西安地鐵接觸網懸掛方式分析

唐曉嵐

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

西安地鐵接觸網懸掛方式分析

唐曉嵐

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

結合西安市軌道交通線網規劃及建設時序,針對2號線地下段占全線約80%、高架段占全線約20%,另設有車輛段和停車場各1座的線路特點,通過對架空剛性懸掛、架空柔性懸掛及接觸軌3種類型接觸網懸掛方式進行綜合經濟、技術分析,提出適合西安地鐵2號線和西安地鐵網后續建設線路的接觸網懸掛方式建議。

城市軌道交通;線網規劃;架空剛性懸掛;架空柔性懸掛;接觸軌

1 概述

接觸網系統是城市軌道交通供電系統中一個極其重要的組成部分,由于它無備用,一旦發生故障,將會造成中斷行車時間長、恢復困難等后果。所以接觸網的安全可靠和盡可能低的維修率是保證城市軌道交通正常、高效運營的必要條件。目前,國內外城市軌道交通接觸網懸掛方式主要有架空剛性懸掛、架空柔性懸掛及接觸軌3種類型,如圖1～圖3所示。

圖1 架空剛性懸掛

圖2 接觸軌

城市軌道交通選擇哪一種接觸網懸掛方式的關鍵是必須與該城市軌道交通的既有現狀和線網發展規劃相結合,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。西安市軌道交通線網規劃共計15條線路,先期建設2、1、3號線, 2號線作為西安市第1條軌道交通線路,與1號線形成十字骨干線路,其接觸網懸掛方式的選擇不僅影響本線的主要技術標準,同時也影響后續線的建設,因此有必要通過經濟、技術比較對各種接觸網懸掛方式進行分析研究,提出適合于西安地鐵2號線并符合西安市軌道交通發展規劃要求的接觸網懸掛方式。

圖3 架空柔性懸掛

2 各種懸掛方式關鍵技術分析

2.1 占用空間

架空柔性懸掛的彈性支座的簡單懸掛方式,其所占用隧道上部的懸掛空間一般為420mm;弓形腕臂的簡單鏈型懸掛方式,其所占用隧道上部的懸掛空間一般為430mm;

架空剛性懸掛,其所占用的懸掛空間一般為340～460mm。

接觸軌一般敷設在走行軌旁,接觸軌的結構高度將接觸軌帶電體至接地體的安全距離及車輛集電靴結合起來,統籌設計考慮,可以確定安裝高度,只占用隧道的下部空間。

可見,架空剛性懸掛占用隧道上部空間較架空柔性懸掛所占用空間小,更能適應凈空較低的隧道。

2.2 載流量

一般接觸網懸掛系統的工作電流在3 000 A以上,其銅當量截面必須在600 mm2以上。架空柔性懸掛,采用雙接觸導線布置時的銅當量截面一般為240 mm2,因此必須增加饋線補償其載流量的不足,造成其結構更加復雜。

而架空剛性懸掛,由于采用鋁合金匯流排,銅當量截面可達1 281mm2以上,結構簡單,載流量遠遠超出所需要求。

鋼鋁復合接觸軌截面積一般均在3 030～5 506mm2,載流量在3 000 A以上,結構簡單,載流量大。

2.3 受流質量

架空柔性懸掛通過承力索和吊弦的作用改善接觸網彈性,實現弓網間良好受流,接觸網彈性均勻。

架空剛性懸掛的接觸線通過匯流排自身彈性及夾緊力固定在匯流排中,“硬點”較柔性懸掛少且小、易于控制,整個接觸懸掛系統的穩定性較高。

對于接觸軌方式,只要合理選擇跨距,充分考慮到接觸軌安裝施工精度的要求和工程結構、線路等因素的變化,可以做到集電靴受流質量平穩、靴軌間的離線率很小。

2.4 使用壽命

根據理論分析計算及國外運營經驗表明:架空剛性懸掛中接觸導線可磨損至其標稱面積的50%而毋須更換。而對架空柔性懸掛,接觸導線磨損至其標稱面積的30%時即須更換。從這個分析上講,架空剛性懸掛接觸導線的使用壽命較柔性懸掛長。

