸掛,剛體懸掛。不同的類型其電線粗細、條數、張力都是不一樣的。架空線的懸掛方式,要根據架線區的列車速度、電流容量等輸送條件以及架設環境進行綜合勘察來決定要采取什么方式。
1. 1. 1 　簡單懸掛
簡單懸掛方式結構簡單,支柱高度低,支持裝置承受的負荷較輕,但是弛度大、彈性不均勻。為改善這一狀況,一般在懸掛點處增加一個倒Y 形的彈性吊索,稱為彈性簡單懸掛(見圖1) ,相應改善了懸掛點處的彈性和運行狀況。由于彈性簡單懸掛建造費用低,施工方便維修簡單,城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單彈性懸掛。
2.1. 1. 2 　鏈形懸掛

接觸線通過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吊弦懸掛在承力索上,使接觸線增加了懸掛點,調節吊弦可以使整個跨距內接觸線對軌面保持一致高度。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處的硬點,使懸掛線的彈性在整個跨度內都比較均勻。顯然,鏈形懸掛比簡單懸掛性能好得多,但結構復雜、投資大、施工維修調整較為困難。
鏈形懸掛的類型很多,可以按懸掛鏈數分為單鏈形懸掛、雙鏈形懸掛和多鏈形懸掛。按線索相對于線路中心的位置,又可以分為直鏈形接觸懸掛、半斜鏈形接觸懸掛、斜鏈形接觸懸掛。對城市軌道交通,因其運行速度不太高,列車功率也不太大,一般多采用簡單鏈形懸掛(見圖2) ,應用速度可達100 km/ h 以上。

圖1 　彈性簡單懸掛

圖2 　簡單鏈形懸掛
1. 1. 3 　剛性懸掛
剛性懸掛又稱剛性接觸網,是一種區別于傳統柔性接觸網的供電方式。由于地鐵隧道供電導線上方空間有限,鏈形懸掛一般采用冷拉電解銅接觸線。1962 年日本東京營團地鐵日比谷線開通時, 考慮可能發生斷線事故而要有保護措施、洞內維修作業較復雜等問題,以及隧道斷面比三軌供電要大幅擴大的情況,開發了地鐵用的新的剛性懸掛方式?，F在通過10 多個國家、30 多條地鐵的運營, 經過不斷改進設計,剛性接觸網系統已日臻完善, 非常可靠。如營團地鐵南北線使用的剛體懸掛(見圖3) :采用鋁合金T 型匯流排和鋁夾耳來夾持銅導線,設計簡單,施工容易; T 型匯流排截流截面大,減少電阻40 % 以上,無須輔助饋電線,使得其結構簡單緊湊,節省隧道凈空,節省投資;導電銅線不受張力,應用可靠,耐磨性好;接觸網系統零部件少,大大降低了維護成本。
1. 2 　三軌接觸網
三軌接觸網是沿軌道線路敷設的附加接觸軌, 從電動客車轉向架伸出的受流器通過滑靴與第三軌接觸而取得電能。三軌接觸網的電壓據IEC 標準為DC 600 V 和DC 750 V , 但也有國家采用較高電壓,如西班牙巴塞羅那地鐵就采用了DC 1 500 V 和1 200 V 。接觸軌可以有三種方式,即上接觸式、下接觸式和側接觸式。

圖3 　剛性懸掛
1. 2. 1 　上接觸式
三軌安裝在絕緣子組件上(見圖4) ,由接觸軌、絕緣子、三軌夾板、防護支架、防護板、端部三軌彎頭、防爬器等構件組成。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節的,受流平穩,由于端部彎頭的過渡作用,能夠減少在斷電區的電流沖擊。
上接觸式三軌施工作業簡便,可以在軌頭上部通過支架安裝不同類型的防護板。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。下接觸式的優點是防護罩從上部通過橡膠墊直接固定在接觸軌周圍,對人員安全性好。莫斯科地鐵就采用這種方式,利于防止下雪和冰凍造成集電困難。但是這種方式安裝結構較復雜,費用較高。
2.1. 2. 3 　側面接觸式

側面接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌, 集電靴從側面受流。跨座式獨軌車輛就采用側面接觸形式。其受流器裝在轉向架下部,接觸軌裝在軌道梁上。

圖4 　三軌裝配圖
1. 2. 4 　三軌材料的進步
三軌用導電率較高的鐵軌制成(一般國內使用的材料為05Al) 。近幾年來隨著復合材料的發展, 由不銹鋼與鋁合金通過機械方法或冶金結合方法加工而成的鋼鋁復合接觸軌(見圖5) 已取代低碳鋼接觸軌,被世界上60 多個城市采用。鋼鋁復合軌與低碳鋼接觸軌相比具有以下優勢:

