北京市轨道交通房山线直流牵引供电接触轨系统设计

叶玉萍,赵 青

(1.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海 200070；2.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037)

1 接触轨基本构成[1～4]

接触轨系统主要由钢铝复合导电轨、整体绝缘支座、防护罩(标准防护罩、膨胀接头防护罩、端部弯头防护罩、集电靴防护罩)、防护罩支架、鱼尾板、膨胀接头、防爬器、高(低)速端部弯头、电缆连接板等部件组成[1～2]。其中钢铝复合导电轨、整体绝缘支座和防护罩是接触轨系统中送电、支撑和防护的三大主要部件,端部弯头和膨胀接头是保证受流质量的关键部件[5]，见图1。

图1 接触轨组装(整体绝缘支座、上部受流)(单位：mm)

2 接触轨电压等级

房山线接触轨系统电压标称值为DC 750V等级。电压波动范围：最高电压标称值为DC 900V,最低电压标称值为DC 500V。

3 接触轨受流方式

接触轨有上部受流和下部受流两种常用的受流方式[1]。上部接触受流方式的接触轨带电面朝上,集电靴取流通过其弹簧装置向接触轨顶面施加下压力而获得。下部接触受流方式为接触轨带电面朝下,集电靴取流通过其弹簧装置向接触轨底面施加抬升力而获得。

房山线在郭公庄站与在建地铁9号线之间设置联络线,因9号线是采用接触轨上部受流,若要实现两线调车作业,必须要求两线车辆受流方式相同。阎村车辆段无架修功能,车辆架修须通过联络线到其他线的车辆段完成；若采用下部接触轨受流方式,很难满足与既有运营线路的检修资源共享。

根据上述原因,同时考虑到上部受流和下部受流均为成熟的接触轨受流型式。所以确定房山线接触轨设计采用上部受流方案。

4 接触轨的选择

4.1 性能比较

钢铝复合接触轨与传统的低碳钢材料接触轨相比具有以下优点：

(1)钢铝复合接触轨质量轻、持续载流量大、电能损耗低、耐腐蚀、可回收、绿色环保。

(2)钢铝复合接触轨的钢带与铝轨相当于并联电路,其铝轨的导电率远高于低碳钢接触轨,载流能力远大于低碳钢接触轨。

(3)钢铝复合接触轨质量轻,施工安装方便。1 m长钢铝复合接触轨的质量约为17 kg,1 m长低碳钢接触轨的质量约为51 kg。

(4)钢铝复合接触轨铝轨的截面积是低碳钢接触轨截面积的63%,电阻是低碳钢接触轨电阻的33%,由此可见,钢铝复合接触轨的截面小、电阻低,可降低牵引网线路能耗。

(5)钢铝复合接触轨的接触面为铁素体成分的不锈钢带,其平整度和表面光洁度能够保证集电靴接触的稳定性,使受流质量和不锈钢带的耐磨性能提高,减少集电靴和接触轨间产生电弧的概率,有效降低电气磨耗,从而延长接触轨的使用寿命,对确保接触轨系统的全生命周期质量有着明显的影响。

鉴于以上原因,房山线工程选用的钢铝复合接触轨,其载流截面为4 803 mm2(铝轨截面积),温度20 ℃时的单位电阻为0.006 5 Ω/km。

4.2 接触轨设计

钢铝复合接触轨基本原理是通过挤压、滚压及焊接的方式把铝轨良好的导电性和不锈钢带的耐磨、耐腐蚀性结合在一起,形成整体电阻小、运营能耗低、载流量大、耐腐蚀、寿命长、质量轻、易安装、绿色环保等优点的钢铝复合导电轨，如图2所示。

图2 钢铝复合材料导电轨断面

5 绝缘支撑

固定、安装和支撑接触轨并起到带电体与接地体之间绝缘作用的装置称为绝缘支撑,如图3所示。绝缘支撑大体分为2种类型,一种是由绝缘底座和绝缘子构成的绝缘子支撑,另一种是用玻璃钢材料压模浇铸制成的整体绝缘支座支撑。

图3 接触轨整体绝缘支座装配(单位：mm)

