西安地铁接触网悬挂方式分析

唐晓岚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

西安地铁接触网悬挂方式分析

唐晓岚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

结合西安市轨道交通线网规划及建设时序,针对2号线地下段占全线约80%、高架段占全线约20%,另设有车辆段和停车场各1座的线路特点,通过对架空刚性悬挂、架空柔性悬挂及接触轨3种类型接触网悬挂方式进行综合经济、技术分析,提出适合西安地铁2号线和西安地铁网后续建设线路的接触网悬挂方式建议。

城市轨道交通;线网规划;架空刚性悬挂;架空柔性悬挂;接触轨

1 概述

接触网系统是城市轨道交通供电系统中一个极其重要的组成部分,由于它无备用,一旦发生故障,将会造成中断行车时间长、恢复困难等后果。所以接触网的安全可靠和尽可能低的维修率是保证城市轨道交通正常、高效运营的必要条件。目前,国内外城市轨道交通接触网悬挂方式主要有架空刚性悬挂、架空柔性悬挂及接触轨3种类型,如图1～图3所示。

图1 架空刚性悬挂

图2 接触轨

城市轨道交通选择哪一种接触网悬挂方式的关键是必须与该城市轨道交通的既有现状和线网发展规划相结合,统筹兼顾,坚持经济上合理,技术上先进,适应本城市历史现状特点与发展规划前景。西安市轨道交通线网规划共计15条线路,先期建设2、1、3号线, 2号线作为西安市第1条轨道交通线路,与1号线形成十字骨干线路,其接触网悬挂方式的选择不仅影响本线的主要技术标准,同时也影响后续线的建设,因此有必要通过经济、技术比较对各种接触网悬挂方式进行分析研究,提出适合于西安地铁2号线并符合西安市轨道交通发展规划要求的接触网悬挂方式。

图3 架空柔性悬挂

2 各种悬挂方式关键技术分析

2.1 占用空间

架空柔性悬挂的弹性支座的简单悬挂方式,其所占用隧道上部的悬挂空间一般为420mm;弓形腕臂的简单链型悬挂方式,其所占用隧道上部的悬挂空间一般为430mm;

架空刚性悬挂,其所占用的悬挂空间一般为340～460mm。

接触轨一般敷设在走行轨旁,接触轨的结构高度将接触轨带电体至接地体的安全距离及车辆集电靴结合起来,统筹设计考虑,可以确定安装高度,只占用隧道的下部空间。

可见,架空刚性悬挂占用隧道上部空间较架空柔性悬挂所占用空间小,更能适应净空较低的隧道。

2.2 载流量

一般接触网悬挂系统的工作电流在3 000 A以上,其铜当量截面必须在600 mm2以上。架空柔性悬挂,采用双接触导线布置时的铜当量截面一般为240 mm2,因此必须增加馈线补偿其载流量的不足,造成其结构更加复杂。

而架空刚性悬挂,由于采用铝合金汇流排,铜当量截面可达1 281mm2以上,结构简单,载流量远远超出所需要求。

钢铝复合接触轨截面积一般均在3 030～5 506mm2,载流量在3 000 A以上,结构简单,载流量大。

2.3 受流质量

架空柔性悬挂通过承力索和吊弦的作用改善接触网弹性,实现弓网间良好受流,接触网弹性均匀。

架空刚性悬挂的接触线通过汇流排自身弹性及夹紧力固定在汇流排中,“硬点”较柔性悬挂少且小、易于控制,整个接触悬挂系统的稳定性较高。

对于接触轨方式,只要合理选择跨距,充分考虑到接触轨安装施工精度的要求和工程结构、线路等因素的变化,可以做到集电靴受流质量平稳、靴轨间的离线率很小。

2.4 使用寿命

根据理论分析计算及国外运营经验表明:架空刚性悬挂中接触导线可磨损至其标称面积的50%而毋须更换。而对架空柔性悬挂,接触导线磨损至其标称面积的30%时即须更换。从这个分析上讲,架空刚性悬挂接触导线的使用寿命较柔性悬挂长。

