地鐵牽引供電接觸網(wǎng)的變遷與發(fā)展

地鐵牽引供電接觸網(wǎng)的變遷與發(fā)展

1地下接觸網(wǎng)的配置在早期城市路線上，低壓直接的第三次軌線網(wǎng)通常建于1863年開通的倫敦地鐵（cd630v）、1904年開通的紐約地鐵（cd625v）和1935年開通的莫斯科地鐵（cd825v）。采用第三軌的優(yōu)點是為了減少開挖土方,降低凈空和方便維修。隨著電工材料和輸變電技術的發(fā)展,直流牽引輸電電壓逐步增大。提高輸電電壓可以相應地減少輸變電的電能損耗,減少變電站的數(shù)量,降低電力設備費用。因此同一條線路,如果電站配置得當,則1500V電壓與750V相比,前者可以少建一半的變電站且架空網(wǎng)輸電供電設施的費用僅為后者的70%左右,同時相同功率的電動車輛的電器設備的重量與體積也會隨電流的減小而減少。較高的電壓在同等條件下能夠傳輸較高的功率,因而更利于速度的提高。但是,第三軌與地面距離較近,絕緣和安全的難度大,這就限制了電壓的提高,后來修建的地鐵接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)而向架空線(柔性接觸網(wǎng))發(fā)展。1955年開通的羅馬地鐵率先采用了1500V直流架空接觸網(wǎng),1960年以后日本的地鐵也大都采用這種接觸網(wǎng)。我國近十幾年來新上地鐵的城市,如上海、廣州、深圳等也都采用的是直流1500V架空接觸網(wǎng)。地鐵為了減少隧道凈空,近年來多采用以彈性支座或弓形腕臂作支持部件的彈性簡單懸掛。不過架空接觸網(wǎng)與第三軌式接觸網(wǎng)相比,地鐵隧道橫斷面增大,土建費增多;冷拉電解銅接觸線易磨損;接觸網(wǎng)檢測維護比較復雜,需專用的接觸網(wǎng)檢測車且維修周期短、費用高。因此,1962年開通的日本東京營團地鐵日比谷線開發(fā)了一種新的剛體懸掛方式。2t型匯流排載流結(jié)構(gòu)簡單,施工方便剛體懸掛又稱剛性接觸網(wǎng),是一種區(qū)別于傳統(tǒng)柔性接觸網(wǎng)的供電方式。由于地鐵隧道的凈空有限,剛性接觸網(wǎng)是采用絕緣子來懸掛剛體導線,如同把第三軌架到了隧道頂部,省去了柔性懸掛的腕臂或彈性支座,既增大了對地距離,又降低了車輛上方的空間。剛體導線通過匯流排或臺架來夾持,匯流排是用鋁合金拉制成的T型或П型材。如日本東京營團地鐵南北線使用的剛體電車線(見圖1)采用鋁合金T型匯流排和鋁夾耳來夾持銅導線,設計簡單,施工方便;T型匯流排載流截面大,減少電阻40%以上,無須輔助饋電線,因此結(jié)構(gòu)簡單緊湊。П型匯流排(見圖2)是1983年法國巴黎RATPA線首先投入使用的,П型匯流排靠自身夾持接觸線,自重較輕,成本較低,結(jié)構(gòu)更為合理。現(xiàn)在通過十多個國家、三十多條地鐵的運營和設計上的不斷改進,剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)已日臻完善,非常可靠。從適應速度來看,彈性簡單懸掛適應的速度達120km/h,簡單鏈形懸掛可實現(xiàn)200km/h的高速運行;剛性懸掛已實現(xiàn)了160km/h的試驗速度。剛性懸掛需要的隧道凈空小,投資小,而且導電銅線無張力架設,不必設置下錨裝置,也不會發(fā)生斷線事故,再加之零部件少,載流量大,安全可靠,維修工作量小,大大降低了維護成本。剛性懸掛不僅用于地鐵隧道和車輛段修車庫內(nèi)的維修線,也用于電氣化鐵道的隧道。其優(yōu)越性是柔性懸掛難以比擬的,因此日本、韓國、法國、西班牙等國家的城市軌道交通領域從20世紀80年代開始,無論新線建設還是舊線改造,無論低凈空隧道還是高凈空隧道都大量采用架空剛性懸掛,國外城市地鐵應用架空剛性懸掛接觸網(wǎng)里程概況見表1。