整体绝缘支座的稳定性、抗弯能力和机械强度等均好于绝缘子支座；而且整体绝缘支座的使用寿命也高于绝缘子支座；采用整体绝缘支座,便于维护和检修；房山线工程的接触轨支撑件采用整体绝缘支座,根据房山线以高架线为主的特点,房山线采用的整体绝缘支座具有阻燃、防紫外线等性能。

6 防护罩

房山线接触轨系统采用玻璃钢防护罩,玻璃钢防护罩及防护罩支架采用整体压模成型的制造工艺,在产品制造成型过程中降低了化学成分的挥发量,减少了对环境的污染,提高了抗老化能力,结构的承受力提高,而且安装较为方便。

接触轨上部受流方案的安全防护罩主要由接触轨标准防护罩、膨胀接头防护罩、高(低)速端部弯头防护罩、集电靴防护罩等类型组成。接触轨标准防护罩及防护罩支架详见图4、图5。

图4 接触轨防护罩(单位：mm)

图5 接触轨防护罩支架(单位：mm)

接触轨膨胀接头处使用滑膛(长孔)防护罩,固定点设置纵向长孔,长孔的长度根据膨胀接头的最大可移动距离确定。在安装电缆连接板处,所采用的标准接触轨防护罩应开孔,方便电缆连接板、电缆的检修与更换。防护罩及防护罩支架A处(图5)的联结螺栓安装方向应螺杆朝外安装,依次安装有平垫圈、弹簧垫圈、螺母、备母,紧固后螺杆涂防锈漆。当螺栓松动、螺母脱落时容易被及时发现,以提高其安全性、可靠性。因端部弯头的防护罩比较长,在安装时需要特别注意防护罩的支持点间距不应过长,在2.5 m以下为宜,保证其稳定性。绝缘支座及防护罩等防护系统可以根据所安装场所的环境情况,增加防鼠、防紫外线、防腐蚀等方面的性能。

7 膨胀接头

接触轨由于环境温度变化、电流温升等因素的影响而产生热胀冷缩,在中心锚节固定点处接触轨产生温度差应力,会使接触轨产生变形、导致中心锚节损坏。所以必须在锚段之间设置膨胀接头,利用膨胀接头的自由伸缩来释放温度差应力。在房山线接触轨设计中,为了提高膨胀接头的自由伸缩可靠性,采用了新型接触轨膨胀接头,如图6所示。其原理是对接头处不施加机械外力,通过在接头下端固定的双铜板连接大截面双编织铜线来满足可靠受流和接触轨的自由伸缩,以避免因不能克服初始滑动力影响接触轨的纵向伸缩而发生行车事故。

图6 接触轨膨胀接头

为了限制接触轨自由伸缩段的整体纵向移动,一般在2个膨胀接头之间或一个膨胀接头和一个端部弯头之间每个独立锚段的中部设置中心锚节。每个中心锚节由4个防爬器构成,固定在绝缘支座的两边,具有足够的夹紧力,保证接触轨在温度变化时能够由锚段中部均匀地向两边伸缩。当线路的纵向坡度≥20‰时,在紧邻中心锚节处增设1组中心锚节进行加强。

8 端部弯头

接触轨端部弯头分为低速端部弯头和高速端部弯头2种。在正线和试车线上通常是采用高速端部弯头,在场段及维修基地一般采用低速端部弯头。

8.1 高速端部弯头

接触轨采用上部受流方式时,其端部弯头端部的接触面高度低于接触轨的接触面安装高度,端部弯头呈下坡状。高速端部弯头端部的下降距离与车辆、轨道及接触轨安装误差有十分密切关系,一般高速端部弯头的总长度为5.1 m,下降坡度为1∶50,下降高度为95 mm。

房山线车辆最大运行速度是100 km/h,在超额荷载情况下,同时考虑走行轨的允许磨耗,并考虑速度较高时的冲击力,计算得到：当弯头端部下降95 mm时,不能满足要求,其车辆集电靴所受的冲击力对集电靴易造成损害,后经研究确定高速端部弯头下降的合适距离为106 mm。在下降坡度基本不变的情况下,满足下降距离为106 mm时,高速端部弯头的总长度为5.852 m,高速端部弯头如图7所示。

图7 接触轨高速端部弯头(单位：mm)

8.2 低速端部弯头

低速端部弯头主要应用于车辆段及停车场,因为在段内的行车速度很低,弯头下降时的下降坡度小、下降快,总长度可以减小。所以本工程低速端部弯头端部的下降坡度取1∶30,总长度为3.4 m,端部弯头与主轨断面相同,如图8所示。

