城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展综述

牛峰琦

摘  要：钢铝复合接触轨是我国城市轨道运输中的重要动力来源，而在早期使用的接触轨大多为低碳钢制。钢铝复合式接触轨在国内外已有较多的使用，具有良好的稳定性、较少的故障，并且具有很好的发展潜力。基于以上的理论，该文将从钢铝复合结构轨道设计入手，对我国城市轨道交通供给体系的发展进行了研究，并对其结构、形式进行了详细的分析，以期为今后的发展提供有益的借鉴。

关键词：城市轨道交通  钢铝复合接触轨  轨道设计  供电系统

中图分类号：U231 .8           文献标识码：A

Review of the Development of the Power Supply System of the Steel-Aluminum Composite Contact Rail in Urban Rail Transit

NIU Fengqi

（China Railway High-Speed Electrification Equipment Co.， Ltd.， Baoji， Shaanxi Province， 721000 China）

Abstract： The steel-aluminum composite contact rail is an important power source in urban rail transportation in China， and most of the contact rails used in the early days were made of low-carbon steel. The steel-aluminum composite contact rail has been widely used at home and abroad， with good stability， less failures and good development potentials. Based on the above theory， starting from the design of the steel-aluminum composite structure track， this paper studies the development of the China's urban rail transit supply system， and analyzes its structure and form in detail， in order to provide a useful reference for the future development.

Key Words： Urban rail transit; Steel-aluminum composite contact rail; Track design;  Power supply system

我國的地铁采用的是接触网供电以及接触轨供电，与接触网供电相比，接触轨供电具有如下优点：（1）与接触网供电相比，接触轨施工更简单，施工费用更低廉；（2）地铁事故概率较小；（3）维修费用较低；（4）更好地抵御自然灾害；（5）不会对环境造成任何的破坏，也不会对城市的美感造成任何的负面作用。因而，目前已普遍应用于接触轨道的电力供应模式。

由于接触轨的供电方式可靠性高、性能好等特点，在地铁、轻轨等场合得到了应用。北京、武汉、青岛、长沙的快线，北京的S1线，都是选择钢铝复合接触轨。京津轨道交通是一种灵活的交通工具，其电力供应模式以接触轨为主。伊朗的地铁是中国的一项国外救援计划，它是一种低碳的接触轨交通，其安全和美观性能得到了极大的提高。因此，目前的接触轨电力供应已经得到了普遍的使用，并取得了良好的效果，从而推动了我国的轨道运输发展。

1 城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展的现状

1.1 钢铝复合接触轨供电系统简述

接触轨是一种特殊的电力供应方式，它可以沿着线路行驶，给火车提供电力，也就是接触网的另外一种电力供应方式。其作用类似于为高铁提供电力的高架接触网[1]。这二者的区别就是，接触轨是轨道附近的导轨，火车是用来接受电力的。

从低合金材料到高强度的钢铝复合材料，接触轨中的导电轨在使用常规的电瓷基础上，又研制出了环氧树脂材料、硅橡胶材料等材料；在电压水平上，广州轨道公司研制了1 500 V直流交流轨道，并取得了良好的效果。

1.2 钢铝复合接触轨供电系统总体发展情况

20世纪60年代初期，中国首座城市轨道交通网络在北京建立。北京轨道交通新线路的接触网技术也在持续地革新，为接触网技术的发展提供了有力的推动。在天津、武汉和广州等城市，由于城市轨道交通的迅速发展，已经形成了城市轨道交通网络。接触网技术也在发展：从上接点到下接点；从低碳钢制的接触轨道发展到了钢铝复合材料[2]。在传统的电气陶瓷基础上，还研制出了环氧、硅、橡胶等多种材质[3]。保护层从木头变成了玻璃纤维；在电压水平上，广州轨道交通的1 500 V接触网已经研制完成，其接触线的电压级别可以是DC750V，也可以是DC1500V[4]。该产品是由一种特别的不锈钢制成，用于连接两种铝合金材料，以避免其脱落。各国公司生产的各种金属及铝合金品种各不相同。

由于钢铝接触轨的材质特点，使其具有较高的阻抗和较高的压损，从而使其间隔缩短。而钢-铝复合轨道在电阻、电压降、牵引网能耗、牵引变电站数目等指标上均有显著优势，其主要特征如下。

