750V第三轨牵引网.doc

.750V第三轨牵引网采用直流标称电压750V（最高电压825V，最低电压600V）第三轨的牵引网在地铁系统的运用具有悠久的历史和很强的生命力，世界上早期修建的地下铁道大多采用了这种类型的牵引网，如伦敦、纽约、莫斯科地铁等。一些特别重视城市景观的城市，或是既有线路采用了第三轨的牵引网，为统一制式起见的城市和地区，至今仍然还在采用这种方式，如北京、新加坡、温哥华、台湾等。近40年来，由于DC1500V供电的经济性和良好的运行状况，以及架空接触网技术的成熟，架空接触网在重视功效和经济效益的城市轨道交通系统中被大量采用，得到广泛认可。香港虽然在许多方面沿用英国模式，但在城市轨道交通供电制式的选型上由于第三轨占用了隧道中旅客逃生通道等原因而做出与当时的英国截然不同的选择。日本的城市中，虽然早期有少量的DC750V，第三轨供电的城市轨道交通线路，但是后期却大量、普遍地在城市轨道交通线路中采用了DC1500V架空接触网。因此，一个城市的城市轨道交通系统采用何种供电制式，主要地决定于该城市的城市轨道交通发展历史，供电制式技术上的成熟程度，功能性和安全性等方面的考量，决定于城市总体规划的需要。在国内，各城市已建地铁线路采用的牵引网类型主要有： 60年代至80年代建成的北京地铁1、2号线均采用上接触式低碳钢接触轨，电压DC750V；为统一制式起见，后期建成的北京城铁13号线、八通线，以及正在建设中的地铁4、5、10号线，仍采用上接触式低碳钢接触轨，电压DC750V； 上海市轨道交通1号线和2号线在隧道内采用的是弹性支座有补偿简单悬挂接触网，地面上采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V；3号线、莘闵线等均采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V； 广州地铁1号线采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V；2号线和3号线在隧道内则采用刚性悬挂接触网，地面上采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V；4号线准备采用下接触式钢铝复合接触轨，电压DC1500V； 深圳市地铁1号线采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V； 武汉轻轨采用下接触式钢铝复合第三轨，电压DC750V； 大连轻轨采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V； 重庆轻轨工程采用与跨座式车辆配套的侧接触式T型汇流排刚性接触网，电压DC1500V。 天津滨海快速轨道交通线采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V；天津地铁1、2号线则仍沿用上接触式低碳钢接触轨，电压DC750V；为统一制式起见，3号线也沿用上接触式低碳钢接触轨，电压DC750V； 南京地铁1号线隧道内采用钢性悬挂接触网，地面和高架采用架空全补偿链形悬挂接触网，电压DC1500V；归纳起来城市轨道交通用的牵引网有三大类型：第三轨类接触网，架空柔性接触网和架空刚性接触网。第一节 第三轨供电方式第三轨供电制式仅用于城市轨道交通中的地铁，全封闭的城市铁路和轻轨等线路，因其牵引供电线路中的导电轨沿线路在车辆的走行轨旁设置而被形象地称为“第三轨”。第三轨距走行轨中心距离约为1.4米，距轨面高度约0.44米（具体数据要根据机车集电靴设置参数而定），由接触导电轨、端部弯头、防爬器、隔离开关和防护罩等组成，并用绝缘子支撑。与之相配合，车辆采用集电靴受流。一、采用第三轨的接触方式一般地，根据车辆集电靴与导电轨的接触受流方式的不同，车辆接触受流方式分为上接触式、侧接触式和下接触式，对应的第三轨也就称为“上接触式第三轨”、“下接触式第三轨”和“侧接触式第三轨”，如图所示。图16 常见的第三轨形式（一）上接触式上接触式接触轨直接放在支持绝缘子上，安装于走行轨的一侧，车辆的集电靴从接触轨上表面取流。