由于钢铝复合接触轨的6 mm厚不锈钢带接触面非常平滑,减少接触轨与集电靴两者的磨耗,减少了电弧的产生,从而延长了接触轨及集电靴的使用寿命。1992年,对柏林地铁安装的钢铝复合接触轨进行了磨耗检测,运行7年半集电靴通过约650万次后,钢带仅出现了0.2mm的磨损。考虑到钢铝复合接触轨使用的钢带厚度为6mm,正常工作条件下该轨工作寿命最大可达50年。

2.5 安全可靠性

架空柔性悬挂的活动元件多、定位点多,在额定张力作用下易发生断线事故。架空刚性悬挂、接触轨均无活动元件,没有外加张力,可靠性高,失效破坏范围小。而接触轨方式在车辆段较不利于人身安全。

2.6 维修性

架空刚性悬挂及接触轨活动元件少,结构简单,不存在断排或断线的可能,避免了架空柔性悬挂可能出现的钻弓、烧融、不均匀磨耗、高温软化以及受电弓故障造成的断线事故等缺陷。因此架空刚性接触网、接触轨在日常维护中的维修工作量比架空柔性接触网要少,甚至无维修。

2.7 与规划线路的衔接性

西安地铁2号线在小寨站与规划建设的1号线存在联络线,在与1号线路的衔接上,架空柔性悬挂需为后续接触网预留接触线、承力索下锚位置及锚段关节安装空间;而架空刚性悬挂关节布置灵活、简单,后续架空刚性悬挂不需要任何下锚预留,即可独立进行设计和安装。因此,架空刚性接触网在与规划线路的衔接上显示出更加方便、简单易行的优越性。接触轨与规划线路的衔接可采用断轨,也较为方便、简单易行。

2.8 人身安全

柔性悬挂、架空刚性悬挂位于支柱、隧道上部,安装位置高,不会对线路维护人员及其他工作人员构成安全威胁,对发生事故时快速疏散乘客不造成影响,在车场内的安全性也高于接触轨。

接触轨安装在走行轨旁,高度较低。虽设有防护罩,但在接触轨带电情况下,对进入隧道人员或发生事故时人员疏散有一定危险性,同时维修非供电设施时接触轨必须停电。接触轨安装于车辆段内时,由于车辆段人员、车辆活动比较频繁,采用接触轨供电尤其是DC1500V电压等级的接触轨供电,需要结合车辆段检修工艺流程、设备布局、保证人身安全等方面进一步深入研究车辆段接触轨的安全防护措施,加强接触轨的防护。

2.9 景观效果

高架及地面段的架空柔性悬挂的安装位置较高,正线地面(含高架)区段接触网支柱、导线、锚段关节数量较多,接触网支柱、导线、锚段关节对城市景观产生影响,即使进行景观设计,简化导线数量,优化支柱形式和锚段关节布置方式,也只能略有改善,特别是运行速度较高的高架线路,支柱对视觉形成的光栅作用是无法消除的。

接触轨安装位置低,距轨面高度在0.2m左右,对城市景观无影响。因此从环保和景观效果方面考虑,高架区段采用接触轨系统是较适宜的。

2.10 设备国产化

无论架空柔性悬挂、架空刚性悬挂,还是接触轨,接触网的国产化经过广州地铁、深圳地铁、上海地铁等国内多年地铁工程的建设及运营,其主要零部件已实现了国产化,国产化部件的性能及结构达到了国外同类产品的水平。

3 各种悬挂方式经济比较

3.1 多种方案组合

根据上述各种接触网悬挂方式的关键技术分析,并结合2号线采用DC1500V供电方案及2号线可研方案正线分为地下段(占全线约80%)、高架段(占全线约20%),另设有车辆段和停车场各1座的线路特点,本线接触网悬挂有以下几种可行的方案。

