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，對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

中圖分類號：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市軌道交通系統(tǒng)主要由地鐵、有軌電車和輕軌三大類構(gòu)成。根據(jù)韓寶明等人對世界城市軌道交通運(yùn)營進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：截至2018年底，全球已開通了城市軌道交通系統(tǒng)的有72個(gè)國家和地區(qū)的493座城市，總運(yùn)營里程超過了26100km，車站總量超過了26900座，其中地鐵、有軌電車和輕軌分別占54%、41%和5%。中國城市軌道交通線路共187條，運(yùn)營里程達(dá)5766.7km，運(yùn)送客流超過184.4億人次，中國線網(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，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)保意識的增強(qiáng)，城市越來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)合國內(nèi)外的運(yùn)營應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對接觸軌受流方案進(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）→電動列車→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，通過列車轉(zhuǎn)向架伸出的集電靴與接觸軌進(jìn)行接觸來獲取電能，如圖2所示。接觸軌供電方式最是早應(yīng)用于英國倫敦地鐵，由于接觸軌結(jié)構(gòu)簡單、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)，在世界各國均廣泛應(yīng)用。

2接觸軌受流方案分析

2.1電壓等級

現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)中大多采用直流電，國內(nèi)外對采用供電電壓等級均有標(biāo)準(zhǔn)要求。國際電工委員會（IEC 850標(biāo)準(zhǔn)）、國際鐵路聯(lián)盟（uIc 600標(biāo)準(zhǔn)）以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（EN 1435標(biāo)準(zhǔn)）等標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定未來的有軌電車和鐵路饋電的直流牽引系統(tǒng)必須在DC750V、DCl500V，DC3000V中選擇。對于國內(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城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地鐵直流牽引系統(tǒng)可在標(biāo)稱電壓值為750v和1500v中選擇;有軌電車和無軌電車直流供電系統(tǒng)則推薦采用DC750V。

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

由表1可知：對于同一條線路，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。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，國內(nèi)外新建的城市軌道交通系統(tǒng)開始采用一種全新的鋼鋁復(fù)合接觸軌來替代低碳鋼。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、運(yùn)營可靠、電能損耗少等優(yōu)點(diǎn)，可減輕運(yùn)行時(shí)對軌枕的壓力。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)勢明顯，且隨著技術(shù)和工藝的不斷進(jìn)步，成本將會逐漸降低，未來將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

鋼鋁復(fù)合接觸軌是通過某種復(fù)合方式將鋼帶和鋁合金本體結(jié)合在一起的接觸軌，地鐵車輛通過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)面受流方式在國外通常用于限界條件較差的舊線改造工程，目前國內(nèi)僅有重慶輕軌采用類似側(cè)面受流系統(tǒng)。

按照我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，采用B1型車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

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

（1）對于超大運(yùn)量的軌道交通體系宜采用DC3000V電壓等級，大運(yùn)量軌道交通體系適宜采用DCI 500V電壓等級，而DC750V電壓等級適用于中等運(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獨(dú)立性，根據(jù)城市軌道交通各線路的客流量預(yù)測值、出行時(shí)間要求、電動客車類型和列車編組數(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、接觸軌材料和受流方式，并且不斷提高運(yùn)營管理和維護(hù)技術(shù)水平以滿足不同供電制式要求。