城市轨道交通供电接触网类型的比较
马沂文 白秀梅
摘 要 分析了城市轨道交通两大类牵引供电接触网的基本要求、不同类型与特点,提出不同城市选择接触网形式时应注意处理的关系和建议。架空接触网及第三轨授电都是可行的形式,并在各自的应用领域中仍不断发展进步。从城市发展以及技术经济上分析比较,采用DC 1 500 V 供电及架空接触网形式确有一定的优越性。
关键词 城市轨道交通,供电,接触网
世界各国城市轨道交通的供电电压大都在DC 600～1 500 V 之间。IEC(国际电工委员会) 拟订的电压标准为:600 V 、750 V 和1 500 V 三种。我国标准规定为DC 750 V 和DC 1 500 V 两种。目前我国许多大城市都在考虑建设快速轨道交通,首先面临的就是采取哪一种供电制式。这涉及到供电系统的技术经济指标、城市交通线网的规划站距、供电半径、供电质量、运输规模、旅行速度和车辆形式等。必须根据各城市的具体条件和要求,综合分析论证。以下分别从不同的运营要求、特点、规模和条件来做一分析比较。
1 城市轨道交通供电接触网的类型
牵引供电系统是由电网输入线路、牵引变电站、馈电线、牵引接触网和回流线等构成的供电网络。接触网分为架空式接触网和第三轨(接触轨, 以下简称三轨) 式接触网。三轨式接触网仅用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨,架空式接触网除此还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路。为了保证对电动车组良好的供电,接触网应顺直平滑,高度一致,在高速行车中能始终保持正常稳定的接触授流;接触网应具有足够的耐磨性与良好的导电性,寿命尽量长,并力求结构简单,易于施工、维修。
1. 1 架空式接触网
架空式接触网的悬挂类型大致为三种:简单悬挂,链形悬挂,刚体悬挂。不同的类型其电线粗细、条数、张力都是不一样的。架空线的悬挂方式,要根据架线区的列车速度、电流容量等输送条件以及架设环境进行综合勘察来决定要采取什么方式。
1. 1. 1 简单悬挂
简单悬挂方式结构简单,支柱高度低,支持装置承受的负荷较轻,但是弛度大、弹性不均匀。为改善这一状况,一般在悬挂点处增加一个倒Y 形的弹性吊索,称为弹性简单悬挂(见图1) ,相应改善了悬挂点处的弹性和运行状况。由于弹性简单悬挂建造费用低,施工方便维修简单,城市电车或轻轨往往采用这种悬挂方式。地铁为了减少隧道净空,采用以弹性支座或弓形腕臂作支持部件的简单弹性悬挂。
2.1. 1. 2 链形悬挂
接触线通过吊弦悬挂到承力索上的悬挂称为链形悬挂。链形悬挂承力索悬挂于支柱的支持装置上接触线通过吊弦悬挂在承力索上,使接触线增加了悬挂点,调节吊弦可以使整个跨距内接触线对轨面保持一致高度。由于接触线是悬挂在承力索上的,因而基本上消除了悬挂点处的硬点,使悬挂线的弹性在整个跨度内都比较均匀。显然,链形悬挂比简单悬挂性能好得多,但结构复杂、投资大、施工维修调整较为困难。
链形悬挂的类型很多,可以按悬挂链数分为单链形悬挂、双链形悬挂和多链形悬挂。按线索相对于线路中心的位置,又可以分为直链形接触悬挂、半斜链形接触悬挂、斜链形接触悬挂。对城市轨道交通,因其运行速度不太高,列车功率也不太大,一般多采用简单链形悬挂(见图2) ,应用速度可达100 km/ h 以上。
图1 弹性简单悬挂
图2 简单链形悬挂
1. 1. 3 刚性悬挂
刚性悬挂又称刚性接触网,是一种区别于传统柔性接触网的供电方式。由于地铁隧道供电导线上方空间有限,链形悬挂一般采用冷拉电解铜接触线。1962 年日本东京营团地铁日比谷线开通时, 考虑可能发生断线事故而要有保护措施、洞内维修作业较复杂等问题,以及隧道断面比三轨供电要大幅扩大的情况,开发了地铁用的新的刚性悬挂方式。现在通过10 多个国家、30 多条地铁的运营, 经过不断改进设计,刚性接触网系统已日臻完善, 非常可靠。如营团地铁南北线使用的刚体悬挂(见图3) :采用铝合金T 型汇流排和铝夹耳来夹持铜导线,设计简单,施工容易; T 型汇流排截流截面大,减少电阻40 % 以上,无须辅助馈电线,使得其结构简单紧凑,节省隧道净空,节省投资;导电铜线不受张力,应用可靠,耐磨性好;接触网系统零部件少,大大降低了维护成本。
