我国地铁接触轨技术发展综述与研发建议
于松伟(北京城建设计研究总院 北京 100037)
摘要:介绍了接触轨系统的构成，技术特征和我国应用接触轨技术的概况．在直流1 500V接触轨系统的“四大环节”研究中，建议重点对系统设计标准及产品制造标准进行研究；在系统设计标准的“四大关系”研究中，建议重点对1 500V接触轨与人身安全防护的关系进行研究。在钢铝复合接触轨的国产化工作中．应重点解决好不锈钢带与铝型材的结合问题，以及不锈钢带的材质和外型表面平顺问题．
关键词 中国接触轨发展史1500V接触轨 系统设计标准 人身安全防护 钢铝复合接触轨 国产化
接触轨，又称第三轨，或简称三轨。接触轨系统是地铁牵引供电系统的重要子系统，它直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运以营。自1965年北京建造我国第一条地铁线以来，仟随着我国地铁建设事业的发展，接触轨技术也走过了近40年的发展历程。这期间接触轨枝术不断发展，其主要表现为：安装方式由以上部接触搔流方式为主导发展成上部接触交流方式与下部接触授流方式并存：导电轨由低磺钢材料发展成钢铝复合材科：防护罩(及支架)由木板材料发展成玻璃钢材料：绝缘子材料除电瓷外，还开发出环氧树脂材料及硅橡胶材料。相应地，一些施工安装方法也有所改进．目前，直流1 500V接触轨系统又在积极研发之中，同时钢铝复合接触轨的国产化工作也正在逐步展开，当然这其中面临的问题和遇到的困难也有许多。在这种情况下，对我国地铁接触轨技术的发展历史进行总结，将有助于目前接触轨新技术的研究与开发。
1 概述
1．1 接触轨系统的国内应用概况
目前，在我国有3个城市6条地铁线路采用了接触轨系统，分别是：北京地铁1号线上程。北京地铁2号线(环线)工程、天津地铁1号线中段、北京地铁复八线工程、北京地铁门号线工程(即北京城市铁路工程)，北京地铁八通线工程、武汉轨道交通1号线一期工程．另外，由中国援建的1984年开通的朝鲜平壤地铁，以及由中国承建的2000年2月21日开通一期工程的伊朗德黑兰地铁，用了接触轨系统。这些线路韵总长度超过200km，触孰电压等级均为直流750V。
1．2 接触轨系统的构成
在接触轨系统零部件中，除包括作为导电轨的接触轨以外，还包括绝缘支架(或绝缘子)。防护罩．隔离开关设备、电缆等。接触轨、绝缘支架(或绝缘子)、防护罩是接触轨系统中送电。支撑、防护的三大件。
1．3接触轨系统的三大技术特征
谈及接触孰系统，其技术特征有三个级，二是安装方式，二是导电轨材料。
1 3．1 电压等级
目前世界上城市轨道交通中的直流牵引网电压等级繁多，接触轨系统的电压等级有600V、630V。700V、750V、825V，900V、1 000V、1 200V等，国外接触轨系统的标称电压一般在1 000V以下，西班牙巴塞罗那采用过直流1 500V及1 200V接触轨，美国旧金山BART系统为直流1000v接触轨。目前国内接触轨系统标称电压为直流750V，国际上接触轨电压等级的发展趋向是IEC标准中的直流600V、750V。
1．3．2 安装方式
接触轨系统根据授流位置的不同，司分为上部授流接触轨、下部授流接触轨和侧部授漉接触轨三种形式。
1 3.3导电蓑材料
接触轨可采用低碳钢材料或钢铝复合材料。
2 北京地铁早期建成线路的接触轨系统
北京地铁早期建成的线路包括；1969年通车的北京地铁1号线工程，1984年通车的北京地铁环线工程，1999年9月通车的北京地铁复八线工程。
2．1 北京地铁1号线工程
北京地铁1号线工程，东起北京站，西至苹果园，全长24，17km。工程于1958年开始前期研究，1965年7月1日开工建设，1969年9月20日基事建成并试运营。该工程接触轨系统是我国第一个地铁接触轨系统．本工程接触轨系统的电压等级开始为直流825V，以后随着牵引变电所设备的改造而成为直流750V，安装方式为上部授挽方式，导电轨材质为低碳钢，主要技术标准如下．
2．1．1接触轨的技术条件