接触轨的上方和一侧有防护罩保护，对人员接近和冰雪侵扰有一定防护作用。上接触式接触轨的结构简单，造价低廉，其导电轨直接放置于支持瓷绝缘子上，导电轨重量对结构的稳定有利，日常检查也一目了然，维护工作量小，机械故障的可能性也小。上接触式的主要优点是结构稳定可靠、维护方便、造价低，但由于导电面几乎全部暴露在外，在人身安全防护、美观、耐候性等方面差于下接触和侧接触式。正是由于这一缺点，英国的有关部门在60年代后期决定除既有线路外，在新建的城市轨道交通线路中不再使用这一方式，如1987年8月开通的英国伦敦港口住宅区轻轨（DLR）线路，就改用了侧接触式接触轨。图17 上磨式第三轨的北京城铁线路和侧磨式第三/四轨的英国DLR线路（二）下接触式下接触式接触轨向下安装在特殊的防护罩的内侧，防护罩集防护和支持功能为一体，安装在走行轨的一侧。接触轨的上方和两侧都被防护罩屏蔽，车辆的集电靴从接触轨下表面取流。其优点是相对安全、美观、耐候性较好。在某些特殊的情况下(如乘客掉下站台、车辆在区间发生停车故障、需要紧急疏散乘客、车辆维修工作人员疏忽等)，由于暴露在外的导电面相对隐蔽，对可能产生的人身安全问题有一定的防护效果。图18 下接触式集电靴和第三轨的实物照片下接触式接触轨的主要缺点是比上接触式接触轨的运营维护工作量较大，相应费用较高。下接触式接触轨向下安装在防护罩的内侧，接触轨重量对于整体结构起不到稳定作用的，因此对防护罩的结构有特殊要求，否则其变形可能会引起接触轨的变形，进而影响到车辆的受流。在检查维护时，必须打开防护罩才能观察到接触轨机械连接和电气接续部件的状态。（三）侧接触式侧接触式接触轨类似于上接触式接触轨，都是安装在瓷绝缘子的上部，主要区别是接触轨外形不同，对着车辆受流器的侧立面较为平直。主要优缺点也与上部受流方式基本相同。与上述两种受流方式相比，侧面受流方式有两个较突出的优点：一是接触轨的终端弯头向侧面外弯，不占下部空间，离积雪较远，也不占上部空间，容易处理与车体的距离关系；在线间距较宽的道岔区，它可以顺道岔导曲线延伸，缩短道岔区的无电区长度。二是它所受到的受流器侧向压力较为稳定的，不会因为受流器脱轨而对接触轨和支架产生过大的侧向推力，运行更加安全可靠。侧接触式接触轨主要在德国、英国等少数国家采用，我国目前没有运营经验和车辆受流器的生产运用经验。重庆城市交通单轨线路准备采用的侧面受流刚性接触网与侧接触式接触轨不是同一概念，这种侧面受流刚性接触网型式自日本引进，电压采用DC1500V。图19是单轨铁路侧面受流刚性接触网的示意图。图19 单轨铁路侧面受流刚性接触网示意图二、导电（接触）轨使用的材料常用的导电（接触）轨材料分为低碳钢和不锈钢铝合金复合材料2种类型，其形状见下图。图20 低碳钢接触轨与不锈钢铝合金复合接触轨（1）低碳钢接触轨。北京地铁的上接触式接触轨使用我国自行生产的JU-52型渗铝低碳钢接触轨（钢号为0.5Al），单位重量51.36 /m，单位长度电阻为1.9110-5 /m (+15)，标准制造轨长12.5m的接触轨在隧道外焊接成5075m长度的轨节（在隧道内轨节长度可以加倍），轨节之间做成轨缝式膨胀接头，构造简单，维护简便，运行30年来上表面仅磨耗35mm，约占接触轨截面的6%，运行反映良好。（2）不锈钢铝合金复合接触轨，简称“钢铝复合接触轨”或“复合接触轨”。由于低碳钢接触轨电阻率高，压降大，20世纪70年代以来，国外开始研究导电性能优越的铜接触轨和使用耐磨性好的钢材与导电性好的铝合金材料构成复合接触轨来取代低碳钢接触轨。由于铜接触轨的使用受到了成本和资源的限制，因此，成本相对低廉，资源相对充裕的钢铝复合接触轨得到了较广泛的应用。复合接触轨采用6mm厚的高硬度不锈钢带与铝合金轨体压合。目前采用这种复合接触轨的城市有巴塞罗那、旧金山、底特律、温哥华、多伦多、曼谷、哥本哈根等城市。以载流量3,500A的复合接触轨为例，单位重量11.16/m；复合接触轨截面积约3,705mm2（其中，铝合金轨体截面积3,485mm2，不锈钢截面积220mm2）；单位长度电阻0.9110-5 /m (+20)；标准轨长可为9m或10m，通过专用鱼尾板连接成120m的轨节，轨节之间用专用膨胀接头连接。