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（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 概述

城市軌道交通中采用的電壓等級(jí)眾多，僅直流制式就有近二十種，從DC400V至DC3000V均有采用。在這二十種電壓等級(jí)中，應(yīng)用最多的還是DC750V和DC1500V兩種。這也是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦采用的電壓等級(jí)。

就授流方式而言，在目前世界上100多個(gè)城市修建的軌道交通中，架空接觸網(wǎng)和和接觸軌約各占一半。其中架空接觸網(wǎng)采用的電壓等級(jí)較為廣泛。由于受到整流技術(shù)水平的制約，早期建設(shè)的地鐵普遍采用DC750V及以下電壓等級(jí)的接觸軌，但隨著硅整流技術(shù)的發(fā)展以及架空接觸網(wǎng)技術(shù)的成熟，DC1500V架空接觸網(wǎng)在城市軌道交通中得到較為廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，DC1500V接觸軌技術(shù)也開(kāi)始在軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用。

從我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展史看，北京、天津地鐵等采用DC750V接觸軌，上海地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、上海軌道交通明珠線以及深圳地鐵一期工程等均采用DC1500V架空接觸網(wǎng)，廣州地鐵的4、5、6號(hào)線采用了DC1500V接觸軌?？v觀我國(guó)城市軌道交通授流方式的選擇，無(wú)論是架空接觸網(wǎng)還是接觸軌在我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域均有較多應(yīng)用，都具有成熟的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。

2 授流方式簡(jiǎn)介

目前在國(guó)內(nèi)外城市軌道交通系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)授流方式根據(jù)安裝位置的不同主要有架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種方式。下面主要對(duì)兩種授流方式的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)作簡(jiǎn)要介紹。

架空接觸網(wǎng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同又分為架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)兩種主要方式。架空柔性接觸網(wǎng)主要由接觸線、承力索、架空地線、絕緣子、支持結(jié)構(gòu)、立柱等組成，如圖1所示；架空剛性接觸網(wǎng)主要由匯流排、接觸線、垂直懸吊裝置、絕緣子等組成，如圖2所示；目前架空接觸網(wǎng)的零部件及設(shè)備已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

圖1 架空柔性接觸網(wǎng)

圖2 架空“π”型剛性接觸網(wǎng)

接觸軌是沿軌道線路敷設(shè)的附加導(dǎo)電軌，從電動(dòng)客車(chē)轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過(guò)受電靴與接觸軌接觸而取得電能。根據(jù)與電力機(jī)車(chē)受流器的接觸面不同，接觸軌可以有三種授流方式，即上接觸式、下接觸式和側(cè)接觸式。接觸軌主要由鋼鋁復(fù)合軌、支撐裝置、端部彎頭、防護(hù)罩、中間接頭、膨脹接頭、中心錨結(jié)及電纜連接板等部件組成，如圖3所示。目前接觸軌的零部件及設(shè)備也已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

圖3 下接觸式接觸軌

架空柔性接觸網(wǎng)的跨距一般為30～50米，可采用單支柱懸臂結(jié)構(gòu)懸掛安裝，投資省，施工方便，一般應(yīng)用于地面、高架橋及車(chē)輛基地等；架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小，但由于懸掛點(diǎn)間距一般為6～8米，不適合于隧道外懸掛安裝，一般應(yīng)用于隧道內(nèi)。相比于接觸軌而言，由于架空接觸網(wǎng)設(shè)置在線路頂部，人員不易接觸，觸電概率較小，安全性較好，也便于人員疏散。但是架空柔性接觸網(wǎng)零部件較多，運(yùn)營(yíng)維護(hù)量較大、成本高。同時(shí)，在高架及地面線路還需考慮架空接觸網(wǎng)與城市景觀相互協(xié)調(diào)配合的影響。