(1)接触轨断面的总断面积为6 543mm2，
(2)接触轨的比重为7．8g/cm3：
(3)每米接触轨的理论重量为51．36kg，每根理论重量为642kg，每根12．5m，
(4)对中性轴接触轨的惯性矩Jx=1 026．8cm4，断面系数Wz=176．2cm3
(5)接触轨的型号为JU-52，钢号为05铝(05A1)；
(6)在温度为15度的情况下，接触轨的单位电阻不超过O．125Ω·mm2／m：
(7)接触轨的断面应铣平，断面歪斜在任何方向测量均不得超过1．0mm；
(8)接触轨采用转炉冶炼的优质镇静钢轧制。
2．1．2接抽孰用绝缘子
接触轨用绝缘子由以下三个丰要部分组成：
(1)瓷件，材料为电磁，工作电压1000V，抗弯800kg,
(2)下座，材料为HT15-33灰铸铁：
(1)上帽，材料为11T15-33灰铸铁。
另外，瓷件与下座间还没有1-5层的油毡纸垫片．
2．1．3木防护板
木防护板的木科全部是在天然干性油中浸透的松木制成，井做烘干处理，木防护板翠表面涂阽火滦，木防护板外表面涂防腐油漆。
2．1．4端部弯头
端部弯头总长度2300mm．
2．2 北京地铁2号线工程
北京地铁2号线工程，线路长16．1Fan．1974年完成接触孰施工图设计，1976年建成并试运营，1984年完成改造．
根据北京地铁1号线工程的施工运营经验，针对存在的问题及接触轨要加强防护的指示，1974年2号线在工程接触轨系统设计时进行了一些修改与完善．1978年5月，根据市兵办工程组技术处于1978年3月27日召开的关于地铁三轨防护板设计问题的会议纪要精神，将2号线工程接触轨防护板靠近线路侧上下的两块和防护支架下边的一块予以取消，形成了日前的结构形式，如图1所示。
图1 北京地铁环线接触轨安装示意图
2．3 北京地铁复八线工程
北京炔铁复八线工程，西起复兴门，东至八王坟，线路长12.7KM。该工程接触轨系统施工图设计完成于1993年10月，工程于1999年9月通车。与北京地铁环线接触轨系统相比，主要进行了以下修改：
(1)接触轨端部弯头由原来的2300mm加长到2775mm，以使受流器与弯头接触时更平稳；同时减小了坡端的接触面到走行轨顶面的垂育距离。
(2)采用3000V支柱绝缘子代替原绝缘子。
(3)结合工程需要，本工程册剥开发了玻璃钢防护罩．并在车站、道岔、隧道联络线等局部地段进行了试验安装(单线总长度约6km)．
3 德黑兰地铁1．2号线的接触轨系统
德黑兰地铁1、2号线，线路全长约53km．1992年初开始投标，1996年合同正式生效，2000年2月21日第一期工程建成通车．
根据招标文件要求，北京城建院联合高校与工厂，以产学研相结合的方式，研制开发出“下部校流接触轨系统”，填补丁国内空白，该技术成果于1994年6月8H从得了国家实用新型专利(zL93 2 24173．5)．相应地，研制出玻璃钢材料的接触轨支架及防护罩，代替了传统的木板防护罩，这一创新成果带来了接触轨支架与防护罩材料的革命。本工程接触轨系统的电压等级为直流750V，导电轨材质为低碳钢．
3．1 下部授流接触轨的安装结构描述
下部授流接触轨主要由导电轨，绝缘支架、防护罩等构成，见图2．绝缘支架由顶郎支架，中部支架，下部支架三部分组成，并共同构成悬臂结构型式；导电轨通过顶部、中部支架，悬挂在下部支架上；下部支架刚根据线路情况固定在整体道床上或碎石道床的轨枕上：防护罩靠自身弹性及支撑垫块固定在导电轨上。
3．2 下部授流接触轨的安装结构特点
防护罩对带电接触轨的防护性能好，带电接触轨不容易被无章识地触碰到，能确保人身安全，另外，下部授流方式的遮挡雨雪条件也优于上部授流方式，能确保牵引网系统的安全可靠运行．
这里需要说明，北京城铁采用的是上部授流接触轨系统。据2003年11月7日《北京晚报》报道：“城铁今晨中断一个多小时。由于昨天深夜雪量较大且融化速度慢，遭遇今天凌晨急剧下降的气温后，造成城铁部分路段轨道表面结冰。首发车在运行过程中，接触轨与列车受流器之间逐渐形成‘地穿甲’似的冰层．造成列车受流器无法受电，车辆网压不稳，使得车辆无法正常行驶。’
