工學(xué)供電方式

1、摘要分析了城市軌道交通兩大類牽引供電接觸網(wǎng)的基本要求、不同類型與特點(diǎn),提出不同城市選擇接觸網(wǎng)形式時(shí)應(yīng)注意處理的關(guān)系和建議。架空接觸網(wǎng)及第三軌授電都是可行的形式,并在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中仍不斷發(fā)展進(jìn)步。從城市發(fā)展以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)上分析比較,采用DC 1 500 V 供電及架空接觸網(wǎng)形式確有一定的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞城市軌道交通,供電,接觸網(wǎng)      世界各國(guó)城市軌道交通的供電電壓大都在DC 6001 500 V 之間。IEC(國(guó)際電工委員會(huì)) 擬訂的電壓標(biāo)準(zhǔn)為:600 V 、750 V 和1 500 V 三種。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為DC 750 V 和DC 1 50

2、0 V 兩種。目前我國(guó)許多大城市都在考慮建設(shè)快速軌道交通,首先面臨的就是采取哪一種供電制式。這涉及到供電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、城市交通線網(wǎng)的規(guī)劃站距、供電半徑、供電質(zhì)量、運(yùn)輸規(guī)模、旅行速度和車輛形式等。必須根據(jù)各城市的具體條件和要求,綜合分析論證。以下分別從不同的運(yùn)營(yíng)要求、特點(diǎn)、規(guī)模和條件來(lái)做一分析比較。1 城市軌道交通供電接觸網(wǎng)的類型      牽引供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網(wǎng)和回流線等構(gòu)成的供電網(wǎng)絡(luò)。接觸網(wǎng)分為架空式接觸網(wǎng)和第三軌(接觸軌, 以下簡(jiǎn)稱三軌) 式接觸網(wǎng)。三軌式接觸網(wǎng)僅用于地鐵與封閉的城市鐵路和輕軌,架

3、空式接觸網(wǎng)除此還可用于鐵路干線、城市地面和工礦電機(jī)車電力牽引線路。為了保證對(duì)電動(dòng)車組良好的供電,接觸網(wǎng)應(yīng)順直平滑,高度一致,在高速行車中能始終保持正常穩(wěn)定的接觸授流;接觸網(wǎng)應(yīng)具有足夠的耐磨性與良好的導(dǎo)電性,壽命盡量長(zhǎng),并力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于施工、維修。1. 1 架空式接觸網(wǎng)      架空式接觸網(wǎng)的懸掛類型大致為三種:簡(jiǎn)單懸掛,鏈形懸掛,剛體懸掛。不同的類型其電線粗細(xì)、條數(shù)、張力都是不一樣的。架空線的懸掛方式,要根據(jù)架線區(qū)的列車速度、電流容量等輸送條件以及架設(shè)環(huán)境進(jìn)行綜合勘察來(lái)決定要采取什么方式。 1. 1. 1 簡(jiǎn)單懸掛 &

4、#160;    簡(jiǎn)單懸掛方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,支柱高度低,支持裝置承受的負(fù)荷較輕,但是弛度大、彈性不均勻。為改善這一狀況,一般在懸掛點(diǎn)處增加一個(gè)倒Y 形的彈性吊索,稱為彈性簡(jiǎn)單懸掛(見圖1) ,相應(yīng)改善了懸掛點(diǎn)處的彈性和運(yùn)行狀況。由于彈性簡(jiǎn)單懸掛建造費(fèi)用低,施工方便維修簡(jiǎn)單,城市電車或輕軌往往采用這種懸掛方式。地鐵為了減少隧道凈空,采用以彈性支座或弓形腕臂作支持部件的簡(jiǎn)單彈性懸掛。2. 1. 1. 2 鏈形懸掛      接觸線通過(guò)吊弦懸掛到承力索上的懸掛稱為鏈形懸掛。鏈形懸掛承力索懸掛于支柱的支持裝置上接觸線通過(guò)吊弦懸

