城市軌道交通供電系統授流方式研究

陳吉剛

（廣州地鐵設計研究院有限公司，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中，應用最多的還是DC750V和DC1500V兩種。這也是國際電工委員會（IEC）推薦采用的電壓等級。

就授流方式而言，在目前世界上100多個城市修建的軌道交通中，架空接觸網和和接觸軌約各占一半。其中架空接觸網采用的電壓等級較為廣泛。由于受到整流技術水平的制約，早期建設的地鐵普遍采用DC750V及以下電壓等級的接觸軌，但隨著硅整流技術的發展以及架空接觸網技術的成熟，DC1500V架空接觸網在城市軌道交通中得到較為廣泛的應用，近年來，DC1500V接觸軌技術也開始在軌道交通領域得到應用。

從我國城市軌道交通的發展史看，北京、天津地鐵等采用DC750V接觸軌，上海地鐵1號線、2號線、廣州地鐵1號線、2號線、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，廣州地鐵的4、5、6號線采用了DC1500V接觸軌。縱觀我國城市軌道交通授流方式的選擇，無論是架空接觸網還是接觸軌在我國城市軌道交通領域均有較多應用，都具有成熟的建設及運營經驗。

2 授流方式簡介

目前在國內外城市軌道交通系統中，供電系統授流方式根據安裝位置的不同主要有架空接觸網和接觸軌兩種方式。下面主要對兩種授流方式的結構組成及特點作簡要介紹。

架空接觸網根據結構形式的不同又分為架空柔性接觸網和架空剛性接觸網兩種主要方式。架空柔性接觸網主要由接觸線、承力索、架空地線、絕緣子、支持結構、立柱等組成，如圖1所示；架空剛性接觸網主要由匯流排、接觸線、垂直懸吊裝置、絕緣子等組成，如圖2所示；目前架空接觸網的零部件及設備已經全部實現了國產化。

圖1 架空柔性接觸網

圖2 架空“π”型剛性接觸網

接觸軌是沿軌道線路敷設的附加導電軌，從電動客車轉向架伸出的受流器通過受電靴與接觸軌接觸而取得電能。根據與電力機車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、下接觸式和側接觸式。接觸軌主要由鋼鋁復合軌、支撐裝置、端部彎頭、防護罩、中間接頭、膨脹接頭、中心錨結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備也已經全部實現了國產化。

圖3 下接觸式接觸軌

架空柔性接觸網的跨距一般為30～50米，可采用單支柱懸臂結構懸掛安裝，投資省，施工方便，一般應用于地面、高架橋及車輛基地等；架空剛性接觸網結構簡單、維護量小，但由于懸掛點間距一般為6～8米，不適合于隧道外懸掛安裝，一般應用于隧道內。相比于接觸軌而言，由于架空接觸網設置在線路頂部，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零部件較多，運營維護量較大、成本高。同時，在高架及地面線路還需考慮架空接觸網與城市景觀相互協調配合的影響。

接觸軌沿線路布置，結構簡單，安裝方便，維護工作量少，可做到少維修免維護。運行可靠性也較高，對城市景觀基本沒有影響。而且與架空接觸網相比，其磨耗小，使用壽命長。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等設施。另外在車場等維修人員活動頻繁的地點，需在運營維護上加強管理，嚴格控制維修與接觸軌帶電運行之間的隔離。

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、車輛負荷、運行安全可靠性、工程投資、運營維護成本、城市景觀、線網規劃等方面。

3.1 工程實施技術分析

根據我國城市軌道交通架空接觸網的建設和運營經驗，對于地下段采用架空接觸網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構簡單、運營維護成本低、可靠性高的優點。架空剛性懸掛方式自廣州地鐵 2號線率先引進并實現設備國產化至今，運行效果良好。目前已在南京、上海、杭州、蘇州、成都等國內其他城市軌道交通中大量采用。而對于地面及高架段如采用剛性懸掛，懸掛點間距一般為6～8米，支柱設置密集，施工困難，而柔性懸掛點間距一般為30～50米，可采用單支柱懸臂結構形式，施工方便。因此在地面及高架段柔性懸掛要優于剛性懸掛方式。

