桂 兵

(廣州市地下鐵道設(shè)計研究院,510010,廣州∥工程師)

隨著國土開發(fā),經(jīng)濟發(fā)達的長三角、珠三角地區(qū)的城鎮(zhèn)化進展加快,北京、上海、廣州等一些特大城市發(fā)展了許多衛(wèi)星城鎮(zhèn),正在逐步形成由城市群組成的大都市圈。城市化的推進以及我國人民生活水平的不斷提高,使出行大量增加。特別是城市市郊及周邊地區(qū),將有更多的客流進出城市;加上工作在城區(qū)、居住在市郊的新生活方式不斷擴展,以中心城市為核心的城市輻射圈將逐步形成或強化,城市客運交通量將猛增。中心城和衛(wèi)星城之間交通的緊張,制約著城市發(fā)展。僅依靠公路運輸已不適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的需要,必須建立能承受大運量的快速軌道交通走廊。而盡快發(fā)展市郊旅客列車運輸系統(tǒng)則是首選。因此,建設(shè)城市軌道交通的市郊列車線路刻不容緩。

本文根據(jù)城市軌道交通列車的特點和運量,通過對接觸網(wǎng)條件的適應(yīng)性、接觸網(wǎng)技術(shù)成熟程度、運營和維修成本、環(huán)境的影響、工程造價等多方面進行分析、比較,推薦市郊列車牽引供電接觸網(wǎng)采用架空接觸網(wǎng)方案。

1 城市軌道交通供電接觸網(wǎng)的類型

牽引供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網(wǎng)和回流線等構(gòu)成的供電網(wǎng)絡(luò)。接觸網(wǎng)分為架空式接觸網(wǎng)和接觸軌(以下簡稱第三軌)式接觸網(wǎng)。為了保證對電動車組良好的供電,接觸網(wǎng)應(yīng)順直平滑、高度一致,在高速行車中能始終保持正常穩(wěn)定的接觸受流;接觸網(wǎng)應(yīng)具有足夠的耐磨性與良好的導電性,壽命盡量長,并力求結(jié)構(gòu)簡單,易于施工、維修。

1.1 架空式接觸網(wǎng)

架空式接觸網(wǎng)的懸掛類型大致為三種：簡單懸掛,鏈形懸掛,剛性懸掛。不同的懸掛類型其導線粗細、條數(shù)、張力都是不一樣的。架空線的懸掛方式,要根據(jù)架線區(qū)的列車速度、電流容量等輸送條件以及架設(shè)環(huán)境進行綜合勘察來決定。

1.1.1 簡單懸掛

簡單懸掛方式的結(jié)構(gòu)簡單,支柱高度低,支持裝置承受的負荷較輕,但是弛度大、彈性不均勻。為改善這一狀況,一般在懸掛點處增加一個倒Y形的彈性吊索,稱為彈性簡單懸掛,相應(yīng)改善了懸掛點處的彈性和運行狀況。由于彈性簡單懸掛的建造費用低、施工方便、維修簡單,城市電車或輕軌往往采用這種懸掛方式。地鐵為了減少隧道凈空,采用以彈性支座或弓形腕臂作支持部件的簡單彈性懸掛。

1.1.2 鏈形懸掛

接觸線通過吊弦懸掛到承力索上的懸掛稱為鏈形懸掛。鏈形懸掛承力索懸掛于支柱的支持裝置上,接觸線通過吊弦懸掛在承力索上,使接觸線增加了懸掛點。調(diào)節(jié)吊弦可以使整個跨距內(nèi)接觸線對軌面保持一致高度。由于接觸線是懸掛在承力索上的,因而基本上消除了懸掛點處的硬點,使懸掛線的彈性在整個跨度內(nèi)都比較均勻。顯然,鏈形懸掛比簡單懸掛的性能要好得多,但其結(jié)構(gòu)復雜、投資大、施工維修調(diào)整較為困難。

鏈形懸掛的類型很多,可以按懸掛鏈數(shù)分為單鏈形懸掛、雙鏈形懸掛和多鏈形懸掛。按線索相對于線路中心的位置,又可以分為直鏈形接觸懸掛、半斜鏈形接觸懸掛、斜鏈形接觸懸掛。對城市軌道交通,因其運行速度不太高,列車功率也不太大,一般多采用簡單鏈形懸掛,應(yīng)用速度可達100 km/h以上。

