北京市軌道交通房山線直流牽引供電接觸軌系統(tǒng)設計

葉玉萍,趙 青

(1.上海市隧道工程軌道交通設計研究院,上海 200070；2.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037)

1 接觸軌基本構成[1～4]

接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復合導電軌、整體絕緣支座、防護罩(標準防護罩、膨脹接頭防護罩、端部彎頭防護罩、集電靴防護罩)、防護罩支架、魚尾板、膨脹接頭、防爬器、高(低)速端部彎頭、電纜連接板等部件組成[1～2]。其中鋼鋁復合導電軌、整體絕緣支座和防護罩是接觸軌系統(tǒng)中送電、支撐和防護的三大主要部件,端部彎頭和膨脹接頭是保證受流質量的關鍵部件[5]，見圖1。

圖1 接觸軌組裝(整體絕緣支座、上部受流)(單位：mm)

2 接觸軌電壓等級

房山線接觸軌系統(tǒng)電壓標稱值為DC 750V等級。電壓波動范圍：最高電壓標稱值為DC 900V,最低電壓標稱值為DC 500V。

3 接觸軌受流方式

接觸軌有上部受流和下部受流兩種常用的受流方式[1]。上部接觸受流方式的接觸軌帶電面朝上,集電靴取流通過其彈簧裝置向接觸軌頂面施加下壓力而獲得。下部接觸受流方式為接觸軌帶電面朝下,集電靴取流通過其彈簧裝置向接觸軌底面施加抬升力而獲得。

房山線在郭公莊站與在建地鐵9號線之間設置聯(lián)絡線,因9號線是采用接觸軌上部受流,若要實現(xiàn)兩線調車作業(yè),必須要求兩線車輛受流方式相同。閻村車輛段無架修功能,車輛架修須通過聯(lián)絡線到其他線的車輛段完成；若采用下部接觸軌受流方式,很難滿足與既有運營線路的檢修資源共享。

根據(jù)上述原因,同時考慮到上部受流和下部受流均為成熟的接觸軌受流型式。所以確定房山線接觸軌設計采用上部受流方案。

4 接觸軌的選擇

4.1 性能比較

鋼鋁復合接觸軌與傳統(tǒng)的低碳鋼材料接觸軌相比具有以下優(yōu)點：

(1)鋼鋁復合接觸軌質量輕、持續(xù)載流量大、電能損耗低、耐腐蝕、可回收、綠色環(huán)保。

(2)鋼鋁復合接觸軌的鋼帶與鋁軌相當于并聯(lián)電路,其鋁軌的導電率遠高于低碳鋼接觸軌,載流能力遠大于低碳鋼接觸軌。

(3)鋼鋁復合接觸軌質量輕,施工安裝方便。1 m長鋼鋁復合接觸軌的質量約為17 kg,1 m長低碳鋼接觸軌的質量約為51 kg。

(4)鋼鋁復合接觸軌鋁軌的截面積是低碳鋼接觸軌截面積的63%,電阻是低碳鋼接觸軌電阻的33%,由此可見,鋼鋁復合接觸軌的截面小、電阻低,可降低牽引網(wǎng)線路能耗。

(5)鋼鋁復合接觸軌的接觸面為鐵素體成分的不銹鋼帶,其平整度和表面光潔度能夠保證集電靴接觸的穩(wěn)定性,使受流質量和不銹鋼帶的耐磨性能提高,減少集電靴和接觸軌間產(chǎn)生電弧的概率,有效降低電氣磨耗,從而延長接觸軌的使用壽命,對確保接觸軌系統(tǒng)的全生命周期質量有著明顯的影響。

鑒于以上原因,房山線工程選用的鋼鋁復合接觸軌,其載流截面為4 803 mm2(鋁軌截面積),溫度20 ℃時的單位電阻為0.006 5 Ω/km。

4.2 接觸軌設計

鋼鋁復合接觸軌基本原理是通過擠壓、滾壓及焊接的方式把鋁軌良好的導電性和不銹鋼帶的耐磨、耐腐蝕性結合在一起,形成整體電阻小、運營能耗低、載流量大、耐腐蝕、壽命長、質量輕、易安裝、綠色環(huán)保等優(yōu)點的鋼鋁復合導電軌，如圖2所示。

圖2 鋼鋁復合材料導電軌斷面

5 絕緣支撐

固定、安裝和支撐接觸軌并起到帶電體與接地體之間絕緣作用的裝置稱為絕緣支撐,如圖3所示。絕緣支撐大體分為2種類型,一種是由絕緣底座和絕緣子構成的絕緣子支撐,另一種是用玻璃鋼材料壓模澆鑄制成的整體絕緣支座支撐。

圖3 接觸軌整體絕緣支座裝配(單位：mm)

整體絕緣支座的穩(wěn)定性、抗彎能力和機械強度等均好于絕緣子支座；而且整體絕緣支座的使用壽命也高于絕緣子支座；采用整體絕緣支座,便于維護和檢修；房山線工程的接觸軌支撐件采用整體絕緣支座,根據(jù)房山線以高架線為主的特點,房山線采用的整體絕緣支座具有阻燃、防紫外線等性能。

6 防護罩

房山線接觸軌系統(tǒng)采用玻璃鋼防護罩,玻璃鋼防護罩及防護罩支架采用整體壓模成型的制造工藝,在產(chǎn)品制造成型過程中降低了化學成分的揮發(fā)量,減少了對環(huán)境的污染,提高了抗老化能力,結構的承受力提高,而且安裝較為方便。

