地铁牵引接触网形式及应用研究

地铁牵引接触网形式及应用研究

【摘要】本文系统介绍了地铁牵引供电接触网形式的变迁和用于地铁的第三轨式接触网、刚体悬挂技术与钢铝复合轨等刚性接触网的发展，认为钢铝复合轨与刚性悬挂技术在地铁更具有良好发展潜力，虽然其一次投资费用稍高，但维护材料与人工费用少，远期效益明显。

【关键词】地铁;牵引供电;刚性接触网

1.地铁牵引接触网的形式与发展

早期的城市地下铁道都采用低电压的直流第三轨式接触网，如1863年开通的伦敦地铁（DC630 V)、1904年开通的纽约地铁(DC 625 V)以及1935年开通的莫斯科地铁(DC 825V)。采用第三轨的优点是为了减少开挖土方，降低净空和方便维修。

随着电工材料和输变电技术的发展，直流牵引输电电压逐步增大。提高输电电压可以相应地减少输变电的电能损耗，减少变电站的数量，降低电力设备费用。因此同一条线路，如果电站配置得当，则1 500 V电压与750 V相比，前者可以少建一半的变电站且架空网输电供电设施的费用仅为后者的70%左右，同时相同功率的电动车辆的电器设备的重量与体积也会随电流的减小而减少。较高的电压在同等条件下能够传输较高的功率，因而更利于速度的提高。但是，第三轨与地面距离较近，绝缘和安全的难度大，这就限制了电压的提高，后来修建的地铁接触网转而向架空线(柔性接触网)发展。1955年开通的罗马地铁率先采用了1 500 V直流架空接触网,1960年以后日本的地铁也大都采用这种接触网。我国近十几年来新上地铁的城市，如上海、广州、深圳等也都采用的是直流1 500 V架空接触网。

地铁为了减少隧道净空，近年来多采用以弹性支座或弓形腕臂作支持部件的弹性简单悬挂。不过架空接触网与第三轨式接触网相比，地铁隧道横断面增大，土建费增多；冷拉电解铜接触线易磨损；接触网检测维护比较复杂，需专用的接触网检测车且维修周期短、费用高。因此，1962年开通的日本东京营团地铁日比谷线开发了一种新的刚体悬挂方式。

2.刚性悬挂接触网在地铁的应用

刚体悬挂又称刚性接触网，是一种区别于传统柔性接触网的供电方式。由于地铁隧道的净空有限，刚性接触网是采用绝缘子来悬挂刚体导线，如同把第三轨架到了隧道顶部，省去了柔性悬挂的腕臂或弹性支座，既增大了对地距离，又降低了车辆上方的空间。刚体导线通过汇流排或台架来夹持，汇流排是用铝合金拉制成的T型或П型材。如日本东京营团地铁南北线使用的刚体电车线（见图1）采用铝合金T型汇流排和铝夹耳来夹持铜导线，设计简单，施工方便；T型汇流排载流截面大，减少电阻40%以上，无须辅助馈电线，因此结构简单紧凑。П型

汇流排（见图2）是1983年法国巴黎RATPA线首先投入使用的，П型汇流排靠自身夹持接触线，自重较轻，成本较低，结构更为合理。现在通过十多个国家、三十多条地铁的运营和设计上的不断改进，刚性接触网系统已日臻完善，非常可靠。

从适应速度来看，弹性简单悬挂适应的速度达120 km/h，简单链形悬挂可实现200km/h的高速运行；刚性悬挂已实现了160 km/h的试验速度。

图1 刚性悬挂导线

刚性悬挂需要的隧道净空小，投资小，而且导电铜线无张力架设，不必设置下锚装置，也不会发生断线事故，再加之零部件少，载流量大，安全可靠，维修工作量小，大大降低了维护成本。刚性悬挂不仅用于地铁隧道和车辆段修车库内的维修线，也用于电气化铁道的隧道。其优越性是柔性悬挂难以比拟的，因此日本、韩国、法国、西班牙等国家的城市轨道交通领域从20世纪80年代开始，无论新线建设还是旧线改造，无论低净空隧道还是高净空隧道都大量采用架空刚性悬挂，国外城市地铁应用架空刚性悬挂接触网里程概况见下表。