接觸軌沿線路布置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，維護(hù)工作量少，可做到少維修免維護(hù)。運(yùn)行可靠性也較高，對(duì)城市景觀基本沒(méi)有影響。而且與架空接觸網(wǎng)相比，其磨耗小，使用壽命長(zhǎng)。但由于接觸軌布置在走行軌旁，在緊急情況下不利于人員疏散，需增加安裝疏散平臺(tái)等設(shè)施。另外在車(chē)場(chǎng)等維修人員活動(dòng)頻繁的地點(diǎn)，需在運(yùn)營(yíng)維護(hù)上加強(qiáng)管理，嚴(yán)格控制維修與接觸軌帶電運(yùn)行之間的隔離。

3 兩種授流方式綜合比較

采用何種授流方式，不僅需從牽引供電系統(tǒng)本身考慮，還牽涉到城市軌道交通授流方式的適用性、土建條件、車(chē)輛負(fù)荷、運(yùn)行安全可靠性、工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、城市景觀、線網(wǎng)規(guī)劃等方面。

3.1 工程實(shí)施技術(shù)分析

根據(jù)我國(guó)城市軌道交通架空接觸網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于地下段采用架空接觸網(wǎng)主要有剛性懸掛和柔性懸掛兩種方式，剛性懸掛較柔性懸掛相比具有安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。架空剛性懸掛方式自廣州地鐵 2號(hào)線率先引進(jìn)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化至今，運(yùn)行效果良好。目前已在南京、上海、杭州、蘇州、成都等國(guó)內(nèi)其他城市軌道交通中大量采用。而對(duì)于地面及高架段如采用剛性懸掛，懸掛點(diǎn)間距一般為6～8米，支柱設(shè)置密集，施工困難，而柔性懸掛點(diǎn)間距一般為30～50米，可采用單支柱懸臂結(jié)構(gòu)形式，施工方便。因此在地面及高架段柔性懸掛要優(yōu)于剛性懸掛方式。

我國(guó)接觸軌供電制式根據(jù)授流方式不同主要分為上接觸式和下接觸式兩種型式，早期北京地鐵、天津地鐵都是采用DC705V上接觸式接觸軌，隨著廣州地鐵4號(hào)線DC1500V下接觸式接觸軌的成功應(yīng)用，接觸軌供電方式在城市軌道交通領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。采用下接觸式，防護(hù)罩可以覆蓋接觸軌3/4部位，僅外露接觸面。采用上接觸式，防護(hù)罩僅能覆蓋接觸軌1/2部位。下接觸式與上接觸式相比，具有較好的設(shè)備安全性，對(duì)人身安全的保護(hù)也有所提高。而且遇雨雪天氣，在地面和高架段線路，為防止上接觸式接觸軌表面結(jié)冰，地鐵運(yùn)營(yíng)部門(mén)需加開(kāi)空駛列車(chē)進(jìn)行軋道作業(yè)，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路和接觸軌進(jìn)行全面檢查，造成一定的能源浪費(fèi)。而下接觸式由于接觸面始終處于底部，其它面均被防護(hù)罩所保護(hù)，因此結(jié)冰的概率極低，對(duì)雨雪天氣的適應(yīng)性明顯增強(qiáng)。

3.2 運(yùn)行安全可靠性

兩種授流制式對(duì)運(yùn)行的安全性都是可行的，主要的差異在于架空接觸網(wǎng)的高空架設(shè)后對(duì)維護(hù)及其它相關(guān)人員的安全性有了明顯的隔離，接觸軌方式則由于其自身特點(diǎn)采取低位安裝，與人身接觸的概率增大，需要采取更為可靠的技術(shù)措施與管理制度來(lái)保證人身安全，尤其是在檢修作業(yè)頻繁的庫(kù)內(nèi)更是如此。