（1）采用钢铝接触轨可以减少牵引电网的电压损耗和电力损耗，从而可以相应地减少所述牵引变电站的数目，从而可以降低所述拖车网络的能量消耗。

（2）该钢铝接触轨具有重量小、便于装配的特点。举例来说，1 m的复合接触线重量大约为14～17 kg，而低碳钢接片的重量为47.49 kg，其重量为0.29%～36%。同时降低了对固定在轨枕端上的导轨托架的惯量影响，也降低了绝缘体或隔离托架的作用力。这些特性使得设备的成本更低。

（3）采用鱼尾螺钉固定复合接触导轨，安装简单安全。而低碳钢制的接触轨，必须采用焊接方式，在接头后要进行抛光处理，工序比较繁琐。

1.3 钢铝复合接触轨供电系统的组成

1.3.1 接触轨

我国以往所采用的是JU-52型的接触轨，而05 Al （05 Al）的钢材。20世纪70年代，各国研制出导电性能优良、耐磨性能优良的钢铝复合钢轨，采用不锈钢与铝合金相结合，以减小牵引变电站的数目。该独特的构造使得不锈钢能够黏附于铝材表面而不会掉落。导线是用高导电性的铝材制造的，而在接触轨道的顶端，则是用不锈钢制造的[5]。因为铝合金的热胀率比不锈钢材料大，所以在铝板和不锈钢板上应保持良好的接合，使其不易产生黏结。此外，还应同时兼顾带状、条状、金属片的电势、金属间的电化学反应电势。耐磨性、导电性、耐腐蚀性、综合机械性能以及它们与钢铁的热胀率之间的对应，与制造技术有很大的联系。国内钢铝复合接触轨的研制进展缓慢，但近几年发展迅速，产品引进也比较完善，并且已经完全国产化。

接触轨电气分段主要取决于接触轨断口的设置方式，目前国内有2种设置方式：一是大断口模式，如北京地铁；二是短三轨小断口方式，如天津與武汉地铁。这两种方式各有优劣，在设计过程中应结合车辆编组形式、车辆集电靴的分布及电气连接情况，确定合理的断口形式。

1.3.2 中心锚结

中心锚是一种能阻止接触轨在接触轨锚固区段纵向运动的设备，能有效地阻止接触线两端的不均匀运动，并能维持连接段中点的稳定。一般可将其分成两类：普通的中心锚和大斜段的中心锚。中心锚是常规的中心锚，在某一段纵向斜率达到20%以上时，往往会在高段的中心锚进行支护。

在两个膨胀节或短节中间设置一个锚点，将接合轨道紧固，并将其均匀地朝两侧扩展。固定装置很简单，可以固定在触点轨道上，也可以移动到系统的任意地方。通常，锚固定在连接两个伸缩节或伸缩节和弯管中间，而短轨上也装有锚。锚杆采用的是不锈钢材质，能够经受住锚杆上的荷载。

1.3.3 膨胀接头

膨胀接头结构是一种可滑动部件，用于调节因热胀和收缩引起的复合轨道的长短的改变，而电联系可以通过一根软的铜或铜导线来实现，从而确保了复合轨道的电特性不受影响。扩张连接使电流接收器平滑地穿过。

由于环境温度、运行过程中所产生的热等因素影响着接触轨的温度，同时由于其热胀冷缩等原因，在导轨上设置了一种可扩展的接头，以便将两条导轨的空隙通过其力学性能和电学性能进行了调整。国内生产的伸缩缝通常包括两条长轨（左、右）和一条短轨，为了确保电蹄穿过伸缩缝的平稳，需要将长导轨和短导轨的对角切15゜（长导轨和短导轨的连接处），以保持平面的连续性，并确保它们之间有可调节的空隙，并能从一端平稳地穿过，左、右两条轨道的功能是减小转换处发生的电弧[6]。

它的基本思想是在接合部位不加任何机械外力，将大断面的双编铜丝与接合后的两个铜片相结合，从而保证了接合后的稳定流动和接合轨道的自由扩展，从而防止了由于无法抵抗初滑力而导致的安全事故。为控制导引导杆的整个纵向运动，通常在两节扩张节或一节与一节节间各单节中间设有一节中央的中央锚。