1.1.3 剛性懸掛

剛性懸掛是一種區(qū)別于傳統(tǒng)柔性接觸網(wǎng)的懸掛方式。由于地鐵隧道供電導線上方空間有限,鏈形懸掛一般采用冷拉電解銅接觸線。1962年日本東京營團地鐵日比谷線開通時,考慮發(fā)生斷線事故要有保護措施、洞內(nèi)維修作業(yè)較復雜等問題,以及隧道斷面比第三軌供電要大幅擴大的情況,開發(fā)了地鐵用的新的剛性懸掛方式?，F(xiàn)在通過10多個國家、30多條地鐵的運營,經(jīng)過不斷地改進設(shè)計,剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)已日臻完善,且非?？煽?。如營團地鐵南北線使用的剛性懸掛,是采用鋁合金T型匯流排和鋁夾耳來夾持銅導線。其設(shè)計簡單、施工容易。T型匯流排截流截面大,可減少電阻40%以上,無需輔助饋電線,使得其結(jié)構(gòu)簡單緊湊,節(jié)省了隧道凈空,節(jié)省了投資;導電銅線不受張力,應(yīng)用可靠,耐磨性好;接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件少,大大降低了維護成本。

1.2 第三軌接觸網(wǎng)

第三軌接觸網(wǎng)是沿軌道線路敷設(shè)的附加接觸軌,從電動列車轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過滑靴與第三軌接觸而取得電能。接觸軌可以有三種方式,即上接觸式、下接觸式和側(cè)接觸式。

1.2.1 上接觸式

第三軌安裝在絕緣子組件上,由接觸軌、絕緣子、第三軌夾板、防護支架、防護板、端部第三軌彎頭、防爬器等構(gòu)件組成。受流器滑靴從上壓向接觸軌軌頭頂面受流。受流器的接觸力是由下作用彈簧的壓力調(diào)節(jié)的,其受流平穩(wěn),由于端部彎頭的過渡作用,能夠減少在斷電區(qū)的電流沖擊。

上接觸式第三軌的施工作業(yè)簡便,可以在軌頭上部通過支架安裝不同類型的防護板。北京地鐵、紐約地鐵都是采用上接觸式第三軌。

1.2.2 下接觸式

下接觸式第三軌的軌頭朝下,通過絕緣肩架、橡膠墊、扣板收緊螺栓、支架等安裝在底座上。下接觸式的優(yōu)點是防護罩從上部通過橡膠墊直接固定在接觸軌周圍,對人員安全性好。莫斯科地鐵就采用這種方式,利于防止下雪和冰凍造成集電困難。但是,這種方式的安裝結(jié)構(gòu)較復雜,費用較高。廣州地鐵4、5、6號線均是采用該形式。

1.2.3 側(cè)面接觸式

側(cè)面接觸式就是接觸軌的軌頭端面朝向走行軌,集電靴從側(cè)面受流?？缱姜氒壾囕v就采用側(cè)面接觸形式。其受流器裝在轉(zhuǎn)向架下部,接觸軌裝在軌道梁上。

1.2.4 第三軌材料的進步

第三軌用導電率較高的材料制成(國內(nèi)一般使用的材料為05AL)。近幾年來,隨著復合材料的發(fā)展,由不銹鋼與鋁合金通過機械方法或冶金結(jié)合方法加工而成的鋼鋁復合接觸軌已取代低碳鋼接觸軌,被世界上60多個城市所采用。鋼鋁復合軌與低碳鋼接觸軌相比具有以下優(yōu)勢：

1)電導率高,電壓降及牽引能耗成比例下降,因此可加大供電距離約1.4倍,并可適當減少牽引變電站的數(shù)目。雖然目前鋼鋁導電軌還只能進口,成本比鐵軌要貴3倍,但是節(jié)省下來的牽引變電站投資與接觸軌增加的費用基本相抵;而且由于線路損耗降低,按20 km長的線路計,僅靠節(jié)電一項,5年可收回多投的資金。