圖5 　鋼鋁復合軌斷面
① 電導率高,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,適當減少牽引變電站的數目。雖然目前鋼鋁導電軌還只能進口,成本比鐵軌要貴3 倍,但是節省下來的牽引變電站投資與接觸軌增加的費用基本相抵,而且由于線路損耗降低,按20 km 長的線路計,僅靠節電一項,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,可延長接觸軌與受流器的壽命。

③ 重量輕,便于施工安裝。正因為鋼鋁復合軌有以上優勢,新上項目采用鋼鋁復合軌已成為趨勢。我國不少城市的軌道交通項目正準備使用鋼鋁復合軌方式。
2 　不同接觸方式的特點比較
2. 1 　安全性
無論架空式接觸網還是三軌接觸網,其安全性都是無容置疑的。從發生觸電事故的情況看,兩種方式都有且主要發生在車輛運用維修與電網維護人員。從地面交通的角度來看,在市區平交運行的有軌電車或輕軌車宜采用架空接觸網;牽引網壓等級較高時,為了安全和保證一定的絕緣距離,也宜采用架空網。而封閉運行的城市鐵路或輕軌采用架空線或第三軌都完全能保證安全;在發生事故疏散乘客時架空式接觸網將給人們更多的安全感。
2.2. 2 　經濟性

