城市轨道交通线网规划中牵引供电授流方式的比选
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摘要
分析了城市轨道交通两大类牵引供电制式的基本特点，提出了城市轨道交通线网规划采用供电授流方式时应注意的问题。为国内新建轨道交通工程的城市在选取牵引供电授流方式时提供了参考和建议。
关键词
牵引供电 授流方式 接触网 接触轨
1概述
从城市轨道交通车辆和牵引供电系统设备资源共享的角度出发，同一城市的轨道交通线路的牵引供电制式宜取一致，不仅可实现车辆的跨线运行、减少备用车数量，而且可减少车辆和牵引供电系统设备的备品备件品种和数量、有利于备品备件的统一调配，此外，还有利于车辆和牵引供电系统检修设施、人力资源的综合利用和管理，
而在城市地铁建设初期，采用架空接触网和接触轨授流方式，在目前国内仍然有比较大的争议，本文从技术角度，对这两种牵引授流制式进行比较。
2两种牵引授流制式介绍
接触轨系统包括接触轨、支架、防护罩、隔离开关、连接电缆等。接触轨、支架和防护罩是接触轨系统中送电、支撑、防护的三大部件。接触轨分为上部、侧部和下部三种授流方式。
架空接触网授流方式是将接触网设在线路上方，列车通过安装在车辆顶部的受电弓与接触导线接触取电，分为柔性和刚性架空接触网两种。
3 牵引供电制式方案比较
3.1 安装结构
接触轨系统主要由接触轨、支架、防护罩等组成，安装结构简单。
柔性架空接触网系统由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱和基础组成；为满足城市轨道交通列车大电流的需要，柔性架空接触网系统除接触导线和承力索外，还需增设数根辅助馈线；接触导线和承力索均需设置张力补偿下锚装置，安装结构复杂。
刚性架空接触网系统由接触导线、汇流排和支持装置组成，汇流排通过支持装置的埋入螺栓固定在隧道顶部。载流导体仅为汇流排和一根接触导线，接触导线和汇流排均采用无张力架设，安装结构简单、紧凑。
3.2 对土建的影响
1）对隧道净空的影响
接触轨系统的安装位置低，可以充分利用车辆车体下方的空间，对隧道断面无特殊要求。
城市轨道交通工程采用的圆形和马蹄形隧道断面的拱顶至列车车顶的自然净空已满足刚性架空接触网系统的安装和绝缘要求，不需额外增加净空；采用直线区间矩形隧道断面时，安装刚性架空接触网系统所需的隧道净空比安装接触轨系统所需的隧道净空多约200mm。
2）对桥梁结构的影响
在高架桥区段，采用柔性架空接触网系统时，桥面宽度一般不得小于9.2m，且接触网系统的荷载较接触轨系统大，对桥梁结构的要求较高；采用接触轨系统时，桥面宽度可减少至8.4m，有利于减少桥梁体量，节省土建投资。
3.3 授流质量和允许列车运行速度
1）接触轨系统
接触轨系统在道岔区、人防门、防淹门、平交道口和需设置电分段处均须设置断轨，虽然在接触轨的端部设置了具有适量纵向坡度的端部弯头，但集电靴滑入接触轨时仍会受到一定的冲击，若列车速度过快，会损坏接触轨或列车集电靴。
因此，目前城市轨道交通工程采用接触轨系统时，为了确保授流质量，列车的最高运行速度：国内为100km/h、国外为130km/h。
2）架空接触网系统
（1）柔性架空接触网系统
全补偿简单链形悬挂接触网系统采用张力自动补偿装置，并通过吊弦调节接触导线高度，在某一特定温度下，接触导线处于无驰度状态，在整个跨距内接触导线至轨面保持相等的高度，基本消除了接触导线的硬点，能满足列车高速运行的要求。目前，国内高速客运专线设计时速也已达到350km/h。
（2）刚性架空接触网系统
刚性架空接触网系统没有特殊硬点，而且其安装精度高、稳定性好、具有良好的弓网关系，授流质量较好。目前国内采用刚性架空接触网系统列车的最高运营速度为100～120km/h。
3.4 导体磨耗寿命
接触轨的滑动面一般均采用6mm厚的不锈钢带，耐磨性好。由于接触轨的主要载流导体为铝合金，通过不锈钢带传输的电流小于1%，因此，6mm的不锈钢带理论上可以全部利用，其磨耗寿命可达100年。
柔性架空接触网系统的接触导线要求在磨耗面积≤20%时，安全系数≥2.0，其最大允许磨耗量约为30%；其在悬挂定位点和跨中的弹性不均匀性决定了接触导线磨耗的不均匀，在悬挂定位点处接触导线表面的局部磨耗较大。由于接触导线张力较大，锚段内的接触导线只要有一个点达到磨耗限值，就须局部更换接触导线或更换整个锚段的接触导线。
刚性架空接触网系统的接触导线不带张力，只要保证列车受电弓平滑取流且不与汇流排相接触就可以正常运行。理论上允许接触导线磨耗至汇流排夹口边缘。综合考虑各种因素，刚性架空接触网系统接触导线的最大允许磨耗量约是柔性架空接触网系统的2倍；因此，理论上刚性架空接触网系统接触导线的换线周期比柔性架空接触网系统长。