1. 2 三轨接触网
三轨接触网是沿轨道线路敷设的附加接触轨, 从电动客车转向架伸出的受流器通过滑靴与第三轨接触而取得电能。三轨接触网的电压据IEC 标准为DC 600 V 和DC 750 V , 但也有国家采用较高电压,如西班牙巴塞罗那地铁就采用了DC 1 500 V 和1 200 V 。接触轨可以有三种方式,即上接触式、下接触式和侧接触式。
图3 刚性悬挂
1. 2. 1 上接触式
三轨安装在绝缘子组件上(见图4) ,由接触轨、绝缘子、三轨夹板、防护支架、防护板、端部三轨弯头、防爬器等构件组成。受流器滑靴从上压向接触轨轨头顶面受流。受流器的接触力是由下作用弹簧的压力调节的,受流平稳,由于端部弯头的过渡作用,能够减少在断电区的电流冲击。
上接触式三轨施工作业简便,可以在轨头上部通过支架安装不同类型的防护板。北京地铁、纽约地铁都是采用上接触式第三轨。
1. 2. 2 下接触式
下接触式三轨轨头朝下,通过绝缘肩架、橡胶垫、扣板收紧螺栓、支架等安装在底座上。下接触式的优点是防护罩从上部通过橡胶垫直接固定在接触轨周围,对人员安全性好。莫斯科地铁就采用这种方式,利于防止下雪和冰冻造成集电困难。但是这种方式安装结构较复杂,费用较高。
2.1. 2. 3 侧面接触式
侧面接触式就是接触轨轨头端面朝向走行轨, 集电靴从侧面受流。跨座式独轨车辆就采用侧面接触形式。其受流器装在转向架下部,接触轨装在轨道梁上。
图4 三轨装配图
1. 2. 4 三轨材料的进步
三轨用导电率较高的铁轨制成(一般国内使用的材料为05Al) 。近几年来随着复合材料的发展, 由不锈钢与铝合金通过机械方法或冶金结合方法加工而成的钢铝复合接触轨(见图5) 已取代低碳钢接触轨,被世界上60 多个城市采用。钢铝复合轨与低碳钢接触轨相比具有以下优势:
图5 钢铝复合轨断面
① 电导率高,电压降及牵引能耗成比例下降, 因此可加大供电距离约1. 4 倍,适当减少牵引变电站的数目。虽然目前钢铝导电轨还只能进口,成本比铁轨要贵3 倍,但是节省下来的牵引变电站投资与接触轨增加的费用基本相抵,而且由于线路损耗降低,按20 km 长的线路计,仅靠节电一项,5 年可收回多投的资金。
② 不锈钢接触面光滑,耐腐蚀,耐磨耗,可延长接触轨与受流器的寿命。
③ 重量轻,便于施工安装。正因为钢铝复合轨有以上优势,新上项目采用钢铝复合轨已成为趋势。我国不少城市的轨道交通项目正准备使用钢铝复合轨方式。
2 不同接触方式的特点比较
2. 1 安全性
无论架空式接触网还是三轨接触网,其安全性都是无容置疑的。从发生触电事故的情况看,两种方式都有且主要发生在车辆运用维修与电网维护人员。从地面交通的角度来看,在市区平交运行的有轨电车或轻轨车宜采用架空接触网;牵引网压等级较高时,为了安全和保证一定的绝缘距离,也宜采用架空网。而封闭运行的城市铁路或轻轨采用架空线或第三轨都完全能保证安全;在发生事故疏散乘客时架空式接触网将给人们更多的安全感。
2.2. 2 经济性
从技术发展历史来看,由于电工材料和输变电技术的进步,直流牵引输电电压呈增高趋势。1863 年开通的伦敦地铁和1904 年开通的纽约地铁分别采用了DC 630 V 和DC 625 V 直流供电,三轨授流方式; 1935 年开通的莫斯科地铁采用的是DC 825 V(相当DC 750 V) ,第三轨授电。1955 年开通的罗马地铁首先采用了1 500 V 直流架空线输电。1960 年以后,日本的地铁与电气铁路一致,基本上都采用了DC 1 500 V 架空接触网的制式。