2)不銹鋼的接觸面光滑,耐腐蝕,耐磨耗,可延長接觸軌與受流器的壽命。

3)質(zhì)量輕,便于施工安裝。

正因為鋼鋁復合軌有以上優(yōu)勢,新上項目采用鋼鋁復合軌已成為趨勢。我國采用第三軌接觸網(wǎng)的城市軌道交通新建項目均采用鋼鋁復合軌方式。

2 不同接觸網(wǎng)類型的特點比較

2.1 安全性

無論架空式接觸網(wǎng)還是第三軌接觸網(wǎng),其安全性都是無容置疑的。從發(fā)生觸電事故看,兩種類型都有且主要發(fā)生在車輛運用維修與電網(wǎng)維護人員身上。從地面交通的角度來看,在市區(qū)平交運行的有軌電車或輕軌車宜采用架空接觸網(wǎng);牽引網(wǎng)電壓等級較高時,為了安全和保證一定的絕緣距離,也宜采用架空接觸網(wǎng)。而封閉運行的城市鐵路或輕軌采用架空接觸網(wǎng)或第三軌接觸網(wǎng)都完全能保證安全;但在發(fā)生事故疏散乘客時,架空接觸網(wǎng)將給人們更多的安全感。

2.2 經(jīng)濟性

從維修的角度來看,架空接觸網(wǎng)要定期進行檢查維護。隧道內(nèi)維修作業(yè)需要專用的接觸網(wǎng)檢查車,其維修周期短、費用高、備品備件需要量大。第三軌接觸網(wǎng)維護簡單。從北京地鐵運營30年的實踐來看,由于第三軌與受電靴接觸面大,因此第三軌的磨耗極小。據(jù)粗略的調(diào)查,北京地鐵運行30年,第三軌的上端面磨耗只有約4～5 mm,基本上可以做到無維修或少維修,因而也就相應(yīng)減少了維修費用。此外,其受流器結(jié)構(gòu)簡單,維修方便。各國的受流器滑靴基本上都采用黑色金屬,其成本較低。由于歷史原因,北京地鐵受流器滑靴是采用銅基材料,現(xiàn)正在試驗鐵質(zhì)滑靴,推廣后會進一步降低耗材成本。

2.3 城市環(huán)境的適應(yīng)性

架空接觸網(wǎng)需要架設(shè)支柱,支持懸掛接觸網(wǎng)要安裝腕臂或橫跨。橫跨由金屬桁架或橫向承力索、上下定位繩等組成。在城市中密布支架和架空線網(wǎng),會影響市容,有礙觀瞻(當然通過巧妙的規(guī)劃設(shè)計也可以減少不利影響)。而第三軌受電,接觸軌位置低,沒有明顯的高大部件(如立柱、橫向承力索、金屬桁架等),故城市景觀好,對電磁污染也較易采取防護措施。這也是國內(nèi)外某些城市軌道交通采用第三軌受電方式的原因之一。從兩大類接觸網(wǎng)的應(yīng)用比例來看,目前地鐵采用第三軌受電的城市仍比采用架空接觸網(wǎng)的多。但是隨著城市規(guī)模的擴大及技術(shù)的發(fā)展,采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)的呈上升趨勢,且已有DC 3 000 V架空接觸網(wǎng)出現(xiàn)。

2.4 速度水平

在適應(yīng)速度上,架空接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛可實現(xiàn)200 km/h的高速運行,彈性簡單懸掛適應(yīng)速度可達120 km/h,剛性懸掛已實現(xiàn)了160 km/h的試驗速度。第三軌受電一般只用于速度在100 km/h以下的線路,只有美國舊金山的BART(海灣區(qū)快軌)最高速度達128 km/h(其供電電壓為DC 1 000 V)。

3 選擇接觸網(wǎng)類型時應(yīng)注意的幾個關(guān)系

城市軌道交通選擇接觸網(wǎng)類型,其關(guān)鍵是必須與城市的既有現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合,統(tǒng)籌兼顧,堅持經(jīng)濟上合理、技術(shù)上先進,適應(yīng)本城市現(xiàn)狀特點與發(fā)展規(guī)劃前景。

