現代有軌電車供電接觸網系統研究與零件設計

郭春霞

0 引言

隨著國內城市化進程的加快，現代有軌電車以其投資小、綠色環保和高效，成為未來城市交通發展的重要趨勢。

經過對國內運營的有軌電車架空接觸網調研，天津、上海、沈陽有軌電車接觸網采用簡單懸掛，零件采用的是地鐵、輕軌柔性接觸網零件。有軌電車運行在城市地面上，零件在滿足使用要求的基礎上還有景觀化、安全等級高等新的要求。隨著有軌電車市場迅猛發展，市場對有軌電車接觸網專用零件需求日益凸顯。因此，研究分析有軌電車柔性接觸網類型、確定零件優化設計原則并設計現代有軌電車接觸網專用系列零件就顯得尤為重要。

1 國內有軌電車架空接觸網及零件現狀

1.1 有軌電車供電系統國內標準

目前，國內針對有軌電車供電系統的行業標準只有城鎮建設行業標準CJ/T1-1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統》，該標準從系統制式、電車整流站，饋、觸線網，軌道電氣技術要求，保護，供電調度等方面對有軌電車供電系統進行規定。標準中明確，系統標稱電壓為DC 750 V 或DC 600 V（DC 600 V 為非推薦值）。這為有軌電車供電系統絕緣產品的設計提供了電壓等級依據。

1.2 有軌電車柔性供電接觸網發展及類型

有軌電車接觸網接觸懸掛根據其結構的不同分成彈性簡單懸掛和簡單鏈形懸掛2 大類。

簡單鏈形懸掛的接觸線是通過吊弦懸掛在承力索上，承力索懸掛于支柱的支持裝置上，使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點，利用調整吊弦長度，使接觸線在整個跨距內對軌面的距離保持一致。簡單鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度，改善了彈性，增加了懸掛重量，提高了穩定性，可以滿足電力機車高速運行取流的要求。

簡單鏈形懸掛性能比彈性簡單懸掛好，但也帶來了結構復雜、造價高、施工和維修任務量大、對城市景觀影響大等諸多問題。長春和大連在早期修建的有軌電車線路中采用簡單鏈形懸掛，新修建的線路已基本不采用該種模式（圖略）。

彈性簡單懸掛是由1 根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式，該方式只有接觸線，沒有承力索，結構簡單，支柱高度低，支持裝置承受的負荷較輕，能滿足中低速為主的有軌電車供電網需要，但其跨度小、弛度大、彈性不均勻、懸掛點有硬點，且在運行中導線會上下振蕩。

彈性簡單懸掛即在接觸線下錨處裝設了張力補償裝置，以調節接觸線張力和弛度變化。懸掛點處加裝1 套8～20 m、倒Y 形的彈性吊索，通過彈性吊索懸掛接觸線，減少了懸掛點處產生的硬點，相應改善了懸掛點處的彈性和運行狀況。

彈性簡單懸掛空中架線少，與城市景觀協調。天津、上海、沈陽等地新修建的現代有軌電車線路都采用該模式。

1.3 國內有軌電車線路情況

目前國內新建的有軌電車線路基本采用彈性簡單懸掛（天津、上海、沈陽等），有軌電車電壓等級為DC 750 V，接觸線張力為12 kN，設計最高時速為70 km/h。

1.4 新修建有軌電車接觸網部分零件對比

參見表1 可以看出，新修建有軌電車線路接觸網絕緣產品的絕緣等級是DC 1 500 V。

表1 新修建有軌電車供電接觸網部分零件對比一覽表

1.5 復合材料在有軌電車供電系統中的應用

經過調研，大連有軌電車接觸網零件軟定位器在定位器管中壓接有一段復合材料絕緣棒，定位器附帶起絕緣作用。據悉，蘇州有軌電車采用進口零件，其中一個主要變化在復合材料應用上，它的定位器管和拉線都采用復合材料。用復合材料制作接觸網零件，能提高接觸網的絕緣等級，并具有重量輕，外形美觀的優點。

2 有軌電車架空接觸網零件設計

2.1 絕緣產品設計

由前所述可以看出，有軌電車線路接觸網電壓等級是DC 750 V，目前所用產品是地鐵柔性接觸網絕緣產品，電壓等級是DC 1 500 V，DC 750 V和DC 1 500 V 的耐受沖擊電壓、爬電距離都有很大差距，這給絕緣產品外形尺寸設計帶來空間。

2.1.1 額定沖擊電壓確定

根據歐洲標準EN50124-1：2001 中相關規定：不同的電壓等級有不同的絕緣距離和爬電距離。電壓等級不同將影響絕緣電壓的不同。標稱電壓為DC 750 V 和DC 1 500 V 的額定絕緣電壓分別為DC 900 V 和DC 1 800 V。根據額定絕緣電壓和過電壓的種類，EN50124-1《空氣間隙和爬電距離規范》中規定：DC 1 500 V 額定沖擊電壓為18 kV，DC 750 V 額定沖擊電壓為12 kV。