据报道，温哥华地铁使用的钢铝复合接触轨在运行5年后实测平均磨耗0.04mm/年，据此推算的使用寿命约为4050年。与低碳钢接触轨相比，钢铝复合接触轨具有下列优势：重量轻、截面小、易于施工安装；电阻值低、电压降及牵引网电能损耗可呈比例有所下降；接触面光滑、耐磨耗，可减少由于受流器与接触轨之间的不平顺产生的电弧。但是，钢铝复合接触轨除了自身造价高于低碳钢接触轨外，还要求每一轨间用螺栓连接的接头缝隙不大于0.1mm，这是很高的安装精度，对施工和管理提出了较高的要求；另外，如果采用有机聚合材料的绝缘子，则需要根据运用情况考虑材料的抗污秽、抗漏电痕迹和抗老化等性能的要求。三、使用电压等级及运用的特点（一）使用电压等级1920年起，第三轨就成为了一种标准的可封闭城市轨道交通线路的直流供电制式。一般认为，由于带电的第三轨安装的位置距离地面较低，限于安全的原因，使用电压等级以DC750V为限。但是，随着经济的发展，国外一些城市既有的城际间或城乡间的城市轨道交通线路为了提高列车运行速度，同时还降低改造成本，将第三轨电压提高到了DC1,0001,200V，如英国的Manchester（曼彻斯特）Bern（伯尔尼）线、美国旧金山的(海湾区快轨)线、德国的汉堡的市郊线，等等。也正由于此，在检索到的国外资料上，提到第三轨使用电压等级的强制极限为DC1,200V（a live rail imposes a maximum of about 1200V），并指出这是受到带电轨周围所具有的，可能对人身或运营安全造成影响的狭小空间的限制。唯一没有遵循上述限制的是西班牙巴塞罗纳的地铁一号线。1928年建造的该线路采用了西班牙特有的宽轨标准（1668mm），第三轨DC1,500V供电。但是到了2003年（有消息说还要早），该线路也将第三轨改成了（刚性）架空接触网供电。图21是2003年9月由Durvaux hristophe拍摄的改造后重新通车的巴塞罗纳地铁一号线的车站照片。 图21 改造后重新通车的巴塞罗纳地铁一号线的车站另外，高峰小时单向最大断面客流量在2万人次左右的日本的新交通系统（New Transportation System），又称AGT系统（Advanced Ground Transit，或 Automated Guideway Transit），在欧美还被称作“APM（Automated People Mover）”的城市交通系统也采用侧接触式接触轨，四轨回流（橡胶轮走行形式），三轨供电电压为DC1500V（欧美为DC750V），由Mitsubishi公司生产（欧美为Bombardier公司生产），最高速度为80km/h左右，用于旅游观光、购物、机场等场所的专线短途快捷旅客运输，近期北京首都国际机场内的专线短途快捷旅客运输准备采用这种形式的线路（一期工程线路全长5km，3个车站，1个维修段）。图22是日本新交通系统YURIKAMOME线的照片。图22 日本新交通系统YURIKAMOME线（二）运用的特点目前，第三轨系统结构简单，使用寿命长，在安装、维护上的费用和工作量要低于架空接触网（相同电压下），受天气的影响也小得多（除了上接触式外），并且能够较好地适应小尺寸隧道。另外，还有一个有争论的优点在于对视觉的影响上，一些人认为接触网暴露在地面上的部分影响了城市景观。由于第三轨系统距地面很近，无法做到全方位的人员接近防护是一个主要的缺点。电力操作规程所规定的断电标志（打开断路器，有明显的断路点，挂地线）在第三轨系统实行存在困难，对日常维护或紧急情况下的旅客疏散造成困难。也正是由于距地面很近的原因，设备在国内还存在易窃易损的可能。另外，第三轨系统在运行轨道岔处必须留出间隙，在某些环境下会出现列车中断运行的情况，需要使用跳线电缆临时搭接或其他列车救援。再者，由于直流电场的吸附作用和距地面很近的原因，第三轨系统中的绝缘器件容易被污染，加之自然风和雨水无法对绝缘器件产生自洁作用，需要经常清扫，否则极易发生绝缘闪络事故，影响行车。由于接触轨的不连续性，受流器在滑入接触轨时会受到冲击，当列车速度过高时，冲击力较大，严重时会损坏受流器，因此，采用接触轨受流方式时列车的最高运行速度较低。