我國第一條剛性接觸網(wǎng)試驗示范段是1999年6月開始運行的廣州地鐵一號線,其采用П型匯流排并基本實現(xiàn)了關鍵零部件的國產(chǎn)化。廣州地鐵二、三號線、深圳、上海地鐵新線都準備采用剛性懸掛技術,作為一種成熟可靠的接觸網(wǎng)懸掛方式,其在我國城市軌道交通領域有著良好的應用前景。3受流器的受流方式第三軌式接觸網(wǎng)是一種傳統(tǒng)的剛性接觸網(wǎng),沿線路方向敷設,其采用導電率較高的鋼軌制成(國內(nèi)使用的材料為05Al)。從電動客車轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過滑靴與其接觸而取得電能。第三軌式接觸網(wǎng)的電壓多采用IEC標準,為直流600V或750V,我國1969年開通的北京地鐵采用的第三軌受電電壓為直流750V,但也有的國家采用較高的電壓,如西班牙巴塞羅那地鐵就采用了直流1500V和1200V。第三軌為接觸軌,其接觸方式有3種:上接觸式、下接觸式和側(cè)接觸式。北京地鐵、紐約地鐵都采用上接觸式(見圖3)。受流器滑靴從上壓向接觸軌軌頭,接觸軌頂面受流。受流器的接觸力是由下作用的彈簧的壓力進行調(diào)節(jié)的,受流平穩(wěn)。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。下接觸式的第三軌的軌頭朝下,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。莫斯科地鐵采用的就是這種方式,利于防止下雪和冰凍造成的集電困難。但這種方式安裝結(jié)構(gòu)復雜,費用較高。側(cè)接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌,集電靴從側(cè)面受流。跨座式獨軌車輛就采用側(cè)面接觸式集電,其受流器裝在轉(zhuǎn)向架下部,接觸軌裝在軌道梁上。電動車輛受電靴與第三軌接觸面大且對其磨損極小,因此,采用第三軌式接觸網(wǎng)的優(yōu)點是維護簡單。據(jù)粗略調(diào)查,北京地鐵運營30年,第三軌上端面磨耗僅4~5mm,基本上可以做到無維修或少維修,因而也就相應減少了維修費用。對城市軌道交通而言,運輸密度大,間隔小,在夜間停運很短的時間內(nèi)進行定期檢修比較困難。維修工作不均衡會造成勞動力組織的困難與浪費,因此基礎設施的無維修化具有非常重要的意義。顯然第三軌受流在這方面具有優(yōu)勢。第三軌供電適應速度有限,直流750V供電一般只用于速度在100km/h以下的線路,這在某種程度上受到電站距離與供電容量的限制,最高速度達128km/h的第三軌式接觸網(wǎng)為美國舊金山的BART(灣區(qū)快軌),其供電電壓為直流1000V。4牽引變電站供電距離增加為了彌補第三軌在輸電距離上的差距,鋼鋁復合接觸軌(見圖4)已取代了低碳鋼接觸軌,被世界上六十多個城市采用。與低碳鋼接觸軌相比,其具有以下優(yōu)勢:a.電導率高,電壓降及牽引能耗成比例下降,因此供電距離可加大約1.4倍,適當減少了牽引變電站的數(shù)目。雖然目前鋼鋁導電軌還只能進口,成本為鐵軌的4倍,但是少建牽引變電站節(jié)省下來的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20km長的線路計,僅靠節(jié)電一項,5年半就可收回多投的資金。b.不銹鋼接觸面光滑,耐腐蝕,耐磨耗,可延長接觸軌與受流器的壽命。c.重量輕,便于施工安裝。鋼鋁復合軌用做接觸軌,改善了第三軌受流的技術性能,新上的城市軌道交通項目采用鋼鋁復合軌已成為趨勢,北京地鐵5號線、武漢城軌交通1號線都準備采用鋼鋁復合軌方式。5地鐵與鋼鋁復合軌與剛性懸掛系統(tǒng)的前景展望地鐵建設要選擇成熟可靠的技術,但也要盡量采用先進技術。柔性接觸網(wǎng)與第三軌式接觸網(wǎng)用于城市地鐵和城軌交通已多年了,在我國屬于成熟技術。鋼鋁復合軌與