2.1.2 爬電距離確定

根據實際情況，有軌電車供電系統污穢等級按照重污考慮。IEC 60815《污染環境中所用絕緣子的選擇和尺寸測定》中對絕緣設計的污染等級和特定最小爬距做如下規定（見表2）：絕緣子的外形尺寸主要決定于其額定工作電壓及工作環境，污染等級為3（重度）時，直流系統特定最小爬距50 mm/kV；如果按照污染等級為4（極重度）時，特定最小爬距62 mm。有軌電車系統額定最高電壓為0.9 kV，按表中額定電壓為1 000 V 選擇，即DC 750 V 絕緣子的最大爬電距離理論設計尺寸62 mm。

2.1.3 干閃和濕閃電壓確定原則

依據城鎮建設行業標準CJ/T1-1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統》，標準中5.5.4 條規定：絕緣子饋、觸線絕緣中規定絕緣子的試驗電壓，干燥時耐沖擊的電壓為10～20 kV（峰值），絕緣子垂直安裝時，工頻1 min 耐淋雨的電壓為5～10 kV（有效值）。

2.1.4 機械荷載的確定原則

因為接觸線的張力和地鐵相比均為12 kN，沒有變化，只是在彈性簡單懸掛中少了承力索和吊弦部分，故對絕緣產品承受的機械載荷影響不大，絕緣產品的機械載荷性能參數借鑒DC 1 500 V 地鐵用絕緣子，方便在電壓等級相同的地鐵中使用。

2.1.5 材質確定

近年來復合材料在城市軌道交通中應用越來越廣泛，硅橡膠覆環氧樹脂芯棒制作的絕緣子傘裙具有優異的憎水性，自潔性好，防污性能優越，污閃電壓是瓷絕緣子的2～3 倍，可免除繁重的防污閃清掃工作；環氧樹脂芯棒的抗拉強度是瓷質材料的6～10 倍。據此原則重新設計的復合絕緣子外形和重量要比目前地鐵用DC 1 500 V 絕緣子減小約55%以上，外形美觀，滿足城市景觀化需要。

表2 IEC 60185 絕緣設計的污染等級和特定最小爬距（系統電壓為相對地電壓）一覽表

2.2 支持類零件設計原則

雖然運行速度有所降低，設計最高時速70 km，實際運行平均時速為20～30 km，但是接觸線的張力沒有變化，故接觸網上支撐接觸線的零件機械載荷變化不大，繼續參考地鐵同類產品機械載荷進行優化設計；接觸網中沒有承力索及吊弦，單個腕臂系統的承受載荷減小，腕臂可以考慮用48 型腕臂；支柱容量也減小。

2.3 下錨裝置設計

為了與城市景觀協調，將補償墜砣塊放置到支柱內，或地下空腔內，取消了接觸網在補償系統部分龐雜繁瑣的外在設置，形成視覺上的整齊統一。

正在建設的蘇州有軌電車下錨裝置就是將補償墜砣塊安裝到柱子內，使有軌電車接觸網與城市景觀更加協調。地鐵上的應用實例還有上海地鐵8號線、9 號線、11 號線。

3 雙絕緣系統設計

支柱與腕臂系統絕緣，腕臂系統通過絕緣定位器、絕緣吊索與接觸線絕緣，形成雙絕緣系統。該系統具有提高接觸網的絕緣等級和雷電耐受沖擊能力等優點。

1991 年德國運輸公司協會Verband Deutscher Verkehrsunternehmen-VDV 在其相關刊物上曾對直流1 500 V 系統的接地方式提出建議，當架空接觸網采用加強或雙重絕緣時，架空接觸網的支持結構不必與牽引接地相連，國外使用案例如法國波爾多市接觸網都沒有架空饋線。

4 結論

現代有軌電車是城市軌道交通中的基礎設施，是緩解交通擁堵、滿足居民出行的重要手段。在現代有軌電車蓬勃發展的大趨勢下，研究其架空接觸網結構，確定零件的設計原則以設計出更加美觀、經濟、安全的有軌電車接觸網專用零件，已經成為眾多城市軌道交通設計者和零件制造企業的一個重要研究課題，以上對現代有軌電車架空接觸網的研究分析及零件設計原則只是該領域很少的一部分，希望能對同仁提供參考。

[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[2] 魏忠超，于先芝，鄧志光，等.現代有軌電車及簡單接觸懸掛的應用[J].現代城市軌道交通，2010，（2）.

[3] CJ/T 1-1999 城市五軌電車和有軌電車供電系統[S].