1.3.4 绝缘支座

绝缘支架是一种用于支承轨道的设备，它在轨道体系中充当隔热功能。通常有上触头一体绝缘支架和下触头一体绝缘支架，区别在于，复合绝缘子采用了高温玻璃钢加固式的不饱和聚酯塑料薄膜。绝缘材料为灰白色，其施工工艺与常规绝缘工艺大致一致。绝缘支架重量轻，绝缘性能好，强度高，吸水率低，变形小，耐候性好，设计能力强，便于根据线路的实际情况设计。顶端的绝缘材料由一个金属头部和两个触点夹具旋紧，以便将触点导轨固定并定位。部分隔热用螺栓与钢管的钢基板相联结，该螺钉与道碴或十字接头相连。绝缘子为中空圆筒，带有防污染的环状容器，使用了蓝色的底，并将其与防滑口和转动槽连接在一起。

为了防止与外部的接触，确保操作和人员的安全，所有的接触轨设备均装有保护罩。防护罩由导轨防护罩、支架防护罩、弯头防护罩、膨胀接头防护罩、电缆连接板防护罩构成。

1.3.5 端部弯头

断口或道岔上将电靴子引入到与轨道段的进口和出口之间的零件。端部弯头一般采用与该体系所采用的同样型号的接点导轨来生产。有多种形式的端部弯头，这取决于应用的需要。高速弯头通常具有5.2 m的长，端高差大于5.2 m，低速弯头的通常是3.4 m，两端高差是126 mm或大于129 mm[7]。端部弯头是用两个绝热托架来支持的，其横断面和外形一般与触点导轨的断面尺寸一致，能与所有完成的触点导轨的断面尺寸相符。由于采用了中间接头，因此，接头部位不会发生倾斜，因此可以确保弯头端部与接触轨的牢固结合，不会出现高差，使连接器能够顺畅地穿过。端部弯头点火、抗冲击、自动熄弧等性能优良，斜率适当，能够达到高速、抗弧等性能指标。5.2 m的高程终点斜率通常不超过1∶40，而3.4 m的低速段通常不低于1∶30。每一弯管的末端都会产生较大的倾斜，并能确保其末端的自熄性。

1.3.6 电缆连接板

缆线接头是用于缆线的固定，其材料通常是由铝制材料制成，为了防止在铜芯线上出现电化学反应或腐蚀，通常使用的是铜铝两种材料。缆线要留出一定的距离，以确保不影响导引线的纵向移动或对导引线的一侧产生任何的压力。

1.4  钢铝复合接触轨供电系统的类型

根据受控部位的差异，可将接触轨分为上部接触受流方式和下部接触受流方式及侧部接触受流方式三种。

1.4.1 上部接觸受流方式

接触轨导引头向上，受力器被下推。这种方法非常容易进行安装和维修，而且收集的电流也非常容易，但是它仅仅能够防止接触轨道受到电线的顶端和外面的干扰。因而，其保护措施不严格，安全性能稍逊，轨道表面易附着碎屑、灰尘、冰雪等，对列车的正常工作产生一定的不利作用。

1.4.2 下部接触受流方式

接触轨的能源集中在低处，收能器利用提升力来接受电流。由于天气因素的作用，它很难附着在碎屑、灰尘和积雪上。另外，可以从顶部、内部和外部对接触轨进行防护。该装置能够将接触轨紧紧包住，更加严密地防护，可避免人身误碰触点导轨的带电部位，增加其安全，但也会造成维修时观察不便、取下防护罩等问题。另外，在小流量条件下，管汇的提升力与接线轨道的倾角方向反向，有利于改善管汇的品质，使两个托架的间距在容许的范围之内增大，从而减小了接头的数目，并节省了资金。

1.4.3  侧部接触受流方式

导轨的集能平面与导轨顶部相平行，并通过机车导通装置的横向压力来实现。接触轨道面的侧接触电流不容易附着于杂质，而仅限于从车厢顶、车厢外侧起到防护作用，但其防护能力也较弱，且不能有效地处理安全问题。

总体而言，上接触传流法在我国已有较为完善的施工、经营和管理工作，但因其与接触网之间存在的空隙大，在室外极易受外部天气状况如积灰、积雪、结冰等因素的干扰，从而对列车的正常行驶产生不利的作用。下接触传流法是欧洲常用的传输法，它不受积灰、积雪、结冰等天气因素的干扰，只有接触面朝下暴露在空气中，其余三个表面都有防护层，所以安全性可靠度得到了很大的改善。