图8 接触轨低速端部弯头(单位：mm)

9 接触轨安装

接触轨施工安装的质量将直接影响到钢铝复合接触轨的寿命、运营安全、运营成本等。在设计及配合施工中须注意以下问题。

(1)首先应考虑整体绝缘支座的安装方式,以往支座安装是采用现场打孔、膨胀锚栓安装方式,施工难度大、能耗大、环境污染、成本大。在房山线工程中采用预埋尼龙套管方式安装,用金属紧固件(螺纹道钉)进行绝缘支座安装,安装方便、减轻工作量、节约电能、节省成本、保护环境。

(2)在普通轨枕及短轨枕段,整体绝缘支座选择安装在长轨枕或加长短轨枕上,预制轨枕的过程中可进行尼龙套管预埋；在钢弹簧浮置板整体道床段,整体绝缘支座选择安装在钢弹簧浮置板整体道床上,在浮置板上预埋尼龙套管；这2种预埋方式易保证尼龙套管的预埋精度。

(3)在梯形轨枕整体道床段,绝缘支座不能在轨枕上安装,所以应采用整体道床上安装方式,在进行整体道床现浇的过程中将尼龙套管预埋在整体道床上。

(4)在进行尼龙套管预埋时,应注意对尼龙套管预埋方向的控制,即尼龙套管与轨枕或道床面垂直度的控制。

(5)安装在圆曲线、缓和曲线段的接触轨,应将接触轨布置长度换算到曲线上的对应长度。

(6)当接触轨安装在直线段及曲线半径大于100 m的曲线段时,可以靠其自身弹性直接安装。安装在曲线半径小于100 m的曲线段时,必须先对导电轨进行预弯后再进行安装,接触轨应分段进行折弯,分段长度不宜超过1 m,以保证折弯半径不变。

(7)膨胀接头安装时的间隙大小必须按照安装时的环境温度对照安装曲线进行调整。

(8)进行接触轨端部弯头定位、安装时,为了确保端部弯头纵向位置的准确性,如果需要,可对与之相邻的接触轨进行切割。

(9)接触轨经过定位、弯折和鱼尾板连接后,为了保证安装误差不超过安装允许值,必须使用专用量具对接触轨安装位置进行精确测量、调整。

10 建议

(1)应加强现场预留、预埋的配合工作，保证接触轨安装基面的尼龙套管预埋准确性,督促轨道施工承包商提供满足接触轨安装需要的道床质量精度。

(2)提倡采用预留、预埋件进行设备基础安装,尽可能地杜绝现场打孔等不利于环保、节能的施工方式。

(3)在设计过程中应加强与相关专业的接口配合,提高预留和预埋管线、接触轨断口位置的准确性。

11 结语

接触轨系统在我国已经有近40多年的应用经验,经过不断的总结、创新,已经有了很大的发展。在DC750V接触轨系统技术日益成熟的同时,DC1500V接触轨系统也已相继在广州、深圳的轨道交通建设中被采用[1～4]。

在当前城市轨道交通建设大步朝前发展的时期,为了不断提高接触轨设计技术水平和工程设计质量,还需对接触轨系统提高供电可靠性、节能、环保、保证运行及维护安全、安装便捷、提高标准化程度、人身安全防护等方面加以重视和不断研究。诸如整体绝缘支座的应用时间较短,还不够规范化、标准化等问题,需要今后不断加强研究改进。

参考文献：

[1]金 鹏，周 菁.北京地铁10号线一期工程接触轨系统零部件设计优化[J].铁道标准设计，2008(7)：23-25.

[2]李 琏，王 旭，王 进.钢铝复合接触轨安装技术的研究[J].铁道标准设计，2008(7)：55-56.

[3]朱晓军，姜坚白，孙京健，等.钢铝复合轨试验线的研究[J].铁道标准设计，2007(10)：58-61.

[4]金 鹏，朱晓军.钢铝复合轨在北京地铁5号线工程中的应用研究[J].铁道标准设计，2007(10)：75-78.

[5]姜坚白,孙京健,赵 炎,等.上接触式钢铝复合接触轨的应用科研报告[R].北京：2005.