我国第一条刚性接触网试验示范段是1999年6月开始运行的广州地铁一号线，其采用П型汇流排并基本实现了关键零部件的国产化。广州地铁二、三号线、深圳、上海地铁新线都准备采用刚性悬挂技术,作为一种成熟可靠的接触网悬挂方式,其在我国城市轨道交通领域有着良好的应用前景。

图2 П型汇流排断面图3 上接触式第三轨装配图

3.第三轨式接触网

第三轨式接触网是一种传统的刚性接触网，沿线路方向敷设，其采用导电率较高的钢轨制成（国内使用的材料为05Al）。从电动客车转向架伸出的受流器通过滑靴与其接触而取得电能。第三轨式接触网的电压多采用IEC标准，为直流600 V或750 V，我国1969年开通的北京地铁采用的第三轨受电电压为直流750 V,但也有的国家采用较高的电压，如西班牙巴塞罗那地铁就采用了直流1 500 V 和1 200 V。第三轨为接触轨，其接触方式有3种：上接触式、下接触式和侧接触式。北京地铁、纽约地铁都采用上接触式（见图3）。

受流器滑靴从上压向接触轨轨头，接触轨顶面受流。受流器的接触力是由下作用的弹簧的压力进行调节的，受流平稳。施工作业简便，可以在轨头上部通过支架安装不同类型的防护板。下接触式的第三轨的轨头朝下，通过绝缘肩架、橡胶垫、扣板收紧螺栓、支架等安装在底座上。下接触式的优点是防护罩从上部通过橡胶垫直接固定在接触轨周围，对人员安全性好。莫斯科地铁采用的就是这种方式，利于防止下雪和冰冻造成的集电困难。但这种方式安装结构复杂，费用较高。

侧接触式就是接触轨轨头端面朝向走行轨，集电靴从侧面受流。跨座式独轨

车辆就采用侧面接触式集电，其受流器装在转向架下部，接触轨装在轨道梁上。电动车辆受电靴与第三轨接触面大且对其磨损极小，因此，采用第三轨式接触网的优点是维护简单。据粗略调查，北京地铁运营30年，第三轨上端面磨耗仅4～5 mm，基本上可以做到无维修或少维修，因而也就相应减少了维修费用。对城市轨道交通而言，运输密度大，间隔小，在夜间停运很短的时间内进行定期检修比较困难。维修工作不均衡会造成劳动力组织的困难与浪费，因此基础设施的无维修化具有非常重要的意义。显然第三轨受流在这方面具有优势。

第三轨供电适应速度有限，直流750 V供电一般只用于速度在100 km/h以下的线路，这在某种程度上受到电站距离与供电容量的限制，最高速度达128 km/h的第三轨式接触网为美国旧金山的BART（湾区快轨），其供电电压为直流1 000 V。

4.钢铝复合接触轨的应用

为了弥补第三轨在输电距离上的差距，钢铝复合接触轨（见图4）已取代了低碳钢接触轨，被世界上六十多个城市采用。与低碳钢接触轨相比，其具有以下优势：

4.1电导率高，电压降及牵引能耗成比例下降，因此供电距离可加大约1.4倍，适当减少了牵引变电站的数目。虽然目前钢铝导电轨还只能进口，成本为铁轨的4倍，但是少建牵引变站节省下来的投资与接触轨增加的费用基本相抵，而且由于线路损耗降低，按20 km长的线路计，仅靠节电一项，5年半就可收回多投的资金。

图4 钢铝复合轨断面

4.2不锈钢接触面光滑，耐腐蚀，耐磨耗，可延长接触轨与受流器的寿命。

4.3重量轻，便于施工安装。

钢铝复合轨用做接触轨，改善了第三轨受流的技术性能，新上的城市轨道交通项目采用钢铝复合轨已成为趋势，北京地铁5号线、武汉城轨交通号线都准备采用钢铝复合轨方式。

5.结束语

地铁建设要选择成熟可靠的技术，但也要尽量采用先进技术。柔性接触网与第三轨式接触网用于城市地铁和城轨交通已多年了，在我国属于成熟技术。钢铝复合轨与刚性悬挂技术在地铁更具有良好的发展潜力，虽然其一次投资费用稍高，但维护材料与人工费用大为减小，其远期效益是显而易见的。目前，架空刚性悬挂经过广州地铁试验示范段的建设基本实现了关键部件的国产化，但钢铝复合轨目前国内还不能生产，这将会增加一些建设投资费用，因此，应根据市场发展前景加快国产化的进程。■