城市軌道交通鋼鋁復合接觸軌供電系統發展綜述

牛峰琦

摘??要：鋼鋁復合接觸軌是我國城市軌道運輸中的重要動力來源，而在早期使用的接觸軌大多為低碳鋼制。鋼鋁復合式接觸軌在國內外已有較多的使用，具有良好的穩定性、較少的故障，并且具有很好的發展潛力。基于以上的理論，該文將從鋼鋁復合結構軌道設計入手，對我國城市軌道交通供給體系的發展進行了研究，并對其結構、形式進行了詳細的分析，以期為今后的發展提供有益的借鑒。

關鍵詞：城市軌道交通??鋼鋁復合接觸軌??軌道設計??供電系統

中圖分類號：U231?.8???????????文獻標識碼：A

Review?of?the?Development?of?the?Power?Supply?System?of?the?Steel-Aluminum?Composite?Contact?Rail?in?Urban?Rail?Transit

NIU?Fengqi

（China?Railway?High-Speed?Electrification?Equipment?Co.，?Ltd.，?Baoji，?Shaanxi?Province，?721000?China）

Abstract：?The?steel-aluminum?composite?contact?rail?is?an?important?power?source?in?urban?rail?transportation?in?China，?and?most?of?the?contact?rails?used?in?the?early?days?were?made?of?low-carbon?steel.?The?steel-aluminum?composite?contact?rail?has?been?widely?used?at?home?and?abroad，?with?good?stability，?less?failures?and?good?development?potentials.?Based?on?the?above?theory，?starting?from?the?design?of?the?steel-aluminum?composite?structure?track，?this?paper?studies?the?development?of?the?China's?urban?rail?transit?supply?system，?and?analyzes?its?structure?and?form?in?detail，?in?order?to?provide?a?useful?reference?for?the?future?development.

Key?Words：?Urban?rail?transit;?Steel-aluminum?composite?contact?rail;?Track?design;??Power?supply?system

我國的地鐵采用的是接觸網供電以及接觸軌供電，與接觸網供電相比，接觸軌供電具有如下優點：（1）與接觸網供電相比，接觸軌施工更簡單，施工費用更低廉；（2）地鐵事故概率較小；（3）維修費用較低；（4）更好地抵御自然災害；（5）不會對環境造成任何的破壞，也不會對城市的美感造成任何的負面作用。因而，目前已普遍應用于接觸軌道的電力供應模式。

由于接觸軌的供電方式可靠性高、性能好等特點，在地鐵、輕軌等場合得到了應用。北京、武漢、青島、長沙的快線，北京的S1線，都是選擇鋼鋁復合接觸軌。京津軌道交通是一種靈活的交通工具，其電力供應模式以接觸軌為主。伊朗的地鐵是中國的一項國外救援計劃，它是一種低碳的接觸軌交通，其安全和美觀性能得到了極大的提高。因此，目前的接觸軌電力供應已經得到了普遍的使用，并取得了良好的效果，從而推動了我國的軌道運輸發展。

1?城市軌道交通鋼鋁復合接觸軌供電系統發展的現狀

1.1?鋼鋁復合接觸軌供電系統簡述

接觸軌是一種特殊的電力供應方式，它可以沿著線路行駛，給火車提供電力，也就是接觸網的另外一種電力供應方式。其作用類似于為高鐵提供電力的高架接觸網[1]。這二者的區別就是，接觸軌是軌道附近的導軌，火車是用來接受電力的。

從低合金材料到高強度的鋼鋁復合材料，接觸軌中的導電軌在使用常規的電瓷基礎上，又研制出了環氧樹脂材料、硅橡膠材料等材料；在電壓水平上，廣州軌道公司研制了1?500?V直流交流軌道，并取得了良好的效果。

1.2?鋼鋁復合接觸軌供電系統總體發展情況

20世紀60年代初期，中國首座城市軌道交通網絡在北京建立。北京軌道交通新線路的接觸網技術也在持續地革新，為接觸網技術的發展提供了有力的推動。在天津、武漢和廣州等城市，由于城市軌道交通的迅速發展，已經形成了城市軌道交通網絡。接觸網技術也在發展：從上接點到下接點；從低碳鋼制的接觸軌道發展到了鋼鋁復合材料[2]。在傳統的電氣陶瓷基礎上，還研制出了環氧、硅、橡膠等多種材質[3]。保護層從木頭變成了玻璃纖維；在電壓水平上，廣州軌道交通的1?500?V接觸網已經研制完成，其接觸線的電壓級別可以是DC750V，也可以是DC1500V[4]。該產品是由一種特別的不銹鋼制成，用于連接兩種鋁合金材料，以避免其脫落。各國公司生產的各種金屬及鋁合金品種各不相同。

