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城市轨道交通三种牵引供电模式比较

文 / 2016-07-11 11:37

城市轨道交通用的牵引供电模式主要有三大类型：第三轨，架空柔性接触网和架空刚性接触网。

一、三种模式简介

1、第三轨

第三轨仅用于城市轨道交通中的地铁，全封闭的城市铁路和轻轨等线路，因其牵引供电线路中的导电轨沿线路在车辆的走行轨旁设置而被形象地称为“第三轨”。第三轨距走行轨中心距离约为1.4米，距轨面高度约0.44米（具体数据要根据机车集电靴设置参数而定），由接触导电轨、端部弯头、防爬器、隔离开关和防护罩等组成，并用绝缘子支撑。与之相配合，车辆采用集电靴受流。

一般地，根据车辆集电靴与导电轨的接触受流方式的不同，车辆接触受流方式分为上接触式、侧接触式和下接触式，对应的第三轨也就称为“上接触式第三轨”、“下接触式第三轨”和“侧接触式第三轨”。

（一）上接触式

上接触式接触轨直接放在支持绝缘子上，安装于走行轨的一侧，车辆的集电靴从接触轨上表面取流。接触轨的上方和一侧有防护罩保护，对人员接近和冰雪侵扰有一定防护作用。

上接触式接触轨的结构简单，造价低廉，其导电轨直接放置于支持瓷绝缘子上，导电轨重量对结构的稳定有利，日常检查也一目了然，维护工作量小，机械故障的可能性也小。

上接触式的主要优点是结构稳定可靠、维护方便、造价低，但由于导电面几乎全部暴露在外，在人身安全防护、美观、耐候性等方面低于下接触和侧接触式。正是由于这一缺点，英国的有关部门在60年代后期决定除既有线路外，在新建的城市轨道交通线路中不再使用这一方式，如1987年8月开通的英国伦敦港口住宅区轻轨（DLR）线路，就改用了侧接触式接触轨。

（二）下接触式

下接触式接触轨向下安装在特殊的防护罩的内侧，防护罩集防护和支持功能为一体，安装在走行轨的一侧。接触轨的上方和两侧都被防护罩屏蔽，车辆的集电靴从接触轨下表面取流。其优点是相对安全、美观、耐候性较好。

在某些特殊的情况下（如乘客掉下站台、车辆在区间发生停车故障、需要紧急疏散乘客、车辆维修工作人员疏忽等），由于暴露在外的导电面相对隐蔽，对可能产生的人身安全问题有一定的防护效果。

下接触式接触轨的主要缺点是比上接触式接触轨的运营维护工作量大，相应费用较高。

下接触式接触轨向下安装在防护罩的内侧，接触轨重量对于整体结构起不到稳定作用，因此对防护罩的结构有特殊要求，否则其变形可能会引起接触轨的变形，进而影响到车辆的受流。在检查维护时，必须打开防护罩才能观察到接触轨机械连接和电气接续部件的状态。

（三）侧接触式

侧接触式接触轨类似于上接触式接触轨，都是安装在瓷绝缘子的上部，主要区别是接触轨外形不同，对着车辆受流器的侧立面较为平直。主要优缺点也与上部受流方式基本相同。

与上述两种受流方式相比，侧面受流方式有两个较突出的优点：一是接触轨的终端弯头向侧面外弯，不占下部空间，离积雪较远，也不占上部空间，容易处理与车体的距离关系；在线间距较宽的道岔区，它可以顺道岔导曲线延伸，缩短道岔区的无电区长度。二是它所受到的受流器侧向压力较为稳定，不会因为受流器脱轨而对接触轨和支架产生过大的侧向推力，运行更加安全可靠。

侧接触式接触轨主要在德国、英国等少数国家采用，我国目前没有运营经验和车辆受流器的生产运用经验。重庆城市交通单轨线路采用的侧面受流刚性接触网与侧接触式接触轨不是同一概念，这种侧面受流刚性接触网型式自日本引进，电压采用DC1500V。