3．3 接触轨所含化学元素对电阻宰影响分析
合同要求：导电轨在15度时电阻率p=0．125mm2Ω/m．为确保接触轨按照上述合同要求交货，对制造厂欲采用的接触轨材料进行了电阻串测试及化学元素分析，前后历时达伴年之久，分析结论简述如下。
如果采用与北京地铁接触轨相同的材料来加工制造导电轨，则20度时电阻率p（平均值）在0.134Ω·mm2／m左右，将大于合同要求的15度时电阻率为0．125Ω·mm2/m．仅从各元素对电阻串的影响看，P、Si的影响较大，而Mn的影响较小：但由于接触轨中Mn的绝对含量比P与Si要高，因而Mn实际上对电阻系数的影响也非常大．换言之．在分析各元素对电阻系数的影响趋势时，要同时考虑各元素含量大小对此的影响。另外，工艺条件对各种成分在含量上有影响，即工艺条件也会影响导电轨的电阻系数．
在上述测试分析基础上，决定不采用与北京地铁接触轨相同的原材抖加工制造接触轨．而从国外进口原材料来加工制造接触轨．最后的测试表明：用国外原材料加工制造的接触轨，在15度时电阻率p在0．111mm2Ω/m左右。
3．4 支架及防护罩的制造工艺
3．4．1玻璃钢支架制造工艺
玻璃钢支架制造采用了RTM成型工艺．其优点为：降低了产品成型过程中苯乙烯的挥发量，有利于提高产品质量，减少环境污染，工艺成熟、参数齐全，产品质量稳定：可防止玻璃纤维的排布方向发生偏移，使铺层设计、性能设计有保障;可使产品表面附着均匀的胶衣树脂层，增加产品的抗老化能力．
3．4．2 玻璃钢防护罩制造工艺
玻璃钢防护罩制造采用了拉挤成型工艺．其优点为:可自动化连续生产，产品均匀，质量稳定;产品规格多样化．
4 北京地铁新建成线路的接触轨系统
4．1北京地铁13号线
北京地铁13号线，即北京城市铁路工程，线路全长40．85km。1999年8月12日，项目被批准立项：2000年9月26日，城市铁路西线全面开工：2002年9月28日，城市铁路西线开通试运行，2003年1月20门，城市铁路全线建成试运营。
结合该工程，北京城建设计研究总院联合北京城市铁路股份有限公司等单位，研制开发出“新型上部授流接触轨系统”，见图3．该工程接触轨系统的电压等级为直流750V，导电轨材质为低碳钢。
新型上部受流接触轨系统的特点：
(1)防护罩支架及防护罩采用玻璃钢材质
的防火和耐候性功能．使用寿命长，
(2)结构形式造型比较美观，
(3)结构设计较为合理，承受力的情况较好，省材料：
(4)防护罩支架直接固定在接蚰轨上，所以能更好地保证防护罩支架及防护罩与接触轨的相对位置关系.
(5)防护罩支架可以在接触轨上移动安装，所以施工安装及运蕾管理维护比较方便，不受走行轨轨枕间距施工误差的影响，从而使防护罩的定货长度与设计长度一致．避免了材料及施工费的损失．
4．2 北京地铁八通线
北京地铁八通线，西起八王坟，东至通州土桥，线路全长18．964km；2003年12月7日完成热滑，2003年12月28日开通试运营．
北京地铁1号线．2号线及13号线，均使用的是瓷绝缘子．瓷件是脆性材料．在运输．安装、运营维护等过程中，容易受到了硬器撞击而破损．近年来，复合绝缘子发展迅猛，性价比，可靠性不断提高．北京地铁八通线工程在前述北京城铁“新型上部授流接触轨系统”的基础上，在正线接触孰系统中采用了环氧树脂绝缘子，在车场线接触孰上试用了硅橡胶绝缘子．
5 武汉轨道交通一期工程的接触轨系统
武权轨道交通1号线一期工程，自宗关站经硚口至黄浦路，线路全长10．234km，为全高架线路：2000年4月开始初步设计，2003年12月11日完成热滑，将于2004年上半年投入运营．
该工程在国内首次采用钢铝复合接触轨技术。接触轨采用钢铝复合材料制成(见图4)，可有效地降低电阻率，并减少供电系统中牵引变电所的数量，降低运营时接触轨能量的的损耗；防腐蚀性能较好；钢铝复合接触轨重量小，便于运输和安装，在铝合金轨的接触面上包覆有一层不锈钢带，可人大提高耐磨性。
该工程接触轨系统的电压等级为直流750V，安装方式为下部授流方式．