根据国内外的实际运营经验，当列车以800弓架次/天通过时，柔性架空接触网系统的接触导线的换线周期约为10～15年。刚性悬挂接触网系统的接触导线的换线周期约为20~30年。
3.5可靠性
接触轨系统的结构简单，各部件均刚性固定，稳定性好，不存在断线、钻弓等事故隐患，发生故障的几率很小，可靠性高。
柔性架空接触网系统的承力索、接触导线等呈柔性，需要定期调整、维修。若调整、维护不当，弓网之间运行状态变坏，接触导线经过反复磨耗后存在断线事故隐患。一旦发生意外事故，由于所有线材均带有张力，将造成整个锚段陷入瘫痪，加上抢修时间较长，可能会中断行车达数小时。不过，从长期的运营实践来看，柔性架空接触网系统的故障率是非常小的；只要加强日常的巡检排查，完全能满足城市轨道交通系统正常运营的需要。
刚性架空接触网系统的接触导线钳夹在汇流排上，无轴向张力，不存在断排或断线的可能，避免了柔性架空接触网系统存在的断线隐患，也不会发生钻弓事故；即使接触导线由于意外事故高温软化，退火后也不会影响列车的正常运营。因此，采用刚性架空接触网系统时，不需要经常调整、维护，稳定性好，可靠性高。
3.6 安全性
架空接触网系统的悬挂安装在线路上方，高度很高，带电体远离人群日常活动的范围，发生触电的可能性很小，安全感较好。
接触轨系统沿走行轨旁安装，高度很低，若有人在轨道上行走或检修，极易与人身发生接触，引起触电的可能性较大，安全感较差。在采用下部授流方式后，扩大了接触轨的安全防护范围，安全性较上部授流方式已大大提高，但与架空接触网系统相比，其安全性仍然较差，必须从运营维护管理制度和事故疏导体系等方面进行严格管理和控制。
3.7 工程实施
接触轨系统的安装位置低，安装、调整方便，不需配置大型施工机械。接触轨的预弯可以在综合维修基地的材料车间完成。且接触轨的切割可以利用小型专用切割机具现场处理，工程实施容易。
架空接触网系统的安装位置高，在隧道内打孔、隧道外立杆、支持装置装配、放线、调整均需配置大型专用施工机械。其中，柔性架空接触网系统的接触导线呈柔性且带有较大的张力，安装调整的工作量大；刚性架空接触网系统的汇流排和接触导线刚性固定，调整工作量较柔性架空接触网系统小，但安装精度要求高。
3.8 运营维护
接触轨系统的结构简单且刚性固定，在运营中接触悬挂的位移小、维护工作量小（但清洗绝缘的工作量大）；无需高空作业，安装、调整和事故抢修方便，需要的检修设备和运营维护人员较少；接触轨的允许磨耗大、大修间隔时间长、零部件种类少（约10多种）、相应的备品备件数量也少，总的运营维护费用低。
柔性架空接触网系统的结构复杂，在运营中需经常调整、维护；作业面高、故障影响范围大，安装、调整和事故抢修复杂，需要配备专用检修车辆、设备和人员；接触导线的允许磨耗小，大修间隔时间短；柔性架空接触网系统的零件多达数百种，通用性较差，备品备件数量大，运营维护费用高。
刚性架空接触网系统的结构简单且刚性固定，在运营中接触悬挂的位移很小，不需经常调整、维护，运营维护工作量小；其零部件种类较少（约20多种），运营维护费用低。
3.9 城市景观
在隧道区段，两种牵引授流制式对城市景观均无影响，仅在地面和高架区段可能对城市景观产生影响。
1）接触轨系统
接触轨系统在区间安装在列车行进方向的左侧，即上、下行线路中间的疏散平台下，安装位置低（距轨面高度不到0.5m），对城市景观无影响，见图1。
2）柔性架空接触网系统
柔性架空接触网系统的安装位置高，同时为了满足列车大电流的需要，一般需要1～2根接触导线、1根承力索、3～4根辅助馈线，另外，还需设置一根架空地线，整个系统的结构复杂，见图2。
图1高架区间接触轨系统实景图2 高架区间架空接触网系统实景
3）高架区段接触网系统景观分析
城市轨道交通工程是一个庞大的系统工程，影响其建设的因素众多。城市景观方面的要求仅仅是城市轨道交通选择牵引供电制式时需考虑的诸多因素之一，只有综合考虑各相关因素，才能做到经济与技术综合最优。
3.10 车辆方面
1）车辆选型
目前国内城市轨道交通工程中一般采用A型车和B行车。
A型车的车体宽度较B型车大，但由于受到车辆本身的限制，A型车均采用架空接触网方式，目前国内还未有开通运营的A型车采用接触轨授流方式的先例。
B型车的授流方式具有一定的灵活性，既可采用架空接触网授流方式，也可采用接触轨授流方式，均能满足工程的可实施性要求。
2）授流装置
采用接触轨授流方式时，6辆编组的每辆动车的两个转向架均配置两个集电靴，每辆拖车的一个转向架配置两个集电靴，每列车需要20个集电靴；而采用架空接触网授流方式时，每一列列车仅需配置2套受电弓。
4结论
综上所述，接触轨接触网对城市景观无影响，节能环保，但对安全维护方面有额外的投入，适用于对城市景观要求较高的城市；架空接触网系统对安全维护的要求较少，适用于对高架区段较少，对城市景观要求不高的地区。
因此，在城市轨道交通建设时，应根据城市发展的要求，合理的进行牵引供电授流方式的选择。