桂 兵

(广州市地下铁道设计研究院,510010,广州∥工程师)

随着国土开发,经济发达的长三角、珠三角地区的城镇化进展加快,北京、上海、广州等一些特大城市发展了许多卫星城镇,正在逐步形成由城市群组成的大都市圈。城市化的推进以及我国人民生活水平的不断提高,使出行大量增加。特别是城市市郊及周边地区,将有更多的客流进出城市;加上工作在城区、居住在市郊的新生活方式不断扩展,以中心城市为核心的城市辐射圈将逐步形成或强化,城市客运交通量将猛增。中心城和卫星城之间交通的紧张,制约着城市发展。仅依靠公路运输已不适应社会经济发展的需要,必须建立能承受大运量的快速轨道交通走廊。而尽快发展市郊旅客列车运输系统则是首选。因此,建设城市轨道交通的市郊列车线路刻不容缓。

本文根据城市轨道交通列车的特点和运量,通过对接触网条件的适应性、接触网技术成熟程度、运营和维修成本、环境的影响、工程造价等多方面进行分析、比较,推荐市郊列车牵引供电接触网采用架空接触网方案。

1 城市轨道交通供电接触网的类型

牵引供电系统是由电网输入线路、牵引变电站、馈电线、牵引接触网和回流线等构成的供电网络。接触网分为架空式接触网和接触轨(以下简称第三轨)式接触网。为了保证对电动车组良好的供电,接触网应顺直平滑、高度一致,在高速行车中能始终保持正常稳定的接触受流;接触网应具有足够的耐磨性与良好的导电性,寿命尽量长,并力求结构简单,易于施工、维修。

1.1 架空式接触网

架空式接触网的悬挂类型大致为三种：简单悬挂,链形悬挂,刚性悬挂。不同的悬挂类型其导线粗细、条数、张力都是不一样的。架空线的悬挂方式,要根据架线区的列车速度、电流容量等输送条件以及架设环境进行综合勘察来决定。

1.1.1 简单悬挂

简单悬挂方式的结构简单,支柱高度低,支持装置承受的负荷较轻,但是弛度大、弹性不均匀。为改善这一状况,一般在悬挂点处增加一个倒Y形的弹性吊索,称为弹性简单悬挂,相应改善了悬挂点处的弹性和运行状况。由于弹性简单悬挂的建造费用低、施工方便、维修简单,城市电车或轻轨往往采用这种悬挂方式。地铁为了减少隧道净空,采用以弹性支座或弓形腕臂作支持部件的简单弹性悬挂。

1.1.2 链形悬挂

接触线通过吊弦悬挂到承力索上的悬挂称为链形悬挂。链形悬挂承力索悬挂于支柱的支持装置上,接触线通过吊弦悬挂在承力索上,使接触线增加了悬挂点。调节吊弦可以使整个跨距内接触线对轨面保持一致高度。由于接触线是悬挂在承力索上的,因而基本上消除了悬挂点处的硬点,使悬挂线的弹性在整个跨度内都比较均匀。显然,链形悬挂比简单悬挂的性能要好得多,但其结构复杂、投资大、施工维修调整较为困难。

链形悬挂的类型很多,可以按悬挂链数分为单链形悬挂、双链形悬挂和多链形悬挂。按线索相对于线路中心的位置,又可以分为直链形接触悬挂、半斜链形接触悬挂、斜链形接触悬挂。对城市轨道交通,因其运行速度不太高,列车功率也不太大,一般多采用简单链形悬挂,应用速度可达100 km/h以上。

1.1.3 刚性悬挂

刚性悬挂是一种区别于传统柔性接触网的悬挂方式。由于地铁隧道供电导线上方空间有限,链形悬挂一般采用冷拉电解铜接触线。1962年日本东京营团地铁日比谷线开通时,考虑发生断线事故要有保护措施、洞内维修作业较复杂等问题,以及隧道断面比第三轨供电要大幅扩大的情况,开发了地铁用的新的刚性悬挂方式。现在通过10多个国家、30多条地铁的运营,经过不断地改进设计,刚性接触网系统已日臻完善,且非常可靠。如营团地铁南北线使用的刚性悬挂,是采用铝合金T型汇流排和铝夹耳来夹持铜导线。其设计简单、施工容易。T型汇流排截流截面大,可减少电阻40%以上,无需辅助馈电线,使得其结构简单紧凑,节省了隧道净空,节省了投资;导电铜线不受张力,应用可靠,耐磨性好;接触网系统零部件少,大大降低了维护成本。