根据英国的研究，采用第三轨的列车运行极限速度为160km/h。在国内，采用第三轨的北京地铁列车运行极限速度为90km/h。接触轨系统的结构简单，刚性固定、维护工作量小，故障率低，最常见故障为支持绝缘子污秽、裂纹或损坏，无需配备专用的接触轨系统抢修机械。由于接触轨系统的零部件种类少，作业面也低，因此，抢修作业程序也较为简单，通常是停电后，在确定损坏的绝缘子位置后，即可进行更换。第二节 架空线接触网供电方式二次世界大战前，架空的电气化线路设计开始使用。第一条从伦敦利物浦大街到圣菲尔德的线路全部完工于1948年，采用DC1,500V电压。随后的七十年代开始，DC1500V架空接触网占了新建城市轨道交通的70%以上，而采用接触轨的城市轨道交通不足30%，这种情况可以从当时的工业发展状况分析出来。在早期的城市轨道交通中，供电系统的整流设备大多数采用水银整流器，其反向冲击电压水平仅能满足750V电压的要求，初期的电力半导体器件也很难达到1500V电压的要求。到了七十年代，高电压的电力半导体器件制造技术已经成熟，这样就为采用1500V电压等级创造了条件。同样，架空接触网也是受到机械工业的影响，早期的发展受到一定程度的制约，此时接触轨由于安装相对简单、实用、易于实现而被许多国家采用。随着技术的不断进步，接触网从设备的安全可靠、降低造价到易安装、易维护、少故障等方面都有了本质上的飞跃，九十年代以后包括我国在内的很多国家和地区纷纷提出了针对架空接触网的“少维修，无维修”的口号，加上其相对接触轨而言在人身安全方面的优越条件，后期修建的地下铁道多数采用了DC1500V架空接触网方式。柔性架空接触网受流方式在干线电气化铁路工程中得到了广泛的应用，根据其结构的不同，分为有承力索的链形悬挂和无承力索的简单悬挂。链形悬挂的接触导线通过吊弦悬挂在承力索上，在某一特定温度下，接触导线处于无驰度状态，整个跨距的接触导线至轨面保持相等的高度，这种悬挂方式基本上消除了接触导线的硬点，可以满足列车较高运行速度的要求。一、悬挂类型可适用于隧道内外的场合的架空式接触网的悬挂类型大致可分为两大类:简单悬挂方式和链形悬挂方式。简单悬挂类型的接触网结构简单，导线的弹性均匀性较差，弓网关系不易匹配，不适用于较高速度行车，因此在城市轨道交通中的车辆段场合使用较多。在正线上，则多使用接触网结构复杂，导线弹性均匀性较好，弓网关系匹配也较好，可适用于较高速度行车的链形悬挂接网，但其结构占用的空间较大，在隧道内使用时需要增加一定的土建工程量（其结构高度根据隧道结构的不同大约是在235mm到375mm之间）。图23给出了简单悬挂方式接触网示意图，图24则给出了链形悬挂方式在隧道内外的实际悬挂示意图。对于DC1500V供电方式来说，接触网系统在正线股道上一般需要采用双接触线，单或双承力索，04根辅助馈线，1根架空地线，会导致结构粗重，外观繁杂。图23 简单悬挂接触网示意图正线柔性全补偿链形悬挂接触网在技术上是成熟的，经济上是相对合理的，目前还没有更理想的形式来取代。在车辆段，由于车辆轻载、低速，车场线一般都采用简单悬挂接触网；车辆段出、入段线和试车线等有特殊要求的线路，一般采用适当组合的链形悬挂接触网。图24 链形悬挂方式在隧道内外的实际悬挂示意图在隧道中，为了进一步降低隧道的工程造价，充分利用隧道顶部的空间，许多城市在隧道内的接触网悬挂方式上还采用了结构占用空间较小的弹性支座有补偿简单悬挂（国外公司的专利技术）和刚性悬挂方式。图25给出了隧道内的弹性支座有补偿简单悬挂和刚性悬挂方式示意图。图25 隧道内的弹性支座有补偿简单悬挂和刚性悬挂方式这两种悬挂方式中，值得一提得是刚性悬挂方式。由于刚性悬挂方式相当于安置在隧道顶部的接触轨，因此，刚性悬挂方式同时具有接触轨和接触网所具有的优点，在上个世纪70年代后期被许多国外的城市所采用。图26就是国内外的城市在城市轨道交通中使用的刚性接触网的类型。图26 国内外城市常见的的刚性接触网类型刚性悬挂方式虽然无断线的顾虑，但增加了悬挂点，并且对列车运行速度产生了一定影响。根据国外的研究，使用刚性悬挂的列车运行速度可达到120140km/h，与接触轨的允许运行速度相当。1.