3.1 適應(yīng)城市現(xiàn)狀與發(fā)展前景的關(guān)系

每個城市都有自己的歷史特征。在城市發(fā)展的同時,如何保持文化遺產(chǎn)和歷史風貌,已日益受到人們的重視。因此,象北京這樣的古都,城市圈內(nèi)應(yīng)盡量修建地鐵。北京的城市軌道交通采用第三軌接觸網(wǎng),一方面可避免軌道上空紛紜的線網(wǎng),與保持整個城市的歷史風貌相協(xié)調(diào),另一方面可與原地鐵系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。一個城市在建設(shè)地鐵或輕軌時采用何種接觸網(wǎng)類型,往往受到已建線路的影響。歐洲、北美地鐵發(fā)展較早的城市,如倫敦、巴黎、紐約等都采用了第三軌受電系統(tǒng),其后就基本上沿用了該方式。北京地鐵也是如此。廣州地鐵1號線采用了架空接觸網(wǎng),后續(xù)2、3號線路也就延續(xù)了DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)的形式。這不僅在系統(tǒng)的一致性、擴展性、運營維護方面有實際意義,也易于備品、備件的替換。當然,隨著城市規(guī)模的擴大,因線路不同而采用兩種類型接觸網(wǎng)的情況也不少。如天津地鐵雖然采用第三軌受流的DC 750 V制式,但建設(shè)濱海快速軌道交通時,因站距大(最長達6 km)、線路長、車速較高,就采用了 DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)。從北京市的軌道交通發(fā)展來看,盡管目前規(guī)劃中的線路都延續(xù)了第三軌接觸網(wǎng),但中期規(guī)劃的有些線路是穿越市區(qū)到城市邊緣區(qū)的,其線路長、站間距大,且以地面線與高架橋為多,故采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)更為適宜。

3.2 成熟技術(shù)與前瞻性技術(shù)的關(guān)系

地鐵建設(shè)一定要選擇成熟可靠的技術(shù),但也要有一定的前瞻性,盡量采用先進技術(shù)。柔性懸掛接觸網(wǎng)與第三軌接觸網(wǎng)用于城市軌道交通已有多年的歷史,在我國也屬于成熟技術(shù),均能滿足行車要求。新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)使兩大類型接觸網(wǎng)都有了新的進步。剛性懸掛應(yīng)用于地鐵隧道,不僅可減小隧道凈空,而且其匯流排載流面積大,接觸線耐磨性好,壽命長;因無張力架設(shè),不會發(fā)生斷線事故,其可靠性優(yōu)于柔性懸掛,減少了維修工作量。鋼鋁復合軌用作第三軌,改善了第三軌受流形式的技術(shù)性能,擴大了第三軌受流方式的應(yīng)用范圍與前景。

3.3 減少工程投資與長遠運營效益的關(guān)系

據(jù)某些資料分析,采用第三軌受電比采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)總投資要高。然而,架空接觸網(wǎng)特別是柔性懸掛,在系統(tǒng)運營維護方面,存在檢修周期短、維修費用高的缺點。對運輸密度大、行車間隔小的城市軌道交通而言,在夜間很短的停運時間內(nèi)進行定期檢修是比較困難的。維修工作的不均衡會造成勞動力組織的困難與浪費。因此,城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的無維修化具有非常重要的意義。從這一點出發(fā),鋼鋁復合軌與剛性懸掛技術(shù)對地鐵來說具有良好發(fā)展的潛質(zhì)。雖然其一次投資費用稍高,但維護材料與人工費節(jié)約的長遠效益是顯而易見的。

4 結(jié)語

綜上所述,無論架空接觸網(wǎng)還是第三軌接觸網(wǎng),是柔性懸掛還是剛性懸掛,都因其不同的特點而應(yīng)用于不同的城市軌道交通線路,都是可行的牽引接觸網(wǎng)形式,在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中仍在不斷地發(fā)展,不存在孰優(yōu)孰劣的問題。然而,由于我國建設(shè)城市軌道交通的都是大城市,市郊列車擔負城市向外輻射和保護舊城、開發(fā)新城區(qū)的戰(zhàn)略意圖越來越突出,站在這個角度并從技術(shù)經(jīng)濟上進行分析比較,市郊列車系統(tǒng)推薦采用架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)。

[1]廣州市地下鐵道總公司.廣州市軌道交通線網(wǎng)主變設(shè)置及供電方式專題研究(最終報告)[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司,2004.

[2]何其光.對城市軌道交通牽引供電授流制式選擇的建議[J].城市軌道交通研究,2007(8)：6.