从建设费用来看,1 500 V 直流架空网输电比750 V 三轨授流经济。提高输电电压,可以相应地减少电能损耗,减少变电站的数量,降低电力设备费用。电压提高一倍,同样功率的电能输送距离可以提高近一倍。750 V 供电系统变电站间距较短, 一般为1. 5～2 km , 而1 500 V 供电系统变电站间距可达3. 5～4 km 。因此同一条线路采用1 500 V 输电,如果电站配置得当,比750 V 可以少建近一半变电站,供电设施大约只相当750 V 三轨授流的70 % 左右。而且采用1 500 V 制式后,同功率电动车辆由于电流的降低,电器设备也可以相应地减小体积与重量。电站直流开关等设备也如此。但是对于地铁,横断面相同的车辆,采用架空线的其隧道半径(或矩形隧道高度) 要比采用三轨授电的大, 施工土方量增加,土建费用增加约14 % 。
从维修的角度来看,架空式接触网要定期进行检查维护,洞内维修作业需要专用的接触网检查车,维修周期短、费用高、备品备件需要量大。而接触轨维护简单。从北京地铁运营30 年的实践来看,因为三轨与受电靴接触面大,第三轨的磨耗极小。据粗略地调查,运行30 年,第三轨的上端面磨耗只有约4～5 mm , 基本上可以做到无维修或少维修化,因而也就相应减少了维修费用。此外,受流器结构简单,维修方便。受流器滑靴各国基本上都采用黑色金属,成本低。由于历史原因,北京地铁受流器滑靴是采用铜基材料,现正在试验铁质滑靴,推广后会进一步降低耗材成本。
从输电效率讲,因为线路损耗是与电流平方成正比的,尽管可以设辅助馈电线来减少线路阻抗, 但DC 1 500 V 输电显然比DC 750 V 损耗小、效率高。1 500 V 电压变化率较小,电能质量较好,且由于杂散电流要小一半,有利于减少对地下金属建筑物的腐蚀。
2. 3 城市环境的适应性
架空式接触网需要架设支柱,支持悬挂接触网要安装腕臂或横跨,横跨由金属桁架或横向承力索、上下定位绳组成。在城市中间密布支架和电线网,影响市容,有碍观瞻。当然通过巧妙的规划设计可以减少不利影响。而三轨授电,接触轨位置低,没有明显的高大部件(如立柱、横向承力索、金属桁架等),城市景观好,对电磁污染较易采取防护措施。这也是国内外某些城市轨道交通采用三轨受电方式的原因之一。从两大类接触网的应用比例来看,目前地铁采用三轨授电的城市仍比采用架空接触网的多。但是随着城市规模的扩大及技术的发展,采用1 500 V 架空接触网的呈上升趋势, 且已有DC 3 000 V 系统出现。
2. 4 传输功率与速度水平
较高的电压在同等条件下能够传输较大的功率。DC 1 500 V 比DC 750 V 显然能够适应更大功率的电动车辆,也能达到更高的速度水平,在粘着允许的情况下加速度也能相应提高。对于单向最大断面客流量在每小时5 万人次及以下,宜采用DC 750 V 接触轨;每小时5 万人次以上,则宜采用DC 1 500 V 架空接触网。在适应速度上,架空接触网简单链形悬挂可实现200 km/ h 的高速运行, 弹性简单悬挂适应速度达120 km/ h ; 刚性悬挂已实现了160 km/ h 的试验速度。750 V 三轨授电一般只用于速度在100 km/ h 以下的线路。只有美国旧金山的BART(海湾区快轨) 最高速度达128 km/ h , 供电电压为DC 1 000 V 。
3 选择接触网形式时应注意的几个关系
城市轨道交通选择哪一种供电制式的问题,其关键是必须与城市的既有现状和发展规划相结合, 统筹兼顾,坚持经济上合理,技术上先进,适应本城市历史现状特点与发展规划前景。
3. 1 适应城市历史现状与发展前景的关系
每个城市都有自己的历史特征。在城市发展的同时,如何保持文化遗产和历史风貌,已日益受到人们的重视。因此,象北京这样的古都,城市圈内应尽量修建地铁。城市铁路采用三轨,一方面为避免轨道上空纷纭的线网,与保持整个城市的历史风貌相协调,另一方面可与原地铁系统相协调。
