唐曉嵐

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

西安地鐵接觸網(wǎng)懸掛方式分析

唐曉嵐

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

結(jié)合西安市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)時(shí)序,針對(duì)2號(hào)線地下段占全線約80%、高架段占全線約20%,另設(shè)有車輛段和停車場(chǎng)各1座的線路特點(diǎn),通過對(duì)架空剛性懸掛、架空柔性懸掛及接觸軌3種類型接觸網(wǎng)懸掛方式進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)分析,提出適合西安地鐵2號(hào)線和西安地鐵網(wǎng)后續(xù)建設(shè)線路的接觸網(wǎng)懸掛方式建議。

城市軌道交通;線網(wǎng)規(guī)劃;架空剛性懸掛;架空柔性懸掛;接觸軌

1 概述

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是城市軌道交通供電系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分,由于它無備用,一旦發(fā)生故障,將會(huì)造成中斷行車時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)困難等后果。所以接觸網(wǎng)的安全可靠和盡可能低的維修率是保證城市軌道交通正常、高效運(yùn)營的必要條件。目前,國內(nèi)外城市軌道交通接觸網(wǎng)懸掛方式主要有架空剛性懸掛、架空柔性懸掛及接觸軌3種類型,如圖1～圖3所示。

圖1 架空剛性懸掛

圖2 接觸軌

城市軌道交通選擇哪一種接觸網(wǎng)懸掛方式的關(guān)鍵是必須與該城市軌道交通的既有現(xiàn)狀和線網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合,統(tǒng)籌兼顧,堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)上合理,技術(shù)上先進(jìn),適應(yīng)本城市歷史現(xiàn)狀特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)劃前景。西安市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃共計(jì)15條線路,先期建設(shè)2、1、3號(hào)線, 2號(hào)線作為西安市第1條軌道交通線路,與1號(hào)線形成十字骨干線路,其接觸網(wǎng)懸掛方式的選擇不僅影響本線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也影響后續(xù)線的建設(shè),因此有必要通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較對(duì)各種接觸網(wǎng)懸掛方式進(jìn)行分析研究,提出適合于西安地鐵2號(hào)線并符合西安市軌道交通發(fā)展規(guī)劃要求的接觸網(wǎng)懸掛方式。

圖3 架空柔性懸掛

2 各種懸掛方式關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 占用空間

架空柔性懸掛的彈性支座的簡(jiǎn)單懸掛方式,其所占用隧道上部的懸掛空間一般為420mm;弓形腕臂的簡(jiǎn)單鏈型懸掛方式,其所占用隧道上部的懸掛空間一般為430mm;

架空剛性懸掛,其所占用的懸掛空間一般為340～460mm。

接觸軌一般敷設(shè)在走行軌旁,接觸軌的結(jié)構(gòu)高度將接觸軌帶電體至接地體的安全距離及車輛集電靴結(jié)合起來,統(tǒng)籌設(shè)計(jì)考慮,可以確定安裝高度,只占用隧道的下部空間。

可見,架空剛性懸掛占用隧道上部空間較架空柔性懸掛所占用空間小,更能適應(yīng)凈空較低的隧道。

2.2 載流量

一般接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的工作電流在3 000 A以上,其銅當(dāng)量截面必須在600 mm2以上。架空柔性懸掛,采用雙接觸導(dǎo)線布置時(shí)的銅當(dāng)量截面一般為240 mm2,因此必須增加饋線補(bǔ)償其載流量的不足,造成其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

而架空剛性懸掛,由于采用鋁合金匯流排,銅當(dāng)量截面可達(dá)1 281mm2以上,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,載流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所需要求。

鋼鋁復(fù)合接觸軌截面積一般均在3 030～5 506mm2,載流量在3 000 A以上,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,載流量大。

2.3 受流質(zhì)量

架空柔性懸掛通過承力索和吊弦的作用改善接觸網(wǎng)彈性,實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)間良好受流,接觸網(wǎng)彈性均勻。

架空剛性懸掛的接觸線通過匯流排自身彈性及夾緊力固定在匯流排中,“硬點(diǎn)”較柔性懸掛少且小、易于控制,整個(gè)接觸懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高。

對(duì)于接觸軌方式,只要合理選擇跨距,充分考慮到接觸軌安裝施工精度的要求和工程結(jié)構(gòu)、線路等因素的變化,可以做到集電靴受流質(zhì)量平穩(wěn)、靴軌間的離線率很小。

2.4 使用壽命

根據(jù)理論分析計(jì)算及國外運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明:架空剛性懸掛中接觸導(dǎo)線可磨損至其標(biāo)稱面積的50%而毋須更換。而對(duì)架空柔性懸掛,接觸導(dǎo)線磨損至其標(biāo)稱面積的30%時(shí)即須更換。從這個(gè)分析上講,架空剛性懸掛接觸導(dǎo)線的使用壽命較柔性懸掛長(zhǎng)。