1.2 第三轨接触网

第三轨接触网是沿轨道线路敷设的附加接触轨,从电动列车转向架伸出的受流器通过滑靴与第三轨接触而取得电能。接触轨可以有三种方式,即上接触式、下接触式和侧接触式。

1.2.1 上接触式

第三轨安装在绝缘子组件上,由接触轨、绝缘子、第三轨夹板、防护支架、防护板、端部第三轨弯头、防爬器等构件组成。受流器滑靴从上压向接触轨轨头顶面受流。受流器的接触力是由下作用弹簧的压力调节的,其受流平稳,由于端部弯头的过渡作用,能够减少在断电区的电流冲击。

上接触式第三轨的施工作业简便,可以在轨头上部通过支架安装不同类型的防护板。北京地铁、纽约地铁都是采用上接触式第三轨。

1.2.2 下接触式

下接触式第三轨的轨头朝下,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。莫斯科地铁就采用这种方式,利于防止下雪和冰冻造成集电困难。但是,这种方式的安装结构较复杂,费用较高。广州地铁4、5、6号线均是采用该形式。

1.2.3 侧面接触式

侧面接触式就是接触轨的轨头端面朝向走行轨,集电靴从侧面受流。跨坐式独轨车辆就采用侧面接触形式。其受流器装在转向架下部,接触轨装在轨道梁上。

1.2.4 第三轨材料的进步

第三轨用导电率较高的材料制成(国内一般使用的材料为05AL)。近几年来,随着复合材料的发展,由不锈钢与铝合金通过机械方法或冶金结合方法加工而成的钢铝复合接触轨已取代低碳钢接触轨,被世界上60多个城市所采用。钢铝复合轨与低碳钢接触轨相比具有以下优势：

1)电导率高,电压降及牵引能耗成比例下降,因此可加大供电距离约1.4倍,并可适当减少牵引变电站的数目。虽然目前钢铝导电轨还只能进口,成本比铁轨要贵3倍,但是节省下来的牵引变电站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年可收回多投的资金。

2)不锈钢的接触面光滑,耐腐蚀,耐磨耗,可延长接触轨与受流器的寿命。

3)质量轻,便于施工安装。

正因为钢铝复合轨有以上优势,新上项目采用钢铝复合轨已成为趋势。我国采用第三轨接触网的城市轨道交通新建项目均采用钢铝复合轨方式。

2 不同接触网类型的特点比较

2.1 安全性

无论架空式接触网还是第三轨接触网,其安全性都是无容置疑的。从发生触电事故看,两种类型都有且主要发生在车辆运用维修与电网维护人员身上。从地面交通的角度来看,在市区平交运行的有轨电车或轻轨车宜采用架空接触网;牵引网电压等级较高时,为了安全和保证一定的绝缘距离,也宜采用架空接触网。而封闭运行的城市铁路或轻轨采用架空接触网或第三轨接触网都完全能保证安全;但在发生事故疏散乘客时,架空接触网将给人们更多的安全感。

2.2 经济性

从维修的角度来看,架空接触网要定期进行检查维护。隧道内维修作业需要专用的接触网检查车,其维修周期短、费用高、备品备件需要量大。第三轨接触网维护简单。从北京地铁运营30年的实践来看,由于第三轨与受电靴接触面大,因此第三轨的磨耗极小。据粗略的调查,北京地铁运行30年,第三轨的上端面磨耗只有约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。此外,其受流器结构简单,维修方便。各国的受流器滑靴基本上都采用黑色金属,其成本较低。由于历史原因,北京地铁受流器滑靴是采用铜基材料,现正在试验铁质滑靴,推广后会进一步降低耗材成本。

2.3 城市环境的适应性

架空接触网需要架设支柱,支持悬挂接触网要安装腕臂或横跨。横跨由金属桁架或横向承力索、上下定位绳等组成。在城市中密布支架和架空线网,会影响市容,有碍观瞻(当然通过巧妙的规划设计也可以减少不利影响)。而第三轨受电,接触轨位置低,没有明显的高大部件(如立柱、横向承力索、金属桁架等),故城市景观好,对电磁污染也较易采取防护措施。这也是国内外某些城市轨道交通采用第三轨受电方式的原因之一。从两大类接触网的应用比例来看,目前地铁采用第三轨受电的城市仍比采用架空接触网的多。但是随着城市规模的扩大及技术的发展,采用DC 1 500 V架空接触网的呈上升趋势,且已有DC 3 000 V架空接触网出现。