由于鋼鋁復合接觸軌的6 mm厚不銹鋼帶接觸面非常平滑,減少接觸軌與集電靴兩者的磨耗,減少了電弧的產生,從而延長了接觸軌及集電靴的使用壽命。1992年,對柏林地鐵安裝的鋼鋁復合接觸軌進行了磨耗檢測,運行7年半集電靴通過約650萬次后,鋼帶僅出現了0.2mm的磨損。考慮到鋼鋁復合接觸軌使用的鋼帶厚度為6mm,正常工作條件下該軌工作壽命最大可達50年。

2.5 安全可靠性

架空柔性懸掛的活動元件多、定位點多,在額定張力作用下易發生斷線事故。架空剛性懸掛、接觸軌均無活動元件,沒有外加張力,可靠性高,失效破壞范圍小。而接觸軌方式在車輛段較不利于人身安全。

2.6 維修性

架空剛性懸掛及接觸軌活動元件少,結構簡單,不存在斷排或斷線的可能,避免了架空柔性懸掛可能出現的鉆弓、燒融、不均勻磨耗、高溫軟化以及受電弓故障造成的斷線事故等缺陷。因此架空剛性接觸網、接觸軌在日常維護中的維修工作量比架空柔性接觸網要少,甚至無維修。

2.7 與規劃線路的銜接性

西安地鐵2號線在小寨站與規劃建設的1號線存在聯絡線,在與1號線路的銜接上,架空柔性懸掛需為后續接觸網預留接觸線、承力索下錨位置及錨段關節安裝空間;而架空剛性懸掛關節布置靈活、簡單,后續架空剛性懸掛不需要任何下錨預留,即可獨立進行設計和安裝。因此,架空剛性接觸網在與規劃線路的銜接上顯示出更加方便、簡單易行的優越性。接觸軌與規劃線路的銜接可采用斷軌,也較為方便、簡單易行。

2.8 人身安全

柔性懸掛、架空剛性懸掛位于支柱、隧道上部,安裝位置高,不會對線路維護人員及其他工作人員構成安全威脅,對發生事故時快速疏散乘客不造成影響,在車場內的安全性也高于接觸軌。

接觸軌安裝在走行軌旁,高度較低。雖設有防護罩,但在接觸軌帶電情況下,對進入隧道人員或發生事故時人員疏散有一定危險性,同時維修非供電設施時接觸軌必須停電。接觸軌安裝于車輛段內時,由于車輛段人員、車輛活動比較頻繁,采用接觸軌供電尤其是DC1500V電壓等級的接觸軌供電,需要結合車輛段檢修工藝流程、設備布局、保證人身安全等方面進一步深入研究車輛段接觸軌的安全防護措施,加強接觸軌的防護。

2.9 景觀效果

高架及地面段的架空柔性懸掛的安裝位置較高,正線地面(含高架)區段接觸網支柱、導線、錨段關節數量較多,接觸網支柱、導線、錨段關節對城市景觀產生影響,即使進行景觀設計,簡化導線數量,優化支柱形式和錨段關節布置方式,也只能略有改善,特別是運行速度較高的高架線路,支柱對視覺形成的光柵作用是無法消除的。

接觸軌安裝位置低,距軌面高度在0.2m左右,對城市景觀無影響。因此從環保和景觀效果方面考慮,高架區段采用接觸軌系統是較適宜的。

2.10 設備國產化

無論架空柔性懸掛、架空剛性懸掛,還是接觸軌,接觸網的國產化經過廣州地鐵、深圳地鐵、上海地鐵等國內多年地鐵工程的建設及運營,其主要零部件已實現了國產化,國產化部件的性能及結構達到了國外同類產品的水平。

3 各種懸掛方式經濟比較

3.1 多種方案組合

根據上述各種接觸網懸掛方式的關鍵技術分析,并結合2號線采用DC1500V供電方案及2號線可研方案正線分為地下段(占全線約80%)、高架段(占全線約20%),另設有車輛段和停車場各1座的線路特點,本線接觸網懸掛有以下幾種可行的方案。