5．2 不锈钢带技术数据（示例）
5．3 天津地铁1号线(延伸)工程的接姓轨系统
1984年12月，天津地铁1号线中段7．4km建成通车，其接触轨系统与北京地铁早期建成线路的接触轨系统一致，2001年7月因线路需向两端延伸改造而停运．天津地铁1号线（延伸）工程，线路全长26．2km，计划于2005年底建成通车．本工程采用直流750V上部授流接触轨系统，接触轨材料为钢铝复合接触轨，目前已完成钢铝复合接触孰的采购招标。
6 正在建设中的广州地铁4号线接触轨系统
广州市轨道交通4号线大学城专线段工程，线路全长14．11km．该工程于2003年10月通过初步设计审查，计划2005年12月建成通车．
广州地铁4号线几次穿越珠江水系，并且—部分线路位于已建城区．针对减少车站埋深及增加选线灵活度的需求．采用了爬坡能力大、转弯半径小的直线电机交通系统．另外，考虑到该线路平均站间距大及工程建造尽量减少对城市景观的影响，因此该工程拟采用直流1500V接触轨系统，接触轨材料为钢铝复合接触孰．
在100多年世界城市轨道交通史上．建成于1927年的巴塞罗那地铁1号线曾采用过直流1 500V接触轨系统，其3号线及4号线也采用过直流1 200V接触轨，但现在已经拆除，而改用刚性架空接触网．在目前运营的地铁线路中，接触轨电压等级最高的是美国旧金山的“湾区快速交通”（Bay Area Rapid Transit)系统，简称BART系统，其接触轨电压等级为直流1000V．其接触轨为工宇钢两侧通过螺栓傍附铝型材而形成的钢铝“复合轨”。当然，工字钢与铝型材间要应用抗氧化油脂．该地铁系统于1972年开通了第一条线路．
前面已经介绍过，我国已经运营的地铁线路（甚至包括正在施工中的北京地铁5号线，10号线等)，均采用的是直流750V接触轨系统．在这种情况下，广州地铁4号线拟采用的直流1 500V接触轨系统，是我国地铁接触轨技术领域的一个新课题，有许多问题需要认真研究。
7 关于研发直流1500V接触轨系统的一些建议
对于直流1 500V接触轨系统的研发．建议从“软件”及“硬件”两个层面考虑．所谓“软件”，是指直流1500V
接触孰的“系统性研究”，所谓“硬件”，是指以钢铝复合接触孰国产化为主导的接触轨“零部件研制”。
7．1 直流1 500V接触轨的系统性研究
7．1．1 系统性研究的主要内窖
系统性研究可以概括为以下“四大环节”的研究：
(1)设计环节--系统设计标准的研究：
(2)制造环节--产品制造标准的研究；
(3)安装环节--施工安装标准的研究：
(4)运营环节--运营维护标准的研究．
武汉轨道交通1号线一期工程已经成功地应用了“直流750V钢铝复合接触轨系统”，到2005年底广州地铁4号线大学城段建成开通时．我国将积累起近两年的钢铝复合接触轨运营经验，这些经验将对广州地铁4号线大学城段起到重要的借鉴作用．田而，在上述系统性研究中，建议对系统设计标准及产品制造标准进行重点研究，尤其是系统设计标准的研究．这是因为，在世界范围内从事钢铝复合接触轨产品的制造商有多家，但直流1 500V接触轨系统的设计、运行经验却相当匮乏。另外，建议处理好“四大环节”研究的相互关系。
7．1．2 系统设计标准研究的主要内容
系统设计标准研究可以概括为以下“四大关系”的研究：
1)带电体与接地体关系研究
对于直流1500v系统，接触轨带电部分和结构体，车体之间的最小净距，国家标准《地铁设计规范》及IEC标准对比都做出了规定。研究内容应根据工程需要，确立带电体与接地体的相互关系，相对位置、定位尺寸等。在带电体与接地体关系的处理上，上部受流方式比下部授流方式更简洁。鉴于此，建议优先考虑上部授流方式。
2)接触轨与人的关系研究