架空接觸網(wǎng)在地下段采用剛性懸掛，接觸線卡在匯流排內(nèi)，匯流排和接觸線無(wú)軸向力，斷排或斷線概率極小，運(yùn)行可靠性較高。而在地面及高架段采用柔性懸掛，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有可能出現(xiàn)的鉆弓、燒融、磨耗不均以及受電弓故障造成的斷線故障，柔性懸掛可靠性稍低。但從國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其可靠性還是能夠滿(mǎn)足列車(chē)的安全運(yùn)行的要求。而接觸軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，其本身的可靠性較高。

3.3 工程投資及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本

架空剛性懸掛接觸網(wǎng)預(yù)算造價(jià)約為160萬(wàn)/條公里，架空柔性懸掛接觸網(wǎng)（以全補(bǔ)償鏈型懸掛為例）預(yù)算造價(jià)約為150萬(wàn)/條公里；接觸軌預(yù)算造價(jià)為190萬(wàn)/條公里。在一次性投資經(jīng)濟(jì)性能比較上，接觸軌明顯高于架空接觸網(wǎng)。

架空接觸網(wǎng)主要的接觸面為銀銅導(dǎo)線，其使用壽命為15～20年；而接觸軌的接觸面為鋁芯不銹鋼帶，鋼帶的厚度為6mm，含鉻量達(dá)到17%，具有良好的耐磨性能，根據(jù)有關(guān)資料，在集電靴每年通過(guò)100萬(wàn)次的條件下，不銹鋼帶的壽命可達(dá)35年，如果每年通過(guò)50萬(wàn)次，則可使用60年以上，并且不銹鋼帶表面光滑，具有良好的抗氧化性能和耐腐蝕性能。根據(jù)全壽命周期理念，這里以接觸軌系統(tǒng)鋼鋁復(fù)合軌運(yùn)行60年作為比較基準(zhǔn)，則架空剛性懸掛接觸網(wǎng)需進(jìn)行2次大修換線，架空柔性懸掛接觸網(wǎng)需進(jìn)行3次大修換線，全壽命周期成本上接觸軌要略?xún)?yōu)于架空接觸網(wǎng)授流方式。

3.4 對(duì)城市景觀影響

對(duì)于地面及高架段線路若采用架空接觸網(wǎng)，不僅支柱林立，而且接觸網(wǎng)的線材縱橫交錯(cuò)，需要采取景觀化效果較好的構(gòu)造形式，以減小對(duì)城市景觀的影響；而接觸軌沿軌道架設(shè)，高架段不高于橋翼，視覺(jué)上給人一種簡(jiǎn)潔干凈的效果，對(duì)城市景觀基本上沒(méi)有影響。此外，如廣州等一些臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)域，接觸軌有較高的抗風(fēng)性能，不會(huì)導(dǎo)致刮弓事件的發(fā)生，確保運(yùn)營(yíng)安全。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，架空接觸網(wǎng)與接觸軌各具優(yōu)點(diǎn)，都是城市軌道交通成熟可靠的牽引網(wǎng)授流方案。架空接觸網(wǎng)授流方式具有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，安全可靠，一次性建設(shè)成本較低，對(duì)車(chē)輛選型沒(méi)特殊要求的優(yōu)點(diǎn)。與接觸軌相比，主要的缺點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，對(duì)土建工程有一定的影響，運(yùn)行可靠性，全壽命周期成本不如接觸軌；接觸軌授流方式具有運(yùn)行可靠性高，全壽命周期成本低的優(yōu)點(diǎn)，與架空接觸網(wǎng)相比較，主要缺點(diǎn)在地面段運(yùn)行安全性需要技術(shù)與管理的保障、車(chē)輛選型較少、國(guó)內(nèi)線路尚無(wú)120km/h的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

[1]中鐵電氣化局.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].北京.中國(guó)電力出版社,2004年:74-81

[2]于萬(wàn)聚.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2003年:134

[3]何海波.地鐵牽引供電牽引網(wǎng)的選擇[D].//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)地下鐵道專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)交流會(huì).地下鐵道文集.深圳：海天出版社，1999：142