由于鋼鋁接觸軌的材質特點，使其具有較高的阻抗和較高的壓損，從而使其間隔縮短。而鋼-鋁復合軌道在電阻、電壓降、牽引網能耗、牽引變電站數目等指標上均有顯著優勢，其主要特征如下。

（1）采用鋼鋁接觸軌可以減少牽引電網的電壓損耗和電力損耗，從而可以相應地減少所述牽引變電站的數目，從而可以降低所述拖車網絡的能量消耗。

（2）該鋼鋁接觸軌具有重量小、便于裝配的特點。舉例來說，1?m的復合接觸線重量大約為14～17?kg，而低碳鋼接片的重量為47.49?kg，其重量為0.29%～36%。同時降低了對固定在軌枕端上的導軌托架的慣量影響，也降低了絕緣體或隔離托架的作用力。這些特性使得設備的成本更低。

（3）采用魚尾螺釘固定復合接觸導軌，安裝簡單安全。而低碳鋼制的接觸軌，必須采用焊接方式，在接頭后要進行拋光處理，工序比較繁瑣。

1.3?鋼鋁復合接觸軌供電系統的組成

1.3.1?接觸軌

我國以往所采用的是JU-52型的接觸軌，而05?Al?（05?Al）的鋼材。20世紀70年代，各國研制出導電性能優良、耐磨性能優良的鋼鋁復合鋼軌，采用不銹鋼與鋁合金相結合，以減小牽引變電站的數目。該獨特的構造使得不銹鋼能夠黏附于鋁材表面而不會掉落。導線是用高導電性的鋁材制造的，而在接觸軌道的頂端，則是用不銹鋼制造的[5]。因為鋁合金的熱脹率比不銹鋼材料大，所以在鋁板和不銹鋼板上應保持良好的接合，使其不易產生黏結。此外，還應同時兼顧帶狀、條狀、金屬片的電勢、金屬間的電化學反應電勢。耐磨性、導電性、耐腐蝕性、綜合機械性能以及它們與鋼鐵的熱脹率之間的對應，與制造技術有很大的聯系。國內鋼鋁復合接觸軌的研制進展緩慢，但近幾年發展迅速，產品引進也比較完善，并且已經完全國產化。

接觸軌電氣分段主要取決于接觸軌斷口的設置方式，目前國內有2種設置方式：一是大斷口模式，如北京地鐵；二是短三軌小斷口方式，如天津與武漢地鐵。這兩種方式各有優劣，在設計過程中應結合車輛編組形式、車輛集電靴的分布及電氣連接情況，確定合理的斷口形式。

1.3.2?中心錨結

中心錨是一種能阻止接觸軌在接觸軌錨固區段縱向運動的設備，能有效地阻止接觸線兩端的不均勻運動，并能維持連接段中點的穩定。一般可將其分成兩類：普通的中心錨和大斜段的中心錨。中心錨是常規的中心錨，在某一段縱向斜率達到20%以上時，往往會在高段的中心錨進行支護。

在兩個膨脹節或短節中間設置一個錨點，將接合軌道緊固，并將其均勻地朝兩側擴展。固定裝置很簡單，可以固定在觸點軌道上，也可以移動到系統的任意地方。通常，錨固定在連接兩個伸縮節或伸縮節和彎管中間，而短軌上也裝有錨。錨桿采用的是不銹鋼材質，能夠經受住錨桿上的荷載。

1.3.3?膨脹接頭

膨脹接頭結構是一種可滑動部件，用于調節因熱脹和收縮引起的復合軌道的長短的改變，而電聯系可以通過一根軟的銅或銅導線來實現，從而確保了復合軌道的電特性不受影響。擴張連接使電流接收器平滑地穿過。

由于環境溫度、運行過程中所產生的熱等因素影響著接觸軌的溫度，同時由于其熱脹冷縮等原因，在導軌上設置了一種可擴展的接頭，以便將兩條導軌的空隙通過其力學性能和電學性能進行了調整。國內生產的伸縮縫通常包括兩條長軌（左、右）和一條短軌，為了確保電蹄穿過伸縮縫的平穩，需要將長導軌和短導軌的對角切15゜（長導軌和短導軌的連接處），以保持平面的連續性，并確保它們之間有可調節的空隙，并能從一端平穩地穿過，左、右兩條軌道的功能是減小轉換處發生的電弧[6]。

它的基本思想是在接合部位不加任何機械外力，將大斷面的雙編銅絲與接合后的兩個銅片相結合，從而保證了接合后的穩定流動和接合軌道的自由擴展，從而防止了由于無法抵抗初滑力而導致的安全事故。為控制導引導桿的整個縱向運動，通常在兩節擴張節或一節與一節節間各單節中間設有一節中央的中央錨。