5、掛在承力索上,使接觸線增加了懸掛點(diǎn),調(diào)節(jié)吊弦可以使整個(gè)跨距內(nèi)接觸線對(duì)軌面保持一致高度。由于接觸線是懸掛在承力索上的,因而基本上消除了懸掛點(diǎn)處的硬點(diǎn),使懸掛線的彈性在整個(gè)跨度內(nèi)都比較均勻。顯然,鏈形懸掛比簡(jiǎn)單懸掛性能好得多,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資大、施工維修調(diào)整較為困難。鏈形懸掛的類型很多,可以按懸掛鏈數(shù)分為單鏈形懸掛、雙鏈形懸掛和多鏈形懸掛。按線索相對(duì)于線路中心的位置,又可以分為直鏈形接觸懸掛、半斜鏈形接觸懸掛、斜鏈形接觸懸掛。對(duì)城市軌道交通,因其運(yùn)行速度不太高,列車功率也不太大,一般多采用簡(jiǎn)單鏈形懸掛(見圖2) ,應(yīng)用速度可達(dá)100 km/ h 以上。  圖1 彈性簡(jiǎn)單懸掛&#

6、160;圖2 簡(jiǎn)單鏈形懸掛1. 1. 3 剛性懸掛      剛性懸掛又稱剛性接觸網(wǎng),是一種區(qū)別于傳統(tǒng)柔性接觸網(wǎng)的供電方式。由于地鐵隧道供電導(dǎo)線上方空間有限,鏈形懸掛一般采用冷拉電解銅接觸線。1962 年日本東京營(yíng)團(tuán)地鐵日比谷線開通時(shí), 考慮可能發(fā)生斷線事故而要有保護(hù)措施、洞內(nèi)維修作業(yè)較復(fù)雜等問(wèn)題,以及隧道斷面比三軌供電要大幅擴(kuò)大的情況,開發(fā)了地鐵用的新的剛性懸掛方式。現(xiàn)在通過(guò)10 多個(gè)國(guó)家、30 多條地鐵的運(yùn)營(yíng), 經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì),剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)已日臻完善, 非常可靠。如營(yíng)團(tuán)地鐵南北線使用的剛體懸掛(見圖3) :采用鋁合金T 型匯流排和鋁夾耳

7、來(lái)夾持銅導(dǎo)線,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,施工容易; T 型匯流排截流截面大,減少電阻40 % 以上,無(wú)須輔助饋電線,使得其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,節(jié)省隧道凈空,節(jié)省投資;導(dǎo)電銅線不受張力,應(yīng)用可靠,耐磨性好;接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件少,大大降低了維護(hù)成本。1. 2 三軌接觸網(wǎng)      三軌接觸網(wǎng)是沿軌道線路敷設(shè)的附加接觸軌, 從電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過(guò)滑靴與第三軌接觸而取得電能。三軌接觸網(wǎng)的電壓據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)為DC 600 V 和DC 750 V , 但也有國(guó)家采用較高電壓,如西班牙巴塞羅那地鐵就采用了DC 1 500 V 和1 200 V 。接觸軌可以有三種方式,即上

8、接觸式、下接觸式和側(cè)接觸式。 圖3 剛性懸掛1. 2. 1 上接觸式      三軌安裝在絕緣子組件上(見圖4) ,由接觸軌、絕緣子、三軌夾板、防護(hù)支架、防護(hù)板、端部三軌彎頭、防爬器等構(gòu)件組成。受流器滑靴從上壓向接觸軌軌頭頂面受流。受流器的接觸力是由下作用彈簧的壓力調(diào)節(jié)的,受流平穩(wěn),由于端部彎頭的過(guò)渡作用,能夠減少在斷電區(qū)的電流沖擊。上接觸式三軌施工作業(yè)簡(jiǎn)便,可以在軌頭上部通過(guò)支架安裝不同類型的防護(hù)板。北京地鐵、紐約地鐵都是采用上接觸式第三軌。 1. 2. 2 下接觸式    