（四）导电（接触）轨使用的材料

常用的导电（接触）轨材料分为低碳钢和不锈钢－铝合金复合材料两种类型。

（1）低碳钢接触轨

北京地铁的上接触式接触轨使用我国自行生产的JU-52型渗铝低碳钢接触轨（钢号为0.5Al），单位重量51.36kg/m，单位长度电阻为1.91×10-5 Ω/m（+15℃），标准制造轨长12.5m的接触轨在隧道外焊接成50～75m长度的轨节（在隧道内轨节长度可以加倍），轨节之间做成轨缝式膨胀接头，构造简单，维护简便，运行30年来上表面仅磨耗3～5mm，约占接触轨截面的6%，运行反映良好。

（2）不锈钢－铝合金复合接触轨

简称“钢铝复合接触轨”或“复合接触轨”。由于低碳钢接触轨电阻率高，压降大，20世纪70年代以来，国外开始研究导电性能优越的铜接触轨和使用耐磨性好的钢材与导电性好的铝合金材料构成复合接触轨来取代低碳钢接触轨。由于铜接触轨的使用受到了成本和资源的限制，因此，成本相对低廉，资源相对充裕的钢铝复合接触轨得到了较广泛的应用。

复合接触轨采用6mm厚的高硬度不锈钢带与铝合金轨体压合。目前采用这种复合接触轨的城市有巴塞罗那、旧金山、底特律、温哥华、多伦多、曼谷、哥本哈根等城市。以载流量3,500A的复合接触轨为例，单位重量11.16㎏/m；复合接触轨截面积约3,705mm2（其中，铝合金轨体截面积3,485mm2，不锈钢截面积220mm2）；单位长度电阻0.91×10-5 Ω/m（+20℃）；标准轨长可为9m或10m，通过专用鱼尾板连接成120m的轨节，轨节之间用专用膨胀接头连接。据报道，温哥华地铁使用的钢铝复合接触轨在运行5年后实测平均磨耗0.04mm/年，据此推算其使用寿命约为40～50年。与低碳钢接触轨相比，钢铝复合接触轨具有下列优势：

l 重量轻、截面小、易于施工安装；

l 电阻值低、电压降及牵引网电能损耗均有所下降；

l 接触面光滑、耐磨耗，可减少由于受流器与接触轨之间的不平顺产生的电弧。

但是，钢铝复合接触轨除了自身造价高于低碳钢接触轨外，还要求每一轨间用螺栓连接的接头缝隙不大于0.1mm，这是很高的安装精度，对施工和管理提出了较高的要求；另外，如果采用有机聚合材料的绝缘子，则需要根据运用情况考虑材料的抗污秽、抗漏电痕迹和抗老化等性能的要求。

运用的特点：

目前，第三轨系统结构简单，使用寿命长，在安装、维护上的费用和工作量要低于架空接触网（相同电压下），受天气的影响也小得多（除了上接触式外），并且能够较好地适应小尺寸隧道。另外，还有一个有争论的优点在于对视觉的影响上，一些人认为接触网暴露在地面上的部分影响了城市景观。

由于第三轨系统距地面很近，无法做到全方位的人员接近防护是一个主要的缺点。电力操作规程所规定的断电标志（打开断路器，有明显的断路点，挂地线）在第三轨系统实行存在困难，对日常维护或紧急情况下的旅客疏散造成困难。也正是由于距地面很近的原因，设备在国内还存在易窃易损的可能。另外，第三轨系统在运行轨道岔处必须留出间隙，在某些环境下会出现列车中断运行的情况，需要使用跳线电缆临时搭接或其他列车救援。再者，由于直流电场的吸附作用和距地面很近的原因，第三轨系统中的绝缘器件容易被污染，加之自然风和雨水无法对绝缘器件产生自洁作用，需要经常清扫，否则极易发生绝缘闪络事故，影响行车。

由于接触轨的不连续性，受流器在滑入接触轨时会受到冲击，当列车速度过高时，冲击力较大，严重时会损坏受流器，因此，采用接触轨受流方式时列车的最高运行速度较低。根据英国的研究，采用第三轨的列车运行极限速度为160km/h。在国内，采用第三轨的北京地铁列车运行极限速度为90km/h。

接触轨系统的结构简单，刚性固定、维护工作量小，故障率低，最常见故障为支持绝缘子污秽、裂纹或损坏，无需配备专用的接触轨系统抢修机械。由于接触轨系统的零部件种类少，作业面也低，因此，抢修作业程序也较为简单，通常是停电后，在确定损坏的绝缘子位置后，即可进行更换。

