城市轨道交通供电系统授流方式研究

陈吉刚

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 概述

城市轨道交通中采用的电压等级众多，仅直流制式就有近二十种，从DC400V至DC3000V均有采用。在这二十种电压等级中，应用最多的还是DC750V和DC1500V两种。这也是国际电工委员会（IEC）推荐采用的电压等级。

就授流方式而言，在目前世界上100多个城市修建的轨道交通中，架空接触网和和接触轨约各占一半。其中架空接触网采用的电压等级较为广泛。由于受到整流技术水平的制约，早期建设的地铁普遍采用DC750V及以下电压等级的接触轨，但随着硅整流技术的发展以及架空接触网技术的成熟，DC1500V架空接触网在城市轨道交通中得到较为广泛的应用，近年来，DC1500V接触轨技术也开始在轨道交通领域得到应用。

从我国城市轨道交通的发展史看，北京、天津地铁等采用DC750V接触轨，上海地铁1号线、2号线、广州地铁1号线、2号线、上海轨道交通明珠线以及深圳地铁一期工程等均采用DC1500V架空接触网，广州地铁的4、5、6号线采用了DC1500V接触轨。纵观我国城市轨道交通授流方式的选择，无论是架空接触网还是接触轨在我国城市轨道交通领域均有较多应用，都具有成熟的建设及运营经验。

2 授流方式简介

目前在国内外城市轨道交通系统中，供电系统授流方式根据安装位置的不同主要有架空接触网和接触轨两种方式。下面主要对两种授流方式的结构组成及特点作简要介绍。

架空接触网根据结构形式的不同又分为架空柔性接触网和架空刚性接触网两种主要方式。架空柔性接触网主要由接触线、承力索、架空地线、绝缘子、支持结构、立柱等组成，如图1所示；架空刚性接触网主要由汇流排、接触线、垂直悬吊装置、绝缘子等组成，如图2所示；目前架空接触网的零部件及设备已经全部实现了国产化。

图1 架空柔性接触网

图2 架空“π”型刚性接触网

接触轨是沿轨道线路敷设的附加导电轨，从电动客车转向架伸出的受流器通过受电靴与接触轨接触而取得电能。根据与电力机车受流器的接触面不同，接触轨可以有三种授流方式，即上接触式、下接触式和侧接触式。接触轨主要由钢铝复合轨、支撑装置、端部弯头、防护罩、中间接头、膨胀接头、中心锚结及电缆连接板等部件组成，如图3所示。目前接触轨的零部件及设备也已经全部实现了国产化。

图3 下接触式接触轨

架空柔性接触网的跨距一般为30～50米，可采用单支柱悬臂结构悬挂安装，投资省，施工方便，一般应用于地面、高架桥及车辆基地等；架空刚性接触网结构简单、维护量小，但由于悬挂点间距一般为6～8米，不适合于隧道外悬挂安装，一般应用于隧道内。相比于接触轨而言，由于架空接触网设置在线路顶部，人员不易接触，触电概率较小，安全性较好，也便于人员疏散。但是架空柔性接触网零部件较多，运营维护量较大、成本高。同时，在高架及地面线路还需考虑架空接触网与城市景观相互协调配合的影响。

接触轨沿线路布置，结构简单，安装方便，维护工作量少，可做到少维修免维护。运行可靠性也较高，对城市景观基本没有影响。而且与架空接触网相比，其磨耗小，使用寿命长。但由于接触轨布置在走行轨旁，在紧急情况下不利于人员疏散，需增加安装疏散平台等设施。另外在车场等维修人员活动频繁的地点，需在运营维护上加强管理，严格控制维修与接触轨带电运行之间的隔离。

3 两种授流方式综合比较

采用何种授流方式，不仅需从牵引供电系统本身考虑，还牵涉到城市轨道交通授流方式的适用性、土建条件、车辆负荷、运行安全可靠性、工程投资、运营维护成本、城市景观、线网规划等方面。

3.1 工程实施技术分析

根据我国城市轨道交通架空接触网的建设和运营经验，对于地下段采用架空接触网主要有刚性悬挂和柔性悬挂两种方式，刚性悬挂较柔性悬挂相比具有安装结构简单、运营维护成本低、可靠性高的优点。架空刚性悬挂方式自广州地铁 2号线率先引进并实现设备国产化至今，运行效果良好。目前已在南京、上海、杭州、苏州、成都等国内其他城市轨道交通中大量采用。而对于地面及高架段如采用刚性悬挂，悬挂点间距一般为6～8米，支柱设置密集，施工困难，而柔性悬挂点间距一般为30～50米，可采用单支柱悬臂结构形式，施工方便。因此在地面及高架段柔性悬挂要优于刚性悬挂方式。