由于鋼鋁復(fù)合接觸軌的6 mm厚不銹鋼帶接觸面非常平滑,減少接觸軌與集電靴兩者的磨耗,減少了電弧的產(chǎn)生,從而延長(zhǎng)了接觸軌及集電靴的使用壽命。1992年,對(duì)柏林地鐵安裝的鋼鋁復(fù)合接觸軌進(jìn)行了磨耗檢測(cè),運(yùn)行7年半集電靴通過約650萬次后,鋼帶僅出現(xiàn)了0.2mm的磨損?？紤]到鋼鋁復(fù)合接觸軌使用的鋼帶厚度為6mm,正常工作條件下該軌工作壽命最大可達(dá)50年。

2.5 安全可靠性

架空柔性懸掛的活動(dòng)元件多、定位點(diǎn)多,在額定張力作用下易發(fā)生斷線事故。架空剛性懸掛、接觸軌均無活動(dòng)元件,沒有外加張力,可靠性高,失效破壞范圍小。而接觸軌方式在車輛段較不利于人身安全。

2.6 維修性

架空剛性懸掛及接觸軌活動(dòng)元件少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不存在斷排或斷線的可能,避免了架空柔性懸掛可能出現(xiàn)的鉆弓、燒融、不均勻磨耗、高溫軟化以及受電弓故障造成的斷線事故等缺陷。因此架空剛性接觸網(wǎng)、接觸軌在日常維護(hù)中的維修工作量比架空柔性接觸網(wǎng)要少,甚至無維修。

2.7 與規(guī)劃線路的銜接性

西安地鐵2號(hào)線在小寨站與規(guī)劃建設(shè)的1號(hào)線存在聯(lián)絡(luò)線,在與1號(hào)線路的銜接上,架空柔性懸掛需為后續(xù)接觸網(wǎng)預(yù)留接觸線、承力索下錨位置及錨段關(guān)節(jié)安裝空間;而架空剛性懸掛關(guān)節(jié)布置靈活、簡(jiǎn)單,后續(xù)架空剛性懸掛不需要任何下錨預(yù)留,即可獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝。因此,架空剛性接觸網(wǎng)在與規(guī)劃線路的銜接上顯示出更加方便、簡(jiǎn)單易行的優(yōu)越性。接觸軌與規(guī)劃線路的銜接可采用斷軌,也較為方便、簡(jiǎn)單易行。

2.8 人身安全

柔性懸掛、架空剛性懸掛位于支柱、隧道上部,安裝位置高,不會(huì)對(duì)線路維護(hù)人員及其他工作人員構(gòu)成安全威脅,對(duì)發(fā)生事故時(shí)快速疏散乘客不造成影響,在車場(chǎng)內(nèi)的安全性也高于接觸軌。

接觸軌安裝在走行軌旁,高度較低。雖設(shè)有防護(hù)罩,但在接觸軌帶電情況下,對(duì)進(jìn)入隧道人員或發(fā)生事故時(shí)人員疏散有一定危險(xiǎn)性,同時(shí)維修非供電設(shè)施時(shí)接觸軌必須停電。接觸軌安裝于車輛段內(nèi)時(shí),由于車輛段人員、車輛活動(dòng)比較頻繁,采用接觸軌供電尤其是DC1500V電壓等級(jí)的接觸軌供電,需要結(jié)合車輛段檢修工藝流程、設(shè)備布局、保證人身安全等方面進(jìn)一步深入研究車輛段接觸軌的安全防護(hù)措施,加強(qiáng)接觸軌的防護(hù)。

2.9 景觀效果

高架及地面段的架空柔性懸掛的安裝位置較高,正線地面(含高架)區(qū)段接觸網(wǎng)支柱、導(dǎo)線、錨段關(guān)節(jié)數(shù)量較多,接觸網(wǎng)支柱、導(dǎo)線、錨段關(guān)節(jié)對(duì)城市景觀產(chǎn)生影響,即使進(jìn)行景觀設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化導(dǎo)線數(shù)量,優(yōu)化支柱形式和錨段關(guān)節(jié)布置方式,也只能略有改善,特別是運(yùn)行速度較高的高架線路,支柱對(duì)視覺形成的光柵作用是無法消除的。

接觸軌安裝位置低,距軌面高度在0.2m左右,對(duì)城市景觀無影響。因此從環(huán)保和景觀效果方面考慮,高架區(qū)段采用接觸軌系統(tǒng)是較適宜的。

2.10 設(shè)備國產(chǎn)化

無論架空柔性懸掛、架空剛性懸掛,還是接觸軌,接觸網(wǎng)的國產(chǎn)化經(jīng)過廣州地鐵、深圳地鐵、上海地鐵等國內(nèi)多年地鐵工程的建設(shè)及運(yùn)營,其主要零部件已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,國產(chǎn)化部件的性能及結(jié)構(gòu)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。

3 各種懸掛方式經(jīng)濟(jì)比較

3.1 多種方案組合

根據(jù)上述各種接觸網(wǎng)懸掛方式的關(guān)鍵技術(shù)分析,并結(jié)合2號(hào)線采用DC1500V供電方案及2號(hào)線可研方案正線分為地下段(占全線約80%)、高架段(占全線約20%),另設(shè)有車輛段和停車場(chǎng)各1座的線路特點(diǎn),本線接觸網(wǎng)懸掛有以下幾種可行的方案。