2、柔性架空接触网

二次世界大战前，架空的电气化线路设计开始使用。第一条从伦敦利物浦大街到圣菲尔德的线路全部完工于1948年，采用DC1500V电压。随后的七十年代开始，DC1500V架空接触网占了新建城市轨道交通的70%以上，而采用接触轨的城市轨道交通不足30%。

在早期的城市轨道交通中，供电系统的整流设备大多数采用水银整流器，其反向冲击电压水平仅能满足750V电压的要求，初期的电力半导体器件也很难达到1500V电压的要求。到了七十年代，高电压的电力半导体器件制造技术已经成熟，这样就为采用1500V电压等级创造了条件。同样，架空接触网也是受到机械工业的影响，早期的发展受到一定程度的制约，此时接触轨由于安装相对简单、实用、易于实现而被许多国家采用。随着技术的不断进步，接触网从设备的安全可靠、降低造价到易安装、易维护、少故障等方面都有了本质上的飞跃，九十年代以后包括我国在内的很多国家和地区纷纷提出了针对架空接触网的“少维修，无维修”的口号，加上其相对接触轨而言在人身安全方面的优越条件，后期修建的地下铁道多数采用了DC1500V架空接触网方式。

（一）柔性架空接触网悬挂种类

柔性架空接触网在电气化铁道中得到了广泛的应用，适用于城市轨道交通的架空式接触网的悬挂类型大致可分为两大类：半补偿弹性简单悬挂方式，全补偿简单链形悬挂方式。

（1）半补偿弹性简单悬挂

半补偿弹性简单悬挂接触网由支柱（基础）、支持装置、定位装置、接触线（吊索）、补偿装置等组成。

半补偿弹性简单悬挂接触网结构简单，导线的弹性均匀性较差，弓网关系不易匹配，不适用于较高速度行车，因此在城市轨道交通中的车辆段场所的停车线、出库线、月修线、不落轮镟库线、静调线、吹扫线等场地使用较多。半补偿简单悬挂接触网在单股道线路上是通过腕臂上的三角形吊弦悬挂一根接触线，在库内的各种线上是通过各个悬挂点上的三角形吊弦悬挂一根接触线（Ris120），在多股道线路上则通过软横跨下部定位绳上的滑轮三角形吊弦悬挂一根接触线（Ris120）。

（2）全补偿简单链形悬挂接触网

正线柔性全补偿简单链形悬挂接触网在技术上是成熟的，经济上是相对合理的，目前还没有更理想的形式来取代。全补偿简单链形悬挂接触网的弹性均匀，受流质量好，稳定性较好，弓网关系匹配也较好，适用于较高速度行车，但其结构占用的空间较大，在隧道内使用时需要增加一定的土建工程量（其结构高度根据隧道结构的不同大约是在235mm到375mm之间）。

全补偿简单链形悬挂接触网是由支柱（基础）、支持装置、定位装置、接触悬挂、补偿装置等组成。

Ø 支柱及基础

在隧道外接触网悬挂通过支持装置：支柱及基础固定。按其在接触网中的作用可分为中间支柱、锚柱、道岔定位支柱、硬横跨支柱等几种。目前，在城市轨道接触网系统中采用H型，圆型钢支柱。

Ø 支持装置

由水平腕臂、斜腕臂、绝缘子等组成，其作用支持接触网悬挂，并将力传给支柱和建筑物。

Ø 定位装置

定位装置包括定位管和定位器。其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱，定位器有直管定位器、弯管定位器。

Ø 补偿装置又称补偿器

补偿装置（补偿器），由补偿滑轮、补偿绳、杠杆、坠砣杆和坠砣组成。

它设在锚段两端，能自动补偿接触线或承力索内的张力，它是自动调整接触线或承力索张力的补偿器及其制动装置的总称，由滑轮和坠砣组成。其作用是温度变化时，线索受温度影响而伸长或缩短，由于补偿器坠砣的重量作用，可使线索沿线路方向移动而自动调整线索张力，使张力恒定不变，并借以保持线的驰度满足技术要求在隧道内接触网悬挂通过底座，支持装置（腕臂、绝缘子），定位装置（定位器）固定。在DC1500V供电方式中，接触网系统在正线股道上一般采用双接触线（Ris120），单或双承力索（TJ-150），0～4根辅助馈线（TJ-150），1根架空地线（TJ-120）。在隧道中，为了进一步降低隧道的工程造价，充分利用隧道顶部的空间，许多城市在隧道内的接触网悬挂方式上还采用了结构占用空间较小的弹性支座有补偿简单悬挂（国外公司的专利技术）。