從技術發展歷史來看,由于電工材料和輸變電技術的進步,直流牽引輸電電壓呈增高趨勢。1863 年開通的倫敦地鐵和1904 年開通的紐約地鐵分別采用了DC 630 V 和DC 625 V 直流供電,三軌授流方式; 1935 年開通的莫斯科地鐵采用的是DC 825 V(相當DC 750 V) ,第三軌授電。1955 年開通的羅馬地鐵首先采用了1 500 V 直流架空線輸電。1960 年以后,日本的地鐵與電氣鐵路一致,基本上都采用了DC 1 500 V 架空接觸網的制式。
從建設費用來看,1 500 V 直流架空網輸電比750 V 三軌授流經濟。提高輸電電壓,可以相應地減少電能損耗,減少變電站的數量,降低電力設備費用。電壓提高一倍,同樣功率的電能輸送距離可以提高近一倍。750 V 供電系統變電站間距較短, 一般為1. 5～2 km , 而1 500 V 供電系統變電站間距可達3. 5～4 km 。因此同一條線路采用1 500 V 輸電,如果電站配置得當,比750 V 可以少建近一半變電站,供電設施大約只相當750 V 三軌授流的70 % 左右。而且采用1 500 V 制式后,同功率電動車輛由于電流的降低,電器設備也可以相應地減小體積與重量。電站直流開關等設備也如此。但是對于地鐵,橫斷面相同的車輛,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,土建費用增加約14 % 。
從維修的角度來看,架空式接觸網要定期進行檢查維護,洞內維修作業需要專用的接觸網檢查車,維修周期短、費用高、備品備件需要量大。而接觸軌維護簡單。從北京地鐵運營30 年的實踐來看,因為三軌與受電靴接觸面大,第三軌的磨耗極小。據粗略地調查,運行30 年,第三軌的上端面磨耗只有約4～5 mm , 基本上可以做到無維修或少維修化,因而也就相應減少了維修費用。此外,受流器結構簡單,維修方便。受流器滑靴各國基本上都采用黑色金屬,成本低。由于歷史原因,北京地鐵受流器滑靴是采用銅基材料,現正在試驗鐵質滑靴,推廣后會進一步降低耗材成本。
從輸電效率講,因為線路損耗是與電流平方成正比的,盡管可以設輔助饋電線來減少線路阻抗, 但DC 1 500 V 輸電顯然比DC 750 V 損耗小、效率高。1 500 V 電壓變化率較小,電能質量較好,且由于雜散電流要小一半,有利于減少對地下金屬建筑物的腐蝕。
2. 3 　城市環境的適應性
架空式接觸網需要架設支柱,支持懸掛接觸網要安裝腕臂或橫跨,橫跨由金屬桁架或橫向承力索、上下定位繩組成。在城市中間密布支架和電線網,影響市容,有礙觀瞻。當然通過巧妙的規劃設計可以減少不利影響。而三軌授電,接觸軌位置低,沒有明顯的高大部件(如立柱、橫向承力索、金屬桁架等),城市景觀好,對電磁污染較易采取防護措施。這也是國內外某些城市軌道交通采用三軌受電方式的原因之一。從兩大類接觸網的應用比例來看,目前地鐵采用三軌授電的城市仍比采用架空接觸網的多。但是隨著城市規模的擴大及技術的發展,采用1 500 V 架空接觸網的呈上升趨勢, 且已有DC 3 000 V 系統出現。
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。DC 1 500 V 比DC 750 V 顯然能夠適應更大功率的電動車輛,也能達到更高的速度水平,在粘著允許的情況下加速度也能相應提高。對于單向最大斷面客流量在每小時5 萬人次及以下,宜采用DC 750 V 接觸軌;每小時5 萬人次以上,則宜采用DC 1 500 V 架空接觸網。在適應速度上,架空接觸網簡單鏈形懸掛可實現200 km/ h 的高速運行, 彈性簡單懸掛適應速度達120 km/ h ; 剛性懸掛已實現了160 km/ h 的試驗速度。750 V 三軌授電一般只用于速度在100 km/ h 以下的線路。只有美國舊金山的BART(海灣區快軌) 最高速度達128 km/ h , 供電電壓為DC 1 000 V 。
3 　選擇接觸網形式時應注意的幾個關系
城市軌道交通選擇哪一種供電制式的問題,其關鍵是必須與城市的既有現狀和發展規劃相結合, 統籌兼顧,堅持經濟上合理,技術上先進,適應本城市歷史現狀特點與發展規劃前景。
3. 1 　適應城市歷史現狀與發展前景的關系
每個城市都有自己的歷史特征。在城市發展的同時,如何保持文化遺產和歷史風貌,已日益受到人們的重視。因此,象北京這樣的古都,城市圈內應盡量修建地鐵。城市鐵路采用三軌,一方面為避免軌道上空紛紜的線網,與保持整個城市的歷史風貌相協調,另一方面可與原地鐵系統相協調。
一個城市在建設地鐵或輕軌時采用何種接觸網制式,往往受到已建線路形式的影響。如歐洲、北美地鐵發展較早的城市倫敦、巴黎、紐約等都采用了三軌授電系統,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,后續線路也就延續了DC 1 500 V 架空接觸網的形式。這不僅在系統的一致性、擴展性、運營維護方面有實際意義,也易于備品備件的替換。當然,隨著城市規模的擴大,因線路不同而采用兩種接觸網制式的情況也不少。如天津地鐵雖然采用三軌授流的DC 750 V 制式,但建設濱海快速軌道交通時,因站距大(最長達6 km) 、線路長、車速較高,就采用了DC 1 500 V 架空接觸網制式。從北京市的軌道交通發展來看,盡管目前規劃中的線路都延續了三軌形式,但中期規劃有些線路是穿越市區到城市邊緣區的,線長站大,旅行速度應提高到45 km/ h 左右,且地面線與高架橋為多,采用DC 1 500 V 架空接觸網形式更為適宜。
3. 2 　成熟技術與前瞻性技術的關系
地鐵建設一定要選擇成熟可靠的技術,但是也要有一定的前瞻性,盡量采用先進技術。柔性懸掛接觸網與三軌式接觸網用于城市地鐵和城軌交通已有多年的歷史,在我國也屬于成熟技術,均能滿足行車要求。新技術、新材料的出現使兩大類型接觸網都有了新的進步。剛性懸掛應用于地鐵隧道, 不僅減小隧道凈空,而且其匯流排載流面積大,接觸線耐磨性好,壽命長;因無張力架設,不會發生斷線事故,可靠性優于柔性懸掛,減少了維修工作量。鋼鋁復合軌用作接觸軌,改善了三軌授流形式的技術性能,擴大了三軌授流方式的應用范圍與前景。
3. 3 　減少工程投資與長遠運營效益的關系
據某些資料分析,采用DC 750 V 三軌授電比采用DC 1 500 V 架空接觸網系統總投資要高18 % 。然而,架空接觸網特別是柔性懸掛,在系統運營維護方面,檢修周期短、維修費用高。對城市軌道交通而言,運輸密度大,間隔小,在夜間停運很短的時間內進行定期檢修是比較難的。維修工作的不均衡造成勞動力組織的困難與浪費。因此,對地鐵或城軌企業,基礎設施的無維修化具有非常重要的意義。從這一點出發,鋼鋁復合軌與剛性懸掛技術對地鐵具有良好發展潛質。雖然一次投資費用稍高,但維護材料與人工費節約的長遠效益是顯而易見的。
3. 4 　引進技術與國產化
目前,廣州地鐵1 號線架設了我國第一條剛性接觸網試驗示范段,采用Π型鋁合金匯流排夾持導線,并基本實現了關鍵零部件的國產化,并準備推廣使用到建設中的廣州地鐵2 、3 號線。而彈性簡單懸掛所采用的彈性支座和分段絕緣器尚需國外引進。鋼鋁復合軌目前國內也還不能生產,因此增加了建設投資費用。對這些技術,應根據市場發展前景確定國產化的進程。
4 　結語
綜上所述,無論架空接觸網還是第三軌授電, 柔性懸掛還是剛性懸掛,都因其不同的特點而應用于不同的城市軌道交通線路,都是可行的牽引接觸網形式,在各自的應用領域中仍不斷發展進步,不存在孰優孰劣的問題。然而由于我國建設軌道交通的都是大城市,軌道交通擔負城市向外輻射和保護舊城、開發新城區的戰略意圖越來越突出,站在這個角度從技術經濟上分析比較,采用DC 1 500 V 電壓供電及架空接觸網形式確有一定的優越性。
參　考　文　獻
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