方案1:地下段采用架空刚性悬挂,高架段、车辆段及停车场采用架空柔性悬挂;

方案2:全线(包括地下段、高架段、车辆段及停车场)均采用架空柔性悬挂;

方案3:地下段及高架段采用接触轨,车辆段、停车场采用架空柔性悬挂;

方案4:全线(包括地下段、高架段、车辆段及停车场)均采用接触轨。

3.2 方案经济比较

各悬挂方案的综合经济比较见表1,本线各种悬挂方案在寿命周期内综合费用的曲线如图4所示。

表1 各种悬挂方案综合经济比较 万元

图4 各种悬挂方案在寿命周期内综合费用曲线

从表1、图4可以看出,初期投资方案1投资最少;但全线50年寿命周期综合费方案4最经济,其投资仅为方案1的一半。

3.3 方案优缺点比较

对于方案3、方案4,根据最新对国内车辆的调研,目前国内尚无在运营中的DC1500V接触轨B型旋转电机车辆。同时方案3,除了车辆需装设集电靴及受电弓双受流系统外,还需停车进行受流方式转换,既增加了车辆初期的投资,也增加了车辆维修部门的运营维护费用,降低了运营可靠性。另外,从50年全寿命周期内综合费用方面考虑,方案4最经济,方案3次之。

对于方案1和方案2,两方案各有优缺点,初期投资相差也不大,但通过各悬挂方式的技术比较及50年全寿命周期内综合费用对照,针对本线隧道断面结构形式,方案2隧道内采用架空柔性悬挂时,接触网本身的投资及其引起的土建工程投资均增高,且架空柔性悬挂零部件种类多,维护周期短且费用高。因此,本线地下段接触网悬挂方式适合采用结构简单、技术性能优异、运营可靠性高、维护费用低、设备的国产化率高、安全性高等优点的架空刚性悬挂。

4 结语

综上所述,从技术上来说,无论是DC1500V接触轨,还是架空接触网,对于西安地铁都是可行的,但一个城市轨道交通选择什么样的接触网悬挂方式,需要结合城市本身特点和目前的技术水平发展状况综合考虑。综观广州、上海、北京、深圳等城市在建及计划建设的轨道交通工程中接触网的悬挂形式虽然各有不同,但都是以成熟可靠为基础。

在本线牵引供电制式确定为DC1500V的情况下,针对西安地铁2号线正线地下段占全线约80%、高架段占全线约20%的特点,虽然DC1500V接触轨方式具有有利于城市景观,但在汲取其他城市轨道交通的运行和设计经验基础上,综合考虑景观、车辆制造及检修安全等因素,从适应西安地铁2号线及后续规划建设线路地下线路长,大都在主城区,高架及地上线相对较短,大都在非闹市区的特点,因此,对于西安地铁2号线及后续规划建设线路地下段采用架空刚性悬挂,高架段及地面段采用架空柔性悬挂更优。并对高架段接触网支柱、导线、锚段关节进行景观设计,简化导线数量,优化支柱形式和锚段关节布置方式改善景观效果,与城市景观相协调。

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Analysis on Suspension M ode of Overhead Contact System of Xi'an M etro

TANG Xiao-lan
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In this article,combining with the network planning and construction timing of Xi'an Urban Rail Transit,aiming at the characteristics of line No.2 which underground section accounts for80%of all and viaduct section accounts for the rest 20%,through the economic and technical analysis of three different overhead contact system(OCS)suspension modes including overhead rigid suspension, overhead flexible suspension and conductor rail,a suitable OCS suspension mode is presented for line No.2.The above OCS suspension mode also meets the requirements of development planning of Xi'an Metro.

urban rail transit;network planning;overhead rigid suspension;overhead flexible suspension;conductor rail

U231

A

1004 -2954(2012)10 -0095 -03

2012-02-15

唐晓岚(1965—),女,高级工程师,1987年毕业于西南交通大学铁道电气化专业,工学学士。