2 城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展的建议

根据接触轨的电源问题，目前最大的问题就是轨道交通的净空，大的接触网有5～7 m，地下4～5 m，其中还有接触网等设施，因此在实际操作中，受电弓是被压弯的。不过，由于受电弓需要适应地形，弹簧需要产生升力来支撑，因此，在地下通道中，它的升力会很大。而接触网片的电线是铜线，很可能会被拉断。此外，经过以上的剖析，发现其仍有较低的安全隐患，据此，该文给出如下的几点意见。

2.1 接触轨

接触轨的搬运和储存的方法：在搬运过程中应尽可能地防止对接触轨道造成机械损坏。所以，必须特别注意接触轨道（14 m和15 m）的输送，用2根吊起的尼龙缆索，绝不允许采用钢索或金属绞线，2个吊点之间的间隔约为8 m。在运输过程中应注意防止在任意一个方位发生扭曲，一般的接触轨道运送方法参见接触轨道厂家的指南。按送货时的打包形式储存接触导轨，木质支架最小数量为5个，最多可放置6个叠层。

若设定车辆的装置界限和作业条件，则其安装间距通常不会对其他装置产生干扰，而广州4号线和深圳3号线的施工实践表明，仍有一定的差别，因此，当产生接触轨与汽车的边界配合时，必须特别重视，以确保操作车辆的集电片不会与接触轨设施产生碰撞。通常情况下，较低的接触轨设置对结构的限制较少，而环形隧道的缓冲通道部分由于受排水斜度等因素的干扰，限制了轨道的设置，故应在设计时对其进行特别位置的设置。

广州轨道交通系统采用了采用高架接触网的方法来解决以上问题；深圳三号线采用的是移动电源，仅在定临检修库处安装滑动接触模式。二者都要求汽车配备对应的电源变换设备，移动电源技术相比于高架线路，其受电力系统的干扰要少，因此可以在汽车区库中应用。

在接触轨的施工和安装中，在常规轨枕和短轨枕段处，选用全保温支架作为长轨枕或加长短轨枕木，在预埋式轨枕时，采用了尼龙护套；在钢质浮动平板整体道床区，选用全绝热支架，采用钢板浮动平板式整体式道床，并在浮动平板上预先埋设尼龙护套；两种方法都能很好地确保预埋的尼龙护套的准确性。

2.2 电缆

为了不对轨道的动态特性产生不利的作用，从牵引变电站输出的馈线电线应首先与一根柔性缆索相连，然后才能供给接触轨。这种柔性的缆绳是由一个终端和一个电气接线片相连的。采用鱼尾板锚固方式将电缆连接板与接触轨接合。按下列程序进行：在线缆上套一根特殊的隔热热收缩套管；在连接终端的套筒部位插入缆芯；采用压力接头，将线材和终端紧紧地压合在一起，并在压力接头上加一个隔热的热收缩套管；加热套管直到收缩；根据相关的设计，在导轨上打洞。将馈线缆索的接线片用螺钉与接合导轨之间的电气垫片相结合；根据设计图进行终端的安装；根据对应的扭矩表拧紧螺钉。

2.3 防护罩

所述防护罩与所述的接触轨相连接，所述防护罩与所述接触轨托架之间的最短间隔为500 mm，所述防护罩设置在所述接触轨末端的弯曲处不会妨碍所述集电器鞋的平稳地穿过；电气接合防护罩，其设置必须留出充分的空间给接线柱和电气接头。在防护罩完成安装后，应标明膨胀接头和中心锚结的标志。标志必须采用中心锚结或膨胀接头标志。标识必须采用特殊的黑色油漆进行喷绘。

3 结语

钢铝复合接触轨由于具有良好的导电性能、高安全系数、低维护成本、高耐磨性、长供电距离、低土方量、良好的城市景观等优势，已经逐渐发展为城市的发展趋势。目前，我国在一些铁路行业中已经使用了大量的钢铝板复合轨，既要对国外的产品进行深层次的研究，又要借鉴和借鉴国外的生产和施工技术，消化吸收先进技术，进而创新自身的产品，促进我国轨道交通建设的不断发展。

参考文献

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[4]张英才，方岩，许万涛.接触轨-集电靴系统标准建设探讨[J].电力机车与城轨车辆，2021，44（6）：95-98.

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[6]熊厚旺.地铁接触轨几何参数测量方法研究[D].成都：西南交通大学，2021.

[7]杨柳.基于结构光测量技术的接触轨检测方法研究[D].成都：西南交通大学，2019.