2.4 速度水平

在适应速度上,架空接触网简单链形悬挂可实现200 km/h的高速运行,弹性简单悬挂适应速度可达120 km/h,刚性悬挂已实现了160 km/h的试验速度。第三轨受电一般只用于速度在100 km/h以下的线路,只有美国旧金山的BART(海湾区快轨)最高速度达128 km/h(其供电电压为DC 1 000 V)。

3 选择接触网类型时应注意的几个关系

城市轨道交通选择接触网类型,其关键是必须与城市的既有现状和发展规划相结合,统筹兼顾,坚持经济上合理、技术上先进,适应本城市现状特点与发展规划前景。

3.1 适应城市现状与发展前景的关系

每个城市都有自己的历史特征。在城市发展的同时,如何保持文化遗产和历史风貌,已日益受到人们的重视。因此,象北京这样的古都,城市圈内应尽量修建地铁。北京的城市轨道交通采用第三轨接触网,一方面可避免轨道上空纷纭的线网,与保持整个城市的历史风貌相协调,另一方面可与原地铁系统相协调。一个城市在建设地铁或轻轨时采用何种接触网类型,往往受到已建线路的影响。欧洲、北美地铁发展较早的城市,如伦敦、巴黎、纽约等都采用了第三轨受电系统,其后就基本上沿用了该方式。北京地铁也是如此。广州地铁1号线采用了架空接触网,后续2、3号线路也就延续了DC 1 500 V架空接触网的形式。这不仅在系统的一致性、扩展性、运营维护方面有实际意义,也易于备品、备件的替换。当然,随着城市规模的扩大,因线路不同而采用两种类型接触网的情况也不少。如天津地铁虽然采用第三轨受流的DC 750 V制式,但建设滨海快速轨道交通时,因站距大(最长达6 km)、线路长、车速较高,就采用了 DC 1 500 V架空接触网。从北京市的轨道交通发展来看,尽管目前规划中的线路都延续了第三轨接触网,但中期规划的有些线路是穿越市区到城市边缘区的,其线路长、站间距大,且以地面线与高架桥为多,故采用DC 1 500 V架空接触网更为适宜。

3.2 成熟技术与前瞻性技术的关系

地铁建设一定要选择成熟可靠的技术,但也要有一定的前瞻性,尽量采用先进技术。柔性悬挂接触网与第三轨接触网用于城市轨道交通已有多年的历史,在我国也属于成熟技术,均能满足行车要求。新技术、新材料的出现使两大类型接触网都有了新的进步。刚性悬挂应用于地铁隧道,不仅可减小隧道净空,而且其汇流排载流面积大,接触线耐磨性好,寿命长;因无张力架设,不会发生断线事故,其可靠性优于柔性悬挂,减少了维修工作量。钢铝复合轨用作第三轨,改善了第三轨受流形式的技术性能,扩大了第三轨受流方式的应用范围与前景。

3.3 减少工程投资与长远运营效益的关系

据某些资料分析,采用第三轨受电比采用DC 1 500 V架空接触网总投资要高。然而,架空接触网特别是柔性悬挂,在系统运营维护方面,存在检修周期短、维修费用高的缺点。对运输密度大、行车间隔小的城市轨道交通而言,在夜间很短的停运时间内进行定期检修是比较困难的。维修工作的不均衡会造成劳动力组织的困难与浪费。因此,城市轨道交通基础设施的无维修化具有非常重要的意义。从这一点出发,钢铝复合轨与刚性悬挂技术对地铁来说具有良好发展的潜质。虽然其一次投资费用稍高,但维护材料与人工费节约的长远效益是显而易见的。

4 结语

综上所述,无论架空接触网还是第三轨接触网,是柔性悬挂还是刚性悬挂,都因其不同的特点而应用于不同的城市轨道交通线路,都是可行的牵引接触网形式,在各自的应用领域中仍在不断地发展,不存在孰优孰劣的问题。然而,由于我国建设城市轨道交通的都是大城市,市郊列车担负城市向外辐射和保护旧城、开发新城区的战略意图越来越突出,站在这个角度并从技术经济上进行分析比较,市郊列车系统推荐采用架空接触网供电系统。

[1]广州市地下铁道总公司.广州市轨道交通线网主变设置及供电方式专题研究(最终报告)[R].广州：广州市地下铁道总公司,2004.

[2]何其光.对城市轨道交通牵引供电授流制式选择的建议[J].城市轨道交通研究,2007(8)：6.