我国接触轨供电制式根据授流方式不同主要分为上接触式和下接触式两种型式，早期北京地铁、天津地铁都是采用DC705V上接触式接触轨，随着广州地铁4号线DC1500V下接触式接触轨的成功应用，接触轨供电方式在城市轨道交通领域得到推广应用。采用下接触式，防护罩可以覆盖接触轨3/4部位，仅外露接触面。采用上接触式，防护罩仅能覆盖接触轨1/2部位。下接触式与上接触式相比，具有较好的设备安全性，对人身安全的保护也有所提高。而且遇雨雪天气，在地面和高架段线路，为防止上接触式接触轨表面结冰，地铁运营部门需加开空驶列车进行轧道作业，对运营线路和接触轨进行全面检查，造成一定的能源浪费。而下接触式由于接触面始终处于底部，其它面均被防护罩所保护，因此结冰的概率极低，对雨雪天气的适应性明显增强。

3.2 运行安全可靠性

两种授流制式对运行的安全性都是可行的，主要的差异在于架空接触网的高空架设后对维护及其它相关人员的安全性有了明显的隔离，接触轨方式则由于其自身特点采取低位安装，与人身接触的概率增大，需要采取更为可靠的技术措施与管理制度来保证人身安全，尤其是在检修作业频繁的库内更是如此。

架空接触网在地下段采用刚性悬挂，接触线卡在汇流排内，汇流排和接触线无轴向力，断排或断线概率极小，运行可靠性较高。而在地面及高架段采用柔性悬挂，由于结构比较复杂，有可能出现的钻弓、烧融、磨耗不均以及受电弓故障造成的断线故障，柔性悬挂可靠性稍低。但从国内外运营经验来看，其可靠性还是能够满足列车的安全运行的要求。而接触轨结构简单，基本实现免维护，其本身的可靠性较高。

3.3 工程投资及运营维护成本

架空刚性悬挂接触网预算造价约为160万/条公里，架空柔性悬挂接触网（以全补偿链型悬挂为例）预算造价约为150万/条公里；接触轨预算造价为190万/条公里。在一次性投资经济性能比较上，接触轨明显高于架空接触网。

架空接触网主要的接触面为银铜导线，其使用寿命为15～20年；而接触轨的接触面为铝芯不锈钢带，钢带的厚度为6mm，含铬量达到17%，具有良好的耐磨性能，根据有关资料，在集电靴每年通过100万次的条件下，不锈钢带的寿命可达35年，如果每年通过50万次，则可使用60年以上，并且不锈钢带表面光滑，具有良好的抗氧化性能和耐腐蚀性能。根据全寿命周期理念，这里以接触轨系统钢铝复合轨运行60年作为比较基准，则架空刚性悬挂接触网需进行2次大修换线，架空柔性悬挂接触网需进行3次大修换线，全寿命周期成本上接触轨要略优于架空接触网授流方式。

3.4 对城市景观影响

对于地面及高架段线路若采用架空接触网，不仅支柱林立，而且接触网的线材纵横交错，需要采取景观化效果较好的构造形式，以减小对城市景观的影响；而接触轨沿轨道架设，高架段不高于桥翼，视觉上给人一种简洁干净的效果，对城市景观基本上没有影响。此外，如广州等一些台风高发区域，接触轨有较高的抗风性能，不会导致刮弓事件的发生，确保运营安全。

结语

综上所述，架空接触网与接触轨各具优点，都是城市轨道交通成熟可靠的牵引网授流方案。架空接触网授流方式具有运行经验丰富，安全可靠，一次性建设成本较低，对车辆选型没特殊要求的优点。与接触轨相比，主要的缺点是运营维护成本较高，对土建工程有一定的影响，运行可靠性，全寿命周期成本不如接触轨；接触轨授流方式具有运行可靠性高，全寿命周期成本低的优点，与架空接触网相比较，主要缺点在地面段运行安全性需要技术与管理的保障、车辆选型较少、国内线路尚无120km/h的运行经验。

[1]中铁电气化局.电气化铁道接触网[M].北京.中国电力出版社,2004年:74-81

[2]于万聚.电气化铁道接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2003年:134

[3]何海波.地铁牵引供电牵引网的选择[D].//中国土木工程学会隧道及地下工程分会地下铁道专业委员会第十三届学术交流会.地下铁道文集.深圳：海天出版社，1999：142