直流1 500v接触轨系统的研发难度，不在干电气本身，即不和于电气设备的技术指标，而是在于1 500V电气设备的人身安全防护与750V电气设备相比要困难得多。因而，建议对1 500V接触轨与人的关系给予重点研究，即应阱究采取何种措施(包括硬件措施，软件措施、管理措施等)，最大限度地保护运营维护人员及乘客公众的人身安全。特别应该注意的是：对于以走行轨为回流网的只有1 500v接触轨系统，应认真地研究分析正极接触网与负极回流网的阻抗分配，并合理地设置牵引变电所．避免在正常运行情况下走行轨对地电位超标，影响人身安全防护。1 500V钢铝复合接触轨系统的走行轨电位是一个不可小视的问题。
3)接触轨与车的关系研究
这既包括接触轨与车辆的限界关系研究，也包括车辆受流器与接触轨的“弓网”(器轨)配合关系研究．
4)接触轨与道的关系研究
这里的“道”，狭义上指道床，广义上也涉及轨道、隧道，行车道，并包括地下、地面、高架等各种线路形式，即上建的概念。所谓接触轨与道的关系研究，就是接触轨与土建关系研究．即如何将1 500V接触轨合理地布置、安装、固定在各种道床上，这是应该认真研究的。
7．2 直流1 500V接触轨的零部件研制
7．2．1钢铝复合接触轨的国产化
早在2000年7月，武汉轨道交通一期工程准备采用钢铝复合接触轨时．国内一些企业对钢铝复合接触轨的国产化问题就开始关注了。但山于这些厂家对市场前景分析不透，因而未能正式启动．现在，武汉轨道交通一期工程的全线钢铝复合接触轨安装已经结束，并己完成热滑，该工程采用的是国外进口的钢铝复合接触轨。天津地铁1号线，钢铝复合接触轨供货招标已经结束，也采用的是国外产品。
目前，除广州地铁4号线以外，北京地铁5号线，10号线(含奥运支线)、4号线等，也准备采用钢铝复合接触轨．如果1 500V钢铝复合接触轨研发应用成功，广州地铁5号、6号、7号线及某些城市地铁，也将采用1 500V钢铝复合接触轨．这样，在未来的5年内，国内钢铝复合接触轨的需求量将达到单线300km以上，产值估计在2-3亿人民币．因而，建议有识企业抓住机遇，联合业主，设计单位，研究单位、高等院校等．加速钢铝复合接触轨的国产化进程．
据悉，国内铁路企业已启动了钢铝复合接触轨的国产化工作．并于近期研制出钢铝复合接触轨样品，这对于中国城市轨道交通业无疑是一喜讯。
根据北京城建设计研究总院在武汉轨道交通工程中对钢铝复合接触轨的研究设汁应用，建议在钢铝复合接触轨的国产化工作中，注童解决好以下两个重点问题：
(1)不锈钢带与铝型材的结合问题，
(2)不锈钢带的材质及外型表面平顾问颧。72．2直谴1 500V系统用绝缘子等零部件的研稍
直流1 500V系统用绝缘子．玻璃钢支架、玻璃钢防护罩，钢铝复合接触轨附件等，利用国内既有技术与生产能力完全可以加工制造。
7．3 关于接触轨系统允许的量高速度
目前，广州地铁4号线的列车最高运行速度为90km/h．但是，考率到直流1500V接触轨系统应有广泛的适用性，因而建议列车最高运行速度按130km／h考虑．这样，1 500v接触轨系统一旦研发成功，可在国内其他城市迅速推广。有资料表明，美国旧金山BART的1 000V接触轨系统，其列车最高运行速度为80英里／h(126km／h)．笔者在参观该地铁系统时，曾拍摄到列车运行速度为72英里／h(112km／h)的画面． 8 结语
在我国近40年的地铁发展史上，其接触轨技术从零开始一步步向前发展，现在已经瞄准了接触轨技术的国际前沿。在直流1 500V接触轨技术的研究应用过程中．将有许多课题需要认真研究。在直流1 500V接触轨系统的“四大环节”研究中，建议重点对系统设计标准及产品制造标准进行研究，在系统设计标准的“四大关系”研究中，建议重点对1 500V接触轨与人身安全防护关系进行研究．在钢铝复合接触轨的国产化工作中，建议解决好不锈钢带与铝型材的结合问题及不锈钢带的材质及外型表面平顺问题。直流1 500V接触轨系统一旦研
发成功，将使得我国地铁接触轨技术发生质的飞跃，井将具有划时代的意义．
本文在撰写过程中，得到了周菁。赵颖红等工程师的热情帮助，在此特表示感谢！
参考文献
[1]宋文义．上部接触轨防护结构型式的研制及总结2002．
[2]北京城建设计院.北京地铁10号线牵引供电系统投标文件．2003．
[3]北京城建设计院．北京地铁环线工程接触轨施工设计图纸．1978