9、0; 下接觸式三軌軌頭朝下,通過(guò)絕緣肩架、橡膠墊、扣板收緊螺栓、支架等安裝在底座上。下接觸式的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)罩從上部通過(guò)橡膠墊直接固定在接觸軌周圍,對(duì)人員安全性好。莫斯科地鐵就采用這種方式,利于防止下雪和冰凍造成集電困難。但是這種方式安裝結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,費(fèi)用較高。2. 1. 2. 3 側(cè)面接觸式      側(cè)面接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌, 集電靴從側(cè)面受流?？缱姜?dú)軌車輛就采用側(cè)面接觸形式。其受流器裝在轉(zhuǎn)向架下部,接觸軌裝在軌道梁上。圖4 三軌裝配圖1. 2. 4 三軌材料的進(jìn)步      三軌

10、用導(dǎo)電率較高的鐵軌制成(一般國(guó)內(nèi)使用的材料為05Al) 。近幾年來(lái)隨著復(fù)合材料的發(fā)展, 由不銹鋼與鋁合金通過(guò)機(jī)械方法或冶金結(jié)合方法加工而成的鋼鋁復(fù)合接觸軌(見圖5) 已取代低碳鋼接觸軌,被世界上60 多個(gè)城市采用。鋼鋁復(fù)合軌與低碳鋼接觸軌相比具有以下優(yōu)勢(shì):  圖5 鋼鋁復(fù)合軌斷面電導(dǎo)率高,電壓降及牽引能耗成比例下降, 因此可加大供電距離約1. 4 倍,適當(dāng)減少牽引變電站的數(shù)目。雖然目前鋼鋁導(dǎo)電軌還只能進(jìn)口,成本比鐵軌要貴3 倍,但是節(jié)省下來(lái)的牽引變電站投資與接觸軌增加的費(fèi)用基本相抵,而且由于線路損耗降低,按20 km 長(zhǎng)的線路計(jì),僅靠節(jié)電一項(xiàng),5 年可收回多投的資金。不銹鋼接觸面光滑

11、,耐腐蝕,耐磨耗,可延長(zhǎng)接觸軌與受流器的壽命。重量輕,便于施工安裝。正因?yàn)殇撲X復(fù)合軌有以上優(yōu)勢(shì),新上項(xiàng)目采用鋼鋁復(fù)合軌已成為趨勢(shì)。我國(guó)不少城市的軌道交通項(xiàng)目正準(zhǔn)備使用鋼鋁復(fù)合軌方式。2 不同接觸方式的特點(diǎn)比較2. 1 安全性      無(wú)論架空式接觸網(wǎng)還是三軌接觸網(wǎng),其安全性都是無(wú)容置疑的。從發(fā)生觸電事故的情況看,兩種方式都有且主要發(fā)生在車輛運(yùn)用維修與電網(wǎng)維護(hù)人員。從地面交通的角度來(lái)看,在市區(qū)平交運(yùn)行的有軌用架空接觸網(wǎng);牽引網(wǎng)壓等級(jí)較高時(shí),為了安全和保證一定的絕緣距離,也宜采用架空網(wǎng)。而封閉運(yùn)行的城市鐵路或輕軌采用架空線或第三軌都完全能保證安全

12、;在發(fā)生事故疏散乘客時(shí)架空式接觸網(wǎng)將給人們更多的安全感。2. 2. 2 經(jīng)濟(jì)性       從技術(shù)發(fā)展歷史來(lái)看,由于電工材料和輸變電技術(shù)的進(jìn)步,直流牽引輸電電壓呈增高趨勢(shì)。1863 年開通的倫敦地鐵和1904 年開通的紐約地鐵分別采用了DC 630 V 和DC 625 V 直流供電,三軌授流方式; 1935 年開通的莫斯科地鐵采用的是DC 825 V(相當(dāng)DC 750 V) ,第三軌授電。1955 年開通的羅馬地鐵首先采用了1 500 V 直流架空線輸電。1960 年以后,日本的地鐵與電氣鐵路一致,基本上都采用了DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)