一个城市在建设地铁或轻轨时采用何种接触网制式,往往受到已建线路形式的影响。如欧洲、北美地铁发展较早的城市伦敦、巴黎、纽约等都采用了三轨授电系统,其后基本沿用了该方式。北京地铁也是如此。而上海、广州地铁都采用了架空接触网,后续线路也就延续了DC 1 500 V 架空接触网的形式。这不仅在系统的一致性、扩展性、运营维护方面有实际意义,也易于备品备件的替换。当然,随着城市规模的扩大,因线路不同而采用两种接触网制式的情况也不少。如天津地铁虽然采用三轨授流的DC 750 V 制式,但建设滨海快速轨道交通时,因站距大(最长达6 km) 、线路长、车速较高,就采用了DC 1 500 V 架空接触网制式。从北京市的轨道交通发展来看,尽管目前规划中的线路都延续了三轨形式,但中期规划有些线路是穿越市区到城市边缘区的,线长站大,旅行速度应提高到45 km/ h 左右,且地面线与高架桥为多,采用DC 1 500 V 架空接触网形式更为适宜。
3. 2 成熟技术与前瞻性技术的关系
地铁建设一定要选择成熟可靠的技术,但是也要有一定的前瞻性,尽量采用先进技术。柔性悬挂接触网与三轨式接触网用于城市地铁和城轨交通已有多年的历史,在我国也属于成熟技术,均能满足行车要求。新技术、新材料的出现使两大类型接触网都有了新的进步。刚性悬挂应用于地铁隧道, 不仅减小隧道净空,而且其汇流排载流面积大,接触线耐磨性好,寿命长;因无张力架设,不会发生断线事故,可靠性优于柔性悬挂,减少了维修工作量。钢铝复合轨用作接触轨,改善了三轨授流形式的技术性能,扩大了三轨授流方式的应用范围与前景。
3. 3 减少工程投资与长远运营效益的关系
据某些资料分析,采用DC 750 V 三轨授电比采用DC 1 500 V 架空接触网系统总投资要高18 % 。然而,架空接触网特别是柔性悬挂,在系统运营维护方面,检修周期短、维修费用高。对城市轨道交通而言,运输密度大,间隔小,在夜间停运很短的时间内进行定期检修是比较难的。维修工作的不均衡造成劳动力组织的困难与浪费。因此,对地铁或城轨企业,基础设施的无维修化具有非常重要的意义。从这一点出发,钢铝复合轨与刚性悬挂技术对地铁具有良好发展潜质。虽然一次投资费用稍高,但维护材料与人工费节约的长远效益是显而易见的。
3. 4 引进技术与国产化
目前,广州地铁1 号线架设了我国第一条刚性接触网试验示范段,采用Π型铝合金汇流排夹持导线,并基本实现了关键零部件的国产化,并准备推广使用到建设中的广州地铁2 、3 号线。而弹性简单悬挂所采用的弹性支座和分段绝缘器尚需国外引进。钢铝复合轨目前国内也还不能生产,因此增加了建设投资费用。对这些技术,应根据市场发展前景确定国产化的进程。
4 结语
综上所述,无论架空接触网还是第三轨授电, 柔性悬挂还是刚性悬挂,都因其不同的特点而应用于不同的城市轨道交通线路,都是可行的牵引接触网形式,在各自的应用领域中仍不断发展进步,不存在孰优孰劣的问题。然而由于我国建设轨道交通的都是大城市,轨道交通担负城市向外辐射和保护旧城、开发新城区的战略意图越来越突出,站在这个角度从技术经济上分析比较,采用DC 1 500 V 电压供电及架空接触网形式确有一定的优越性。
参 考 文 献
1 织本哲夫. 铁道电气设备的基础知识(4) . 东京:铁道与电气技术,平成10 年1 月
2 日本地下铁协会编. 世界の地下铁—115 都市の最新情报. 东京:山海堂出版,2000
3 郑瞳炽,张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统. 北京:中国铁道出版社,2000
4 胡一洲. 城市轨道交通架空接触网的悬挂类型. 中国铁路,2002 ,(5)
5 夏景辉,胡一洲. 架空接触网系统及其城市景观功能. 城市轨道交通研究,2002 ,(2) :50
6 帝都高速度交通营团. 营团地下铁南北线电器设备. 东京,1996