（二）接触网的主要设备及其特点

为了保证工作人员的作业方便及人身安全，将接触网在电的方面分成独立的区段。绝缘器两端的接触线当开关闭合时都能带电；当隔离开关打开时，独立的区段中则没有电，便于在该独立区段中进行停电作业。

（1）双沟式银铜接触线

目前，在城市轨道交通供电系统架空柔性接触网里都采用Ｒｉｓ的银铜接触线，截面积120mm2。此种含0.1％银合金的接触线具有：一是耐温好，大幅度提高了接触网系统的抗退火、抗短路能力（接触网系统能承受最大不退火短路电流为40000A,20ms,末端不退火短路电流为15000A,60ms），克服了铜接触线软化现象；二是抗拉强度好，Ris120额定张应力也高于同类铜接触线，在接触线截面积磨损20％后，其额定张应力仍然维持在正常的架设张应力范围之内；使用寿命长，大大提高了运营的可靠性。

（2）分段绝缘器

为均匀分配接触网负荷和故障维修处理的需要，接触网需分成若干个供电区域，设置分段绝缘器。分段绝缘器可分：隧道外单线和隧道内双线，前者在车辆段内的各个电分段的线路上，后者用于正线需要电分段的线路上。

（3）隔离开关

隔离开关与分段绝缘器配合使用，使接触网达到灵活供电。按其功能可分带接地刀闸和不带接地刀闸的隔离开关。按其操作系统分手动和电动。

（4）避雷器

在雷击地区为有效保护接触网和整个牵引供电系统的正常供电，通常在车辆段、地面正线和隧道口装有阀式避雷器和羊角避雷器。

3、刚性接触网悬挂

刚性悬挂接触网系统的应用从发明至今已有100多年的历史了。1895年，在美国巴尔的摩第一条电气化铁路中首次应用了架空刚性悬挂接触网系统。1961年，日本营团地铁日比谷线采用了“T”型刚性悬挂接触网系统作为接触网悬挂形式。1983年，在法国巴黎RATPA线采用了作为架空刚性悬挂主要型式之一的“Π”型架空刚性悬挂系统被成功应用。刚性悬挂接触网结构比较简单，由悬挂装置、绝缘子、汇流排等组成。刚性悬挂方式相当于安置在隧道顶部的接触轨。因此，刚性悬挂方式同时具有接触轨和接触网所具有的优点，在上个世纪70年代后期被许多国外的城市所采用。

我国自从1997年至2000年4月间，由中铁电气化局集团有限公司上海地铁工程公司总承，在广州地铁一号线坑口站——花地湾站进行了约135米的“Π”型铝合金汇流排刚性悬挂接触网试验段后，这种安装形式被正式引入我国，并在广州地铁二号线隧道段全面采用。自2003年06月28日广州地铁二号线正式对外运营以来，整个系统的良好性能表现，使刚性悬挂这一架空接触网安装形式在我国的轨道交通领域的广泛推广使用打下了基础。目前，国内现有及在建的城市轨道交通线路中，采用“Π”型汇流排刚性接触网系统的就有广州地铁地二号线、广州地铁三号线、南京地铁南北线工程、上海轨道交通9号线、深圳地铁五号线等。

“Π”型刚性悬挂接触网特点

（1）、结构简单，施工方便

“Π”型刚性悬挂汇流排当量截面积为1200 mm2，相当于柔性8根150 mm2 硬铜绞线。其下嵌入传统柔性悬挂接触导线后，即等于同于柔性悬挂承力索、接触导线和架空馈电线的作用。因而刚性悬挂的结构形式相对于传统的柔性悬挂接触网来讲更简单、更紧凑，方便施工。

（2）、安全可靠、易于维护

首先，刚性悬挂接触网处于无张力自然悬挂状态，它依靠铝合金汇流排的刚性来保持接触导线的位置恒定，不需要象柔性悬挂设置重力下锚张力装置，悬挂结构变得更加简单，节约了有限了隧道空间，且对土建结构的承力要求较柔性悬小得多，系统的安全性及稳定性均较柔性悬挂要好。