方案1:地下段采用架空剛性懸掛,高架段、車輛段及停車場采用架空柔性懸掛;

方案2:全線(包括地下段、高架段、車輛段及停車場)均采用架空柔性懸掛;

方案3:地下段及高架段采用接觸軌,車輛段、停車場采用架空柔性懸掛;

方案4:全線(包括地下段、高架段、車輛段及停車場)均采用接觸軌。

3.2 方案經濟比較

各懸掛方案的綜合經濟比較見表1,本線各種懸掛方案在壽命周期內綜合費用的曲線如圖4所示。

表1 各種懸掛方案綜合經濟比較 萬元

圖4 各種懸掛方案在壽命周期內綜合費用曲線

從表1、圖4可以看出,初期投資方案1投資最少;但全線50年壽命周期綜合費方案4最經濟,其投資僅為方案1的一半。

3.3 方案優缺點比較

對于方案3、方案4,根據最新對國內車輛的調研,目前國內尚無在運營中的DC1500V接觸軌B型旋轉電機車輛。同時方案3,除了車輛需裝設集電靴及受電弓雙受流系統外,還需停車進行受流方式轉換,既增加了車輛初期的投資,也增加了車輛維修部門的運營維護費用,降低了運營可靠性。另外,從50年全壽命周期內綜合費用方面考慮,方案4最經濟,方案3次之。

對于方案1和方案2,兩方案各有優缺點,初期投資相差也不大,但通過各懸掛方式的技術比較及50年全壽命周期內綜合費用對照,針對本線隧道斷面結構形式,方案2隧道內采用架空柔性懸掛時,接觸網本身的投資及其引起的土建工程投資均增高,且架空柔性懸掛零部件種類多,維護周期短且費用高。因此,本線地下段接觸網懸掛方式適合采用結構簡單、技術性能優異、運營可靠性高、維護費用低、設備的國產化率高、安全性高等優點的架空剛性懸掛。

4 結語

綜上所述,從技術上來說,無論是DC1500V接觸軌,還是架空接觸網,對于西安地鐵都是可行的,但一個城市軌道交通選擇什么樣的接觸網懸掛方式,需要結合城市本身特點和目前的技術水平發展狀況綜合考慮。綜觀廣州、上海、北京、深圳等城市在建及計劃建設的軌道交通工程中接觸網的懸掛形式雖然各有不同,但都是以成熟可靠為基礎。

在本線牽引供電制式確定為DC1500V的情況下,針對西安地鐵2號線正線地下段占全線約80%、高架段占全線約20%的特點,雖然DC1500V接觸軌方式具有有利于城市景觀,但在汲取其他城市軌道交通的運行和設計經驗基礎上,綜合考慮景觀、車輛制造及檢修安全等因素,從適應西安地鐵2號線及后續規劃建設線路地下線路長,大都在主城區,高架及地上線相對較短,大都在非鬧市區的特點,因此,對于西安地鐵2號線及后續規劃建設線路地下段采用架空剛性懸掛,高架段及地面段采用架空柔性懸掛更優。并對高架段接觸網支柱、導線、錨段關節進行景觀設計,簡化導線數量,優化支柱形式和錨段關節布置方式改善景觀效果,與城市景觀相協調。

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Analysis on Suspension M ode of Overhead Contact System of Xi'an M etro

TANG Xiao-lan
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In this article,combining with the network planning and construction timing of Xi'an Urban Rail Transit,aiming at the characteristics of line No.2 which underground section accounts for80%of all and viaduct section accounts for the rest 20%,through the economic and technical analysis of three different overhead contact system(OCS)suspension modes including overhead rigid suspension, overhead flexible suspension and conductor rail,a suitable OCS suspension mode is presented for line No.2.The above OCS suspension mode also meets the requirements of development planning of Xi'an Metro.

urban rail transit;network planning;overhead rigid suspension;overhead flexible suspension;conductor rail

U231

A

1004 -2954(2012)10 -0095 -03

2012-02-15

唐曉嵐(1965—),女,高級工程師,1987年畢業于西南交通大學鐵道電氣化專業,工學學士。