我國接觸軌供電制式根據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號線DC1500V下接觸式接觸軌的成功應用，接觸軌供電方式在城市軌道交通領域得到推廣應用。采用下接觸式，防護罩可以覆蓋接觸軌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，具有較好的設備安全性，對人身安全的保護也有所提高。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冰，地鐵運營部門需加開空駛列車進行軋道作業，對運營線路和接觸軌進行全面檢查，造成一定的能源浪費。而下接觸式由于接觸面始終處于底部，其它面均被防護罩所保護，因此結冰的概率極低，對雨雪天氣的適應性明顯增強。

3.2 運行安全可靠性

兩種授流制式對運行的安全性都是可行的，主要的差異在于架空接觸網的高空架設后對維護及其它相關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措施與管理制度來保證人身安全，尤其是在檢修作業頻繁的庫內更是如此。

架空接觸網在地下段采用剛性懸掛，接觸線卡在匯流排內，匯流排和接觸線無軸向力，斷排或斷線概率極小，運行可靠性較高。而在地面及高架段采用柔性懸掛，由于結構比較復雜，有可能出現的鉆弓、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。但從國內外運營經驗來看，其可靠性還是能夠滿足列車的安全運行的要求。而接觸軌結構簡單，基本實現免維護，其本身的可靠性較高。

3.3 工程投資及運營維護成本

架空剛性懸掛接觸網預算造價約為160萬/條公里，架空柔性懸掛接觸網（以全補償鏈型懸掛為例）預算造價約為150萬/條公里；接觸軌預算造價為190萬/條公里。在一次性投資經濟性能比較上，接觸軌明顯高于架空接觸網。

架空接觸網主要的接觸面為銀銅導線，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，含鉻量達到17%，具有良好的耐磨性能，根據有關資料，在集電靴每年通過100萬次的條件下，不銹鋼帶的壽命可達35年，如果每年通過50萬次，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。根據全壽命周期理念，這里以接觸軌系統鋼鋁復合軌運行60年作為比較基準，則架空剛性懸掛接觸網需進行2次大修換線，架空柔性懸掛接觸網需進行3次大修換線，全壽命周期成本上接觸軌要略優于架空接觸網授流方式。

3.4 對城市景觀影響

對于地面及高架段線路若采用架空接觸網，不僅支柱林立，而且接觸網的線材縱橫交錯，需要采取景觀化效果較好的構造形式，以減小對城市景觀的影響；而接觸軌沿軌道架設，高架段不高于橋翼，視覺上給人一種簡潔干凈的效果，對城市景觀基本上沒有影響。此外，如廣州等一些臺風高發區域，接觸軌有較高的抗風性能，不會導致刮弓事件的發生，確保運營安全。

結語

綜上所述，架空接觸網與接觸軌各具優點，都是城市軌道交通成熟可靠的牽引網授流方案。架空接觸網授流方式具有運行經驗豐富，安全可靠，一次性建設成本較低，對車輛選型沒特殊要求的優點。與接觸軌相比，主要的缺點是運營維護成本較高，對土建工程有一定的影響，運行可靠性，全壽命周期成本不如接觸軌；接觸軌授流方式具有運行可靠性高，全壽命周期成本低的優點，與架空接觸網相比較，主要缺點在地面段運行安全性需要技術與管理的保障、車輛選型較少、國內線路尚無120km/h的運行經驗。

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

[2]于萬聚.電氣化鐵道接觸網[M].成都:西南交通大學出版社,2003年:134

[3]何海波.地鐵牽引供電牽引網的選擇[D].//中國土木工程學會隧道及地下工程分會地下鐵道專業委員會第十三屆學術交流會.地下鐵道文集.深圳：海天出版社，1999：142