弹性支座有补偿简单悬挂接触网弹性支座有补偿简单悬挂接触网受流质量良好，与链形悬挂比，净空要求低、占用空间小、下锚简单，但载流要求是靠馈线通过电缆与接触线相连满足的，跨距小、造价高。弹性支座悬挂装置价格明显高于其它悬挂形式，而且使用寿命不超过15年，每次大量更换既费时又费力费钱，还容易对正常运营造成不利影响。国产弹性支座虽然已经试运行成功，但长期运行经验不足，价格也很高。2.架空刚性悬挂接触网刚性悬挂接触网结构相当于“架空第三轨”。主要部件“汇流排”的制造难度低于钢铝复合接触轨。刚性悬挂接触网经过十几个国家40多条地铁的运营，在设计上的不断改进，目前已经臻于完善。刚性悬挂试验段在广州地铁1号线运行近3年，广州地铁2号线三元里至琶洲段已经正式开通使用，受流质量较好。刚性悬挂的国产化率可达到96%以上，工程造价低于柔性悬挂接触网，在隧道内使用仍能保证较宽的受电弓所需要的空气绝缘间隙，长隧道区间不需要预留接触网下锚空间，汇流排载流截面大、温升小，没有事故断线之虞，不需要辅助馈线，结构稳定可靠，零件种类少，维护简单易行。所以，尽管刚性悬挂在我国使用时间不长，运营经验不多，在制造、施工、设计等方面都还有值得改进之处，但其总体优势得到了业界的肯定，正在许多新建城市轨道交通项目中得到推广，目前开通的南京地铁1号线也在隧道中采用了刚性悬挂方式。图27就是南京地铁1号线的刚性接触网。 图27 南京地铁1号线的刚性悬挂接触网隧道内刚性接触网和隧道外柔性接触网的衔接需要通过专门设计的过渡装置来实现过渡。图28就是广州地铁1号线隧道内刚性接触网与隧道外柔性接触网的过渡段。图28 广州地铁1号线刚性与柔性接触网的过渡段二、运用的特点柔性架空接触网授流方式由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱（含基础）组成。接触悬挂的接触导线采用高导电率的铜或铜银合金制成（链形悬挂的承力索采用硬铜绞线）；支持装置采用旋转腕臂或软、硬横跨结构（隧道区段为减小隧道净空采用弓形腕臂或弹性支座结构）；装置在车辆上的受电弓与接触导线接触受电，为车辆提供动力。柔性架空接触网适合列车高速运行。在法国，使用简单悬挂接触网的列车最高试验速度达到160km/h，链形悬挂时列车的最高试验速度达到500km/h；我国在秦沈客运专线上，使用链形悬挂时列车最高试验速度达到321km/h，在天津滨海线上，使用链形悬挂的城市轨道交通列车最高试验速度也达到了115km/h。同时，由于带电部分高出运行轨面4米以上，安全性好，并且可以按照电力操作规程的规定，确保有明显断电标志（降下车辆的受电弓，与带电的接触网脱离），便于紧急情况下的处置。另外，由于在高空架设，自然风和雨水能够对绝缘子产生自洁作用，相对减少了绝缘子的清洁工作量。但是，柔性架空接触网结构复杂，零部件多，且有断线之虞；接触线磨耗快，换线周期短；在隧道内，张力补偿下锚要求高，在地面或高架桥上会对城市景观造成一定影响。柔性简单链形架空接触网的接触导线和承力索均带张力，接触网发生短路故障时存在断线隐患，其支持部件除承受各类线索的垂直荷载外，还要承受线索张力引起的各类水平荷载及断线冲击荷载，部件发生故障的几率相对较大。一旦发生断线事故，影响范围较大，同时由于检修作业为高空作业，需要的人员多，抢修和恢复比较困难，需要专用检修设备，中断运营时间较长。刚性架空接触网与接触轨一样具有结构简单、事故影响范围小、运营维护工作量小等优点，但由于其作业面较高，运营维护仍须配备专用的维护检修车辆。第三节 两种供电方式的比较表22是一些资料是对DC750V，接触轨（第三轨）供电方式和DC1500V，架空接触网供电方式比较的汇总。表22 各种接触网特点对比表供电电压DC750V/1500VDC1500V接触网类型接触轨（钢铝复合接触轨）架空接触网接触/悬挂方式上接触下接触侧接触刚性柔性旋转腕臂链形悬挂弹性底座简单悬挂适合安装位置地下、地面、高架桥面的钢轨侧面地下钢轨上方隧道顶部地下钢轨上方隧道顶部，地面、桥面钢轨上方支柱等支持结构车辆受电方式集电靴受电弓允许速度/kmh电安全性高高高高高高供电可靠度高高高高高高正常情况下的全方位人身防护实施难度相当大