13、的制式。      從建設(shè)費(fèi)用來(lái)看,1 500 V 直流架空網(wǎng)輸電比750 V 三軌授流經(jīng)濟(jì)。提高輸電電壓,可以相應(yīng)地減少電能損耗,減少變電站的數(shù)量,降低電力設(shè)備費(fèi)用。電壓提高一倍,同樣功率的電能輸送距離可以提高近一倍。750 V 供電系統(tǒng)變電站間距較短, 一般為1. 52 km , 而1 500 V 供電系統(tǒng)變電站間距可達(dá)3. 54 km 。因此同一條線路采用1 500 V 輸電,如果電站配置得當(dāng),比750 V 可以少建近一半變電站,供電設(shè)施大約只相當(dāng)750 V 三軌授流的70 % 左右。而且采用1 500 V 制式后,同功率電動(dòng)車輛由于電流

14、的降低,電器設(shè)備也可以相應(yīng)地減小體積與重量。電站直流開關(guān)等設(shè)備也如此。但是對(duì)于地鐵,橫斷面相同的車輛,采用架空線的其隧道半徑(或矩形隧道高度) 要比采用三軌授電的大, 施工土方量增加,土建費(fèi)用增加約14 % 。從維修的角度來(lái)看,架空式接觸網(wǎng)要定期進(jìn)行檢查維護(hù),洞內(nèi)維修作業(yè)需要專用的接觸網(wǎng)檢查車,維修周期短、費(fèi)用高、備品備件需要量大。而接觸軌維護(hù)簡(jiǎn)單。從北京地鐵運(yùn)營(yíng)30 年的實(shí)踐來(lái)看,因?yàn)槿壟c受電靴接觸面大,第三軌的磨耗極小。據(jù)粗略地調(diào)查,運(yùn)行30 年,第三軌的上端面磨耗只有約45 mm , 基本上可以做到無(wú)維修或少維修化,因而也就相應(yīng)減少了維修費(fèi)用。此外,受流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便。受流器滑靴

15、各國(guó)基本上都采用黑色金屬,成本低。由于歷史原因,北京地鐵受流器滑靴是采用銅基材料,現(xiàn)正在試驗(yàn)鐵質(zhì)滑靴,推廣后會(huì)進(jìn)一步降低耗材成本。      從輸電效率講,因?yàn)榫€路損耗是與電流平方成正比的,盡管可以設(shè)輔助饋電線來(lái)減少線路阻抗, 但DC 1 500 V 輸電顯然比DC 750 V 損耗小、效率高。1 500 V 電壓變化率較小,電能質(zhì)量較好,且由于雜散電流要小一半,有利于減少對(duì)地下金屬建筑物的腐蝕。2. 3 城市環(huán)境的適應(yīng)性      架空式接觸網(wǎng)需要架設(shè)支柱,支持懸掛接觸網(wǎng)要安裝腕臂或橫跨,橫跨

16、由金屬桁架或橫向承力索、上下定位繩組成。在城市中間密布支架和電線網(wǎng),影響市容,有礙觀瞻。當(dāng)然通過(guò)巧妙的規(guī)劃設(shè)計(jì)可以減少不利影響。而三軌授電,接觸軌位置低,沒(méi)有明顯的高大部件(如立柱、橫向承力索、金屬桁架等),城市景觀好,對(duì)電磁污染較易采取防護(hù)措施。這也是國(guó)內(nèi)外某些城市軌道交通采用三軌受電方式的原因之一。從兩大類接觸網(wǎng)的應(yīng)用比例來(lái)看,目前地鐵采用三軌授電的城市仍比采用架空接觸網(wǎng)的多。但是隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大及技術(shù)的發(fā)展,采用1 500 V 架空接觸網(wǎng)的呈上升趨勢(shì), 且已有DC 3 000 V 系統(tǒng)出現(xiàn)。2. 4 傳輸功率與速度水平      較高的

