城市轨道交通架空接触网技术发展与展望

城市轨道交通架空接触网技术发展与展望

自20世纪90年代以来，随着上海、广州等城市地铁和轻轨工程的建设，城市轨道交通的高架接触网系统也取得了很大的发展。目前,在大连、鞍山等城市运行的有轨电车采用了架空接触网的受电方式,而城市地铁如北京、天津等则采用了第三轨形式的受流方式。一般来说,架空接触网适用的供电电压制式从直流660V,750V、1500V、3000V等到交流15kV和25kV均有应用,第三轨受电方式则主要用于直流750V系统,世界上用于直流1500V系统的第三轨系统只有埃及的开罗和西班牙的巴塞罗那地铁。对城市轨道交通而言,IEC推荐采用的电压制式主要也是1500V和750V2种。在这2种供电系统,目前应用架空接触网的线路约为应用第三轨线路的1.25倍。在直流1500V供电系统,架空接触网较第三轨受电方式的优势非常明显。上海地铁一号线和广州地铁一号线在选择接触网的形式时都采用了架空接触网。1微结构式接触网悬挂系统自1993年上海地铁一号线投入运营至今,我国城市轨道交通架空接触网的发展经历了从引进、消化吸收到自行开发的过程。依托国家干线柔性架空接触网的丰富经验和成果,结合城市轨道交通架空接触网的特点,在直流1500V系统,逐步形成了国产化程度高、技术上先进的柔性接触网和刚性接触网两大悬挂类型。其中架空柔性接触网又分为简单悬挂类型和简单链形悬挂类型。从我国拥有地下铁道的城市来看,在直流1500V供电系统,逐步形成了以上海地铁一、二号线为代表的简单悬挂形式(弹性支座形式)、以广州地铁一号线和香港机场线为代表的简单链形悬挂类型(弓形腕臂形式)和以广州地铁二号线及刚性悬挂试验段、示范段为代表的刚性悬挂类型(Ⅱ型悬挂结构)。这3种悬挂形式挂网的公里数比例大致为2.5:3.0:1。这3种悬挂形式,无论从技术性能、弓网受流关系等方面,都是可行的接触网悬挂类型。表1为我国城市轨道交通架空接触网的基本概况。2接触网安装基本要求一般地,城市轨道交通根据运量可分为地铁和轻轨,地铁的运量大(高峰载客量在3万人/h以上)、行车密度高,线路大都位于地下;轻轨的运量较小(高峰载客量在3万人/h以下)、行车密度较小,线路大都位于地面或高架桥。从满足列车需要的电流和电压的角度,地铁要求接触网的总载流截面要大于轻轨;从满足不同工程结构形式的安装要求方面,架空接触网均应能够实现在不同区段安装。城市轨道交通对架空接触网提出了如下的基本要求。(1)受流要求。无论是常速(vmax=80km/h),还是快速(vmax=120km/h)行车,接触网均应满足电动车组受电弓稳定受流的要求,其悬挂结构简单合理。(2)安装要求。接触网系统应满足在不同工程区段安装的要求,尤其是满足地下低净空隧道的安装要求。(3)工程适应性要求。长大区间隧道、人防门、防淹门等设施处,接触网应具备良好的工程适应性。如上海黄浦江和广州珠江,都有这方面的要求。(4)美观性要求。接触网系统在保证可靠性的前提下,应充分兼顾与城市景观相协调的要求。33不同接触网悬挂形式的优缺点在表1中的工程项目,除广州地铁三号线最高行车速度达到120km/h外,其余均为80km/h。可以看出,在高架桥和地面段,一般采用简单链形悬挂形式,支持结构采用钢柱或混凝土支柱和旋转腕臂,在停车场或车辆段一般采用补偿简单悬挂,支持结构采用支柱、软横跨或硬横跨等。在地下区段,分别采用了弹性支座形式的简单悬挂、弓形腕臂形式的简单链形悬挂和架空“Ⅱ”型刚性悬挂。简单链形悬挂和补偿简单悬挂与我国干线铁路接触网在悬挂形式、支持结构、零部件、设备等方面相一致或相似。由于城市地铁地下隧道的净空远小于干线电气化铁路的净空,城市轨道交通接触网的悬挂形式和安装要求和干线铁路有较大的差异。3种地下区段典型的悬挂类型是经过上海地铁、广州地铁的建设逐步从国外引进的架空接触网形式。弹性简单悬挂以德国SIEMENS公司的专利产品弹性支座作为关键支持部件,弓形腕臂形式的简单链形悬挂以英国BB公司的弓形腕臂作为关键支持部件,这2种悬挂形式均属于柔性接触网范畴。而“Ⅱ”型刚性悬挂则以整体结构形式的“Ⅱ”型汇流排和接触线形成刚体受流,属于刚性接触网范畴。随着上海轨道交通杨浦线、广州地铁三号线等线的相继建设,在地下区段选用何种接触网悬挂类型,需要在技术经济方面比较分析3种悬挂形式的优缺点。(1)在受流方面,弹性简单悬挂的接触线通过具有弹性的支持装置,即弹性支座来悬挂和定位,受电弓运行通过时,接触网依靠良好的弹性有效地改善了弓网间的受流。简单链形悬挂通过承力索悬吊接触线来改善接触网的弹性,使得受电弓能够平稳取流。