方案1:地下段采用架空剛性懸掛,高架段、車輛段及停車場(chǎng)采用架空柔性懸掛;

方案2:全線(包括地下段、高架段、車輛段及停車場(chǎng))均采用架空柔性懸掛;

方案3:地下段及高架段采用接觸軌,車輛段、停車場(chǎng)采用架空柔性懸掛;

方案4:全線(包括地下段、高架段、車輛段及停車場(chǎng))均采用接觸軌。

3.2 方案經(jīng)濟(jì)比較

各懸掛方案的綜合經(jīng)濟(jì)比較見表1,本線各種懸掛方案在壽命周期內(nèi)綜合費(fèi)用的曲線如圖4所示。

表1 各種懸掛方案綜合經(jīng)濟(jì)比較 萬元

圖4 各種懸掛方案在壽命周期內(nèi)綜合費(fèi)用曲線

從表1、圖4可以看出,初期投資方案1投資最少;但全線50年壽命周期綜合費(fèi)方案4最經(jīng)濟(jì),其投資僅為方案1的一半。

3.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

對(duì)于方案3、方案4,根據(jù)最新對(duì)國內(nèi)車輛的調(diào)研,目前國內(nèi)尚無在運(yùn)營中的DC1500V接觸軌B型旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛。同時(shí)方案3,除了車輛需裝設(shè)集電靴及受電弓雙受流系統(tǒng)外,還需停車進(jìn)行受流方式轉(zhuǎn)換,既增加了車輛初期的投資,也增加了車輛維修部門的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用,降低了運(yùn)營可靠性。另外,從50年全壽命周期內(nèi)綜合費(fèi)用方面考慮,方案4最經(jīng)濟(jì),方案3次之。

對(duì)于方案1和方案2,兩方案各有優(yōu)缺點(diǎn),初期投資相差也不大,但通過各懸掛方式的技術(shù)比較及50年全壽命周期內(nèi)綜合費(fèi)用對(duì)照,針對(duì)本線隧道斷面結(jié)構(gòu)形式,方案2隧道內(nèi)采用架空柔性懸掛時(shí),接觸網(wǎng)本身的投資及其引起的土建工程投資均增高,且架空柔性懸掛零部件種類多,維護(hù)周期短且費(fèi)用高。因此,本線地下段接觸網(wǎng)懸掛方式適合采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)性能優(yōu)異、運(yùn)營可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低、設(shè)備的國產(chǎn)化率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)的架空剛性懸掛。

4 結(jié)語

綜上所述,從技術(shù)上來說,無論是DC1500V接觸軌,還是架空接觸網(wǎng),對(duì)于西安地鐵都是可行的,但一個(gè)城市軌道交通選擇什么樣的接觸網(wǎng)懸掛方式,需要結(jié)合城市本身特點(diǎn)和目前的技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r綜合考慮。綜觀廣州、上海、北京、深圳等城市在建及計(jì)劃建設(shè)的軌道交通工程中接觸網(wǎng)的懸掛形式雖然各有不同,但都是以成熟可靠為基礎(chǔ)。

在本線牽引供電制式確定為DC1500V的情況下,針對(duì)西安地鐵2號(hào)線正線地下段占全線約80%、高架段占全線約20%的特點(diǎn),雖然DC1500V接觸軌方式具有有利于城市景觀,但在汲取其他城市軌道交通的運(yùn)行和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,綜合考慮景觀、車輛制造及檢修安全等因素,從適應(yīng)西安地鐵2號(hào)線及后續(xù)規(guī)劃建設(shè)線路地下線路長(zhǎng),大都在主城區(qū),高架及地上線相對(duì)較短,大都在非鬧市區(qū)的特點(diǎn),因此,對(duì)于西安地鐵2號(hào)線及后續(xù)規(guī)劃建設(shè)線路地下段采用架空剛性懸掛,高架段及地面段采用架空柔性懸掛更優(yōu)。并對(duì)高架段接觸網(wǎng)支柱、導(dǎo)線、錨段關(guān)節(jié)進(jìn)行景觀設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化導(dǎo)線數(shù)量,優(yōu)化支柱形式和錨段關(guān)節(jié)布置方式改善景觀效果,與城市景觀相協(xié)調(diào)。

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Analysis on Suspension M ode of Overhead Contact System of Xi'an M etro

TANG Xiao-lan
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In this article,combining with the network planning and construction timing of Xi'an Urban Rail Transit,aiming at the characteristics of line No.2 which underground section accounts for80%of all and viaduct section accounts for the rest 20%,through the economic and technical analysis of three different overhead contact system(OCS)suspension modes including overhead rigid suspension, overhead flexible suspension and conductor rail,a suitable OCS suspension mode is presented for line No.2.The above OCS suspension mode also meets the requirements of development planning of Xi'an Metro.

urban rail transit;network planning;overhead rigid suspension;overhead flexible suspension;conductor rail

U231

A

1004 -2954(2012)10 -0095 -03

2012-02-15

唐曉嵐(1965—),女,高級(jí)工程師,1987年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道電氣化專業(yè),工學(xué)學(xué)士。