17、電壓在同等條件下能夠傳輸較大的功率。DC 1 500 V 比DC 750 V 顯然能夠適應(yīng)更大功率的電動(dòng)車輛,也能達(dá)到更高的速度水平,在粘著允許的情況下加速度也能相應(yīng)提高。對(duì)于單向最大斷面客流量在每小時(shí)5 萬(wàn)人次及以下,宜采用DC 750 V 接觸軌;每小時(shí)5 萬(wàn)人次以上,則宜采用DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)。在適應(yīng)速度上,架空接觸網(wǎng)簡(jiǎn)單鏈形懸掛可實(shí)現(xiàn)200 km/ h 的高速運(yùn)行, 彈性簡(jiǎn)單懸掛適應(yīng)速度達(dá)120 km/ h ; 剛性懸掛已實(shí)現(xiàn)了160 km/ h 的試驗(yàn)速度。750 V 三軌授電一般只用于速度在100 km/ h 以下的線路。只有美國(guó)舊金山的BART(海灣區(qū)快軌) 最高速

18、度達(dá)128 km/ h , 供電電壓為DC 1 000 V 。3 選擇接觸網(wǎng)形式時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)系      城市軌道交通選擇哪一種供電制式的問(wèn)題,其關(guān)鍵是必須與城市的既有現(xiàn)狀和發(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。3. 1 適應(yīng)城市歷史現(xiàn)狀與發(fā)展前景的關(guān)系      每個(gè)城市都有自己的歷史特征。在城市發(fā)展的同時(shí),如何保持文化遺產(chǎn)和歷史風(fēng)貌,已日益受到人們的重視。因此,象北京這樣的古都,城市圈內(nèi)應(yīng)盡量修建地鐵。城市鐵路采用三軌,一方面為避免

19、軌道上空紛紜的線網(wǎng),與保持整個(gè)城市的歷史風(fēng)貌相協(xié)調(diào),另一方面可與原地鐵系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。      一個(gè)城市在建設(shè)地鐵或輕軌時(shí)采用何種接觸網(wǎng)制式,往往受到已建線路形式的影響。如歐洲、北美地鐵發(fā)展較早的城市倫敦、巴黎、紐約等都采用了三軌授電系統(tǒng),其后基本沿用了該方式。北京地鐵也是如此。而上海、廣州地鐵都采用了架空接觸網(wǎng),后續(xù)線路也就延續(xù)了DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)的形式。這不僅在系統(tǒng)的一致性、擴(kuò)展性、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面有實(shí)際意義,也易于備品備件的替換。當(dāng)然,隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大,因線路不同而采用兩種接觸網(wǎng)制式的情況也不少。如天津地鐵雖然采用三軌授流的DC

20、 750 V 制式,但建設(shè)濱海快速軌道交通時(shí),因站距大(最長(zhǎng)達(dá)6 km) 、線路長(zhǎng)、車速較高,就采用了DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)制式。從北京市的軌道交通發(fā)展來(lái)看,盡管目前規(guī)劃中的線路都延續(xù)了三軌形式,但中期規(guī)劃有些線路是穿越市區(qū)到城市邊緣區(qū)的,線長(zhǎng)站大,旅行速度應(yīng)提高到45 km/ h 左右,且地面線與高架橋?yàn)槎?采用DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)形式更為適宜。3. 2 成熟技術(shù)與前瞻性技術(shù)的關(guān)系      地鐵建設(shè)一定要選擇成熟可靠的技術(shù),但是也要有一定的前瞻性,盡量采用先進(jìn)技術(shù)。柔性懸掛接觸網(wǎng)與三軌式接觸網(wǎng)用于城市地鐵和城軌交通已有多年的歷史,在我國(guó)也屬于成熟技術(shù),均能滿足行車要求。新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)使兩大類型接觸網(wǎng)都有了新的進(jìn)步。剛性懸掛應(yīng)用于地鐵隧道, 不僅減小隧道凈空,而且其匯流排載流面積大,接觸線耐磨性好,壽命長(zhǎng);因無(wú)張力架設(shè),不會(huì)發(fā)生斷線事故,可靠性優(yōu)于柔性懸掛,減少了維修工作量。鋼鋁復(fù)合軌用作接觸軌,改善了三軌授流形式的技術(shù)性能,擴(kuò)大了三軌授流方式的應(yīng)用范圍與前景。3. 3 減少工程投資與長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)營(yíng)效益的關(guān)系       據(jù)某些資料