其次，由于刚性悬挂接触网不存在张力作用，完成消除了突发断线之忧。而且，所有刚性悬挂提高了运营安全可靠性，同时也增加了系统的可维护性，使维护变得更容易。

再次，由于刚性悬挂接触网的安全可靠性决定了其正式投入运行后，日常维护和事故抢修工作量比柔性接触系统要少得多，事故平均恢复时间较柔性悬挂短得多，能最大限度地保证正常的运营。

第四，刚性悬挂接触网系统正线采用绝缘锚段关节进行电分段，无需再单独采用分段绝缘器，从而减少投资，且最大限度地保证了正线接触网系统的相对连续性，提高接触网系统安全性、可靠性。

（3）、国产化高、节约投资

在广州地铁一号线刚性悬挂示范段的开通并投入运营，标志着由中铁电气化局集团有限公司与广州地铁总公司进行联合研制的国产化架空刚性悬挂接触网系统的试验成功，实现了汇流排及其附件的国产化、主要零部件的国产化、绝缘子国产化。至此，除刚性分段绝缘器外，其它设备都已实现国产化，可以大大降低建设成本。

（4）、形式特殊、要求较高

由于刚性悬挂采用硬质铝合金材质，施工过程中的一个小小的失误都可能造成难以恢复的永久性缺陷，例如不小心造成汇流排永久变形，有可能在锚段中间形成无法修正的缺陷，它不可能象柔性悬挂那样可以通过系统本身的匹配关系进行弥补。因此，在刚性悬挂施工过程中对系统关键点的控制的人员、技术、设备就显得犹为重要，它将决定整个项目工程的竣工质量。

设计对刚性悬挂系统性能要求很高，对施工安装的精度要求更高，这就要求施工单位做更多大量的、精确的、细致的调整工作。

（5）、灵活方便、性能优良

刚性接触网可根据需要，在特殊的地方设计为可移动的形式。如在地铁车辆段检修库、隧道段人防门、防淹门等地方，在需要检修或关闭人防门、防淹门时移去上部刚性悬挂，待检修完成或打开人防门、防淹门后再移回这部分刚性悬挂，恢复正常工作状态，这一特点的优越性是显而易见的。

根据采用刚性悬挂接触网系统的国家以及我国广州地铁二号线的刚性接触网系统的运营经验得知，刚性悬挂接触网在柔性悬挂相对薄弱的环节上具有绝对的优势，如经过细心调整，机车受电弓在通过刚性悬挂关节时可以完全消除拉弧现象，可以有效地防止因机车通过关节时拉弧引起的对接触导线的损伤，而这一点在柔性悬挂接触网系统中几乎是不可能实现的。

二、三类接触网的优缺点

刚性架空接触网与接触轨一样具有结构简单、事故影响范围小、运营维护工作量小等优点，但由于其作业面较高，运营维护仍须配备专用的维护检修车辆。

三种供电制式的比较，柔性架空接触网适合列车高速运行。但是由于城市轨道交通所特有的“短区间多站点”的特性，运营速度并非决定性因素，一般达到80km/h即可。由于带电部分高出运行轨面4米以上，安全性好，并且可以按照电力操作规程的规定，确保有明显断电标志（降下车辆的受电弓，与带电的接触网脱离），便于紧急情况下的处置。

另外，由于在高空架设，自然风和雨水能够对绝缘子产生自洁作用，相对减少了绝缘子的清洁工作量。

但是，柔性架空接触网结构复杂，零部件多，且有断线之虞；接触线磨耗快，换线周期短；在隧道内，张力补偿下锚要求高，在地面或高架桥上会对城市景观造成一定影响。柔性简单链形架空接触网的接触导线和承力索均带张力，接触网发生短路故障时存在断线隐患，其支持部件除承受各类线索的垂直荷载外，还要承受线索张力引起的各类水平荷载及断线冲击荷载，部件发生故障的几率相对较大。一旦发生断线事故，影响范围较大，同时由于检修作业为高空作业，需要的人员多，抢修和恢复比较困难，需要专用检修设备，

表1是对DC750V，接触轨（第三轨）供电方式和DC1500V，架空接触网供电方式比较的汇总。

表1 各种接触网特点对比表