架空刚性悬挂采取接触线安装于刚体汇流排的方式,汇流排和接触线的稳定性得以提高,有利于受电弓正常取流。无论是适应常速还是快速行车,3种悬挂形式均能够实现。(2)在悬挂结构方面,弹性简单悬挂和简单链形悬挂较简单,但需增加辅助馈电线的悬挂数量,如广州地铁一号线有3根馈电线,上海地铁一号线有2根馈电线。相比之下,刚性悬挂汇流排的载流截面大,无须辅助馈电线,使得其结构简单紧凑,在节省隧道净空的能力方面,以刚性悬挂和弹性简单悬挂最为便利。(3)在可靠性方面,根据国外有关资料,刚性悬挂的运行可靠性优于柔性悬挂,主要是因为汇流排和接触线无张力架设,且不会发生钻弓的事故。但弹性简单悬挂和简单链形悬挂的可靠性完全能够保证行车的安全要求。(4)在对土建工程的影响方面,由于刚性悬挂无张力架设,无须补偿装置,不会引起隧道承载体的局部开挖等。柔性悬挂在通过长大区间隧道时,须预留下锚安装空间或采用非重力式补偿,工程难度增加。(5)在系统运营维护方面,柔性悬挂的维护经验丰富,但维修周期短,引起的费用相对略高;刚性悬挂国内尚无成熟的运营维护经验,但其维护周期较长,费用相对较小。(6)在国产化方面,国产化程度不尽相同。弹性支座涉及德国专利技术,依靠引进,目前尚无成熟的国产化产品,因此其国产化程度较低。架空刚性悬挂经过广州地铁示范段和试验段的建设,基本上实现了关键零部件的国产化。简单链形悬挂的国产化也基本完成。(7)在工程投资方面,由于受零部件国产化程度的影响、对土建工程投资的影响以及维护费用等原因,按同比价格计算,弹性简单悬挂系统和简单链形悬挂系统的单位条公里造价分别是刚性悬挂的2倍和1.4倍。刚性悬挂在工程经济性方面优于柔性悬挂。以上仅从技术和经济的角度对3种悬挂形式进行了简略的比较。此外,3种悬挂在设计手段、经验和施工工艺、工器具等方面,柔性悬挂相对成熟,对刚性悬挂要求施工工艺严格,精度高。由此可见,3种悬挂形式各有优缺点。值得指出的是,不同的接触网悬挂类型还必须考虑相互间的兼容性。柔性悬挂完全兼容,刚性悬挂和柔性悬挂之间则须通过刚柔过渡措施实现兼容。4接触网悬挂在城市轨道系统的设计方面的发展,学校地铁目前,我国城市轨道交通的建设进入一个新的发展阶段,除表1中列出正在建设项目之外,其他城市如长春、大连的项目也都采用了架空接触网。在地面和高架区段,柔性悬挂保持了和干线电气化铁路一致的悬挂形式。关键是地下区段,确定和选择技术上先进、经济上合理、能够适合城市轨道交通综合系统的架空接触网系统,不仅涉及到接触网系统本身,还必须和这个城市轨道交通接触网系统的既有现状和发展规划相结合,统筹兼顾,应坚持如下的原则。(1)尊重历史现状和坚持发展的原则。城市轨道交通建设的经验和规律表明,一个城市初期在建设地铁或轻轨时选用何种接触网模式,很大程度上影响了后续线路的建设。如伦敦地铁一开始就采用第三轨受电方式,其后基本上沿用了该方式,类似的还有我国的北京、天津地铁等。上海和广州地铁建设均采用了架空接触网,上海地铁二号线建设沿用了地铁一号线的悬挂形式。而广州地铁从二号线建设开始则采用了不同于一号线的刚性悬挂形式。就是说,一条新线选择接触网的悬挂类型时,一方面要尊重既有接触网系统的现状,这不仅在系统的一致性、扩展性、运营维护方面有实际的意义,而且也易于备品备件的替换;另一方面,随着接触网技术的发展,更应从发展的角度采用适于一个城市轨道交通系统的接触网悬挂类型。(2)技术先进成熟和高可靠性原则。接触网系统是保证电动车组安全运行且无备用的机电设备。3种悬挂类型在技术都是成熟的,其可靠性都能满足行车需要。在适应速度上,简单链形悬挂完全可实现200km/h的高速运行,弹性简单悬挂适应的速度可达120km/h;刚性悬挂已经实现了最高160km/h的试验速度。接触网对速度的适应是快速城市轨道交通提出的更高要求。(3)接触网系统应该采用国产化程度高的设备。接触网系统设备国产化程度直接影响工程投资,对接触网系统的延展性影响较大。目前柔性悬挂系统除分段绝缘器和弹性支座外,基本实现了国产化。弹性简单悬挂所采用的弹性支座,不仅需要从国外引进,系统的备品备件也依赖于引进,从而增加了外汇支出。这一点对选择和确定接触网悬挂类型有着直接的影响。刚性悬挂引入国内城市轨道交通较晚,但其汇流排等关键部件已经实现了国产化。(4)在满足技术性能要求的基础上,能有效减少工程投资。虽然接触网系统的投资所占城市轨道交通供电系统总投资额的20%左右,但技术经济性比较是选择和确定接触网悬挂类型的关键所在。如果采用进口产品,不仅引起工程投资的加大,