1.3.4?絕緣支座

絕緣支架是一種用于支承軌道的設備，它在軌道體系中充當隔熱功能。通常有上觸頭一體絕緣支架和下觸頭一體絕緣支架，區別在于，復合絕緣子采用了高溫玻璃鋼加固式的不飽和聚酯塑料薄膜。絕緣材料為灰白色，其施工工藝與常規絕緣工藝大致一致。絕緣支架重量輕，絕緣性能好，強度高，吸水率低，變形小，耐候性好，設計能力強，便于根據線路的實際情況設計。頂端的絕緣材料由一個金屬頭部和兩個觸點夾具旋緊，以便將觸點導軌固定并定位。部分隔熱用螺栓與鋼管的鋼基板相聯結，該螺釘與道碴或十字接頭相連。絕緣子為中空圓筒，帶有防污染的環狀容器，使用了藍色的底，并將其與防滑口和轉動槽連接在一起。

為了防止與外部的接觸，確保操作和人員的安全，所有的接觸軌設備均裝有保護罩。防護罩由導軌防護罩、支架防護罩、彎頭防護罩、膨脹接頭防護罩、電纜連接板防護罩構成。

1.3.5?端部彎頭

斷口或道岔上將電靴子引入到與軌道段的進口和出口之間的零件。端部彎頭一般采用與該體系所采用的同樣型號的接點導軌來生產。有多種形式的端部彎頭，這取決于應用的需要。高速彎頭通常具有5.2?m的長，端高差大于5.2?m，低速彎頭的通常是3.4?m，兩端高差是126?mm或大于129?mm[7]。端部彎頭是用兩個絕熱托架來支持的，其橫斷面和外形一般與觸點導軌的斷面尺寸一致，能與所有完成的觸點導軌的斷面尺寸相符。由于采用了中間接頭，因此，接頭部位不會發生傾斜，因此可以確保彎頭端部與接觸軌的牢固結合，不會出現高差，使連接器能夠順暢地穿過。端部彎頭點火、抗沖擊、自動熄弧等性能優良，斜率適當，能夠達到高速、抗弧等性能指標。5.2?m的高程終點斜率通常不超過1∶40，而3.4?m的低速段通常不低于1∶30。每一彎管的末端都會產生較大的傾斜，并能確保其末端的自熄性。

1.3.6?電纜連接板

纜線接頭是用于纜線的固定，其材料通常是由鋁制材料制成，為了防止在銅芯線上出現電化學反應或腐蝕，通常使用的是銅鋁兩種材料。纜線要留出一定的距離，以確保不影響導引線的縱向移動或對導引線的一側產生任何的壓力。

1.4??鋼鋁復合接觸軌供電系統的類型

根據受控部位的差異，可將接觸軌分為上部接觸受流方式和下部接觸受流方式及側部接觸受流方式三種。

1.4.1?上部接觸受流方式

接觸軌導引頭向上，受力器被下推。這種方法非常容易進行安裝和維修，而且收集的電流也非常容易，但是它僅僅能夠防止接觸軌道受到電線的頂端和外面的干擾。因而，其保護措施不嚴格，安全性能稍遜，軌道表面易附著碎屑、灰塵、冰雪等，對列車的正常工作產生一定的不利作用。

1.4.2?下部接觸受流方式

接觸軌的能源集中在低處，收能器利用提升力來接受電流。由于天氣因素的作用，它很難附著在碎屑、灰塵和積雪上。另外，可以從頂部、內部和外部對接觸軌進行防護。該裝置能夠將接觸軌緊緊包住，更加嚴密地防護，可避免人身誤碰觸點導軌的帶電部位，增加其安全，但也會造成維修時觀察不便、取下防護罩等問題。另外，在小流量條件下，管匯的提升力與接線軌道的傾角方向反向，有利于改善管匯的品質，使兩個托架的間距在容許的范圍之內增大，從而減小了接頭的數目，并節省了資金。

1.4.3??側部接觸受流方式

導軌的集能平面與導軌頂部相平行，并通過機車導通裝置的橫向壓力來實現。接觸軌道面的側接觸電流不容易附著于雜質，而僅限于從車廂頂、車廂外側起到防護作用，但其防護能力也較弱，且不能有效地處理安全問題。

總體而言，上接觸傳流法在我國已有較為完善的施工、經營和管理工作，但因其與接觸網之間存在的空隙大，在室外極易受外部天氣狀況如積灰、積雪、結冰等因素的干擾，從而對列車的正常行駛產生不利的作用。下接觸傳流法是歐洲常用的傳輸法，它不受積灰、積雪、結冰等天氣因素的干擾，只有接觸面朝下暴露在空氣中，其余三個表面都有防護層，所以安全性可靠度得到了很大的改善。

2?城市軌道交通鋼鋁復合接觸軌供電系統發展的建議

根據接觸軌的電源問題，目前最大的問題就是軌道交通的凈空，大的接觸網有5～7?m，地下4～5?m，其中還有接觸網等設施，因此在實際操作中，受電弓是被壓彎的。不過，由于受電弓需要適應地形，彈簧需要產生升力來支撐，因此，在地下通道中，它的升力會很大。而接觸網片的電線是銅線，很可能會被拉斷。此外，經過以上的剖析，發現其仍有較低的安全隱患，據此，該文給出如下的幾點意見。

2.1?接觸軌

接觸軌的搬運和儲存的方法：在搬運過程中應盡可能地防止對接觸軌道造成機械損壞。所以，必須特別注意接觸軌道（14?m和15?m）的輸送，用2根吊起的尼龍纜索，絕不允許采用鋼索或金屬絞線，2個吊點之間的間隔約為8?m。在運輸過程中應注意防止在任意一個方位發生扭曲，一般的接觸軌道運送方法參見接觸軌道廠家的指南。按送貨時的打包形式儲存接觸導軌，木質支架最小數量為5個，最多可放置6個疊層。

若設定車輛的裝置界限和作業條件，則其安裝間距通常不會對其他裝置產生干擾，而廣州4號線和深圳3號線的施工實踐表明，仍有一定的差別，因此，當產生接觸軌與汽車的邊界配合時，必須特別重視，以確保操作車輛的集電片不會與接觸軌設施產生碰撞。通常情況下，較低的接觸軌設置對結構的限制較少，而環形隧道的緩沖通道部分由于受排水斜度等因素的干擾，限制了軌道的設置，故應在設計時對其進行特別位置的設置。

廣州軌道交通系統采用了采用高架接觸網的方法來解決以上問題；深圳三號線采用的是移動電源，僅在定臨檢修庫處安裝滑動接觸模式。二者都要求汽車配備對應的電源變換設備，移動電源技術相比于高架線路，其受電力系統的干擾要少，因此可以在汽車區庫中應用。

在接觸軌的施工和安裝中，在常規軌枕和短軌枕段處，選用全保溫支架作為長軌枕或加長短軌枕木，在預埋式軌枕時，采用了尼龍護套；在鋼質浮動平板整體道床區，選用全絕熱支架，采用鋼板浮動平板式整體式道床，并在浮動平板上預先埋設尼龍護套；兩種方法都能很好地確保預埋的尼龍護套的準確性。

2.2?電纜

為了不對軌道的動態特性產生不利的作用，從牽引變電站輸出的饋線電線應首先與一根柔性纜索相連，然后才能供給接觸軌。這種柔性的纜繩是由一個終端和一個電氣接線片相連的。采用魚尾板錨固方式將電纜連接板與接觸軌接合。按下列程序進行：在線纜上套一根特殊的隔熱熱收縮套管；在連接終端的套筒部位插入纜芯；采用壓力接頭，將線材和終端緊緊地壓合在一起，并在壓力接頭上加一個隔熱的熱收縮套管；加熱套管直到收縮；根據相關的設計，在導軌上打洞。將饋線纜索的接線片用螺釘與接合導軌之間的電氣墊片相結合；根據設計圖進行終端的安裝；根據對應的扭矩表擰緊螺釘。

2.3?防護罩

所述防護罩與所述的接觸軌相連接，所述防護罩與所述接觸軌托架之間的最短間隔為500?mm，所述防護罩設置在所述接觸軌末端的彎曲處不會妨礙所述集電器鞋的平穩地穿過；電氣接合防護罩，其設置必須留出充分的空間給接線柱和電氣接頭。在防護罩完成安裝后，應標明膨脹接頭和中心錨結的標志。標志必須采用中心錨結或膨脹接頭標志。標識必須采用特殊的黑色油漆進行噴繪。

3?結語

鋼鋁復合接觸軌由于具有良好的導電性能、高安全系數、低維護成本、高耐磨性、長供電距離、低土方量、良好的城市景觀等優勢，已經逐漸發展為城市的發展趨勢。目前，我國在一些鐵路行業中已經使用了大量的鋼鋁板復合軌，既要對國外的產品進行深層次的研究，又要借鑒和借鑒國外的生產和施工技術，消化吸收先進技術，進而創新自身的產品，促進我國軌道交通建設的不斷發展。

參考文獻

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