接觸軌上部受流方案的安全防護罩主要由接觸軌標準防護罩、膨脹接頭防護罩、高(低)速端部彎頭防護罩、集電靴防護罩等類型組成。接觸軌標準防護罩及防護罩支架詳見圖4、圖5。

圖4 接觸軌防護罩(單位：mm)

圖5 接觸軌防護罩支架(單位：mm)

接觸軌膨脹接頭處使用滑膛(長孔)防護罩,固定點設置縱向長孔,長孔的長度根據(jù)膨脹接頭的最大可移動距離確定。在安裝電纜連接板處,所采用的標準接觸軌防護罩應開孔,方便電纜連接板、電纜的檢修與更換。防護罩及防護罩支架A處(圖5)的聯(lián)結螺栓安裝方向應螺桿朝外安裝,依次安裝有平墊圈、彈簧墊圈、螺母、備母,緊固后螺桿涂防銹漆。當螺栓松動、螺母脫落時容易被及時發(fā)現(xiàn),以提高其安全性、可靠性。因端部彎頭的防護罩比較長,在安裝時需要特別注意防護罩的支持點間距不應過長,在2.5 m以下為宜,保證其穩(wěn)定性。絕緣支座及防護罩等防護系統(tǒng)可以根據(jù)所安裝場所的環(huán)境情況,增加防鼠、防紫外線、防腐蝕等方面的性能。

7 膨脹接頭

接觸軌由于環(huán)境溫度變化、電流溫升等因素的影響而產(chǎn)生熱脹冷縮,在中心錨節(jié)固定點處接觸軌產(chǎn)生溫度差應力,會使接觸軌產(chǎn)生變形、導致中心錨節(jié)損壞。所以必須在錨段之間設置膨脹接頭,利用膨脹接頭的自由伸縮來釋放溫度差應力。在房山線接觸軌設計中,為了提高膨脹接頭的自由伸縮可靠性,采用了新型接觸軌膨脹接頭,如圖6所示。其原理是對接頭處不施加機械外力,通過在接頭下端固定的雙銅板連接大截面雙編織銅線來滿足可靠受流和接觸軌的自由伸縮,以避免因不能克服初始滑動力影響接觸軌的縱向伸縮而發(fā)生行車事故。

圖6 接觸軌膨脹接頭

為了限制接觸軌自由伸縮段的整體縱向移動,一般在2個膨脹接頭之間或一個膨脹接頭和一個端部彎頭之間每個獨立錨段的中部設置中心錨節(jié)。每個中心錨節(jié)由4個防爬器構成,固定在絕緣支座的兩邊,具有足夠的夾緊力,保證接觸軌在溫度變化時能夠由錨段中部均勻地向兩邊伸縮。當線路的縱向坡度≥20‰時,在緊鄰中心錨節(jié)處增設1組中心錨節(jié)進行加強。

8 端部彎頭

接觸軌端部彎頭分為低速端部彎頭和高速端部彎頭2種。在正線和試車線上通常是采用高速端部彎頭,在場段及維修基地一般采用低速端部彎頭。

8.1 高速端部彎頭

接觸軌采用上部受流方式時,其端部彎頭端部的接觸面高度低于接觸軌的接觸面安裝高度,端部彎頭呈下坡狀。高速端部彎頭端部的下降距離與車輛、軌道及接觸軌安裝誤差有十分密切關系,一般高速端部彎頭的總長度為5.1 m,下降坡度為1∶50,下降高度為95 mm。

房山線車輛最大運行速度是100 km/h,在超額荷載情況下,同時考慮走行軌的允許磨耗,并考慮速度較高時的沖擊力,計算得到：當彎頭端部下降95 mm時,不能滿足要求,其車輛集電靴所受的沖擊力對集電靴易造成損害,后經(jīng)研究確定高速端部彎頭下降的合適距離為106 mm。在下降坡度基本不變的情況下,滿足下降距離為106 mm時,高速端部彎頭的總長度為5.852 m,高速端部彎頭如圖7所示。

圖7 接觸軌高速端部彎頭(單位：mm)

8.2 低速端部彎頭

低速端部彎頭主要應用于車輛段及停車場,因為在段內(nèi)的行車速度很低,彎頭下降時的下降坡度小、下降快,總長度可以減小。所以本工程低速端部彎頭端部的下降坡度取1∶30,總長度為3.4 m,端部彎頭與主軌斷面相同,如圖8所示。

圖8 接觸軌低速端部彎頭(單位：mm)

9 接觸軌安裝

接觸軌施工安裝的質量將直接影響到鋼鋁復合接觸軌的壽命、運營安全、運營成本等。在設計及配合施工中須注意以下問題。

(1)首先應考慮整體絕緣支座的安裝方式,以往支座安裝是采用現(xiàn)場打孔、膨脹錨栓安裝方式,施工難度大、能耗大、環(huán)境污染、成本大。在房山線工程中采用預埋尼龍?zhí)坠芊绞桨惭b,用金屬緊固件(螺紋道釘)進行絕緣支座安裝,安裝方便、減輕工作量、節(jié)約電能、節(jié)省成本、保護環(huán)境。

(2)在普通軌枕及短軌枕段,整體絕緣支座選擇安裝在長軌枕或加長短軌枕上,預制軌枕的過程中可進行尼龍?zhí)坠茴A埋；在鋼彈簧浮置板整體道床段,整體絕緣支座選擇安裝在鋼彈簧浮置板整體道床上,在浮置板上預埋尼龍?zhí)坠?；這2種預埋方式易保證尼龍?zhí)坠艿念A埋精度。

(3)在梯形軌枕整體道床段,絕緣支座不能在軌枕上安裝,所以應采用整體道床上安裝方式,在進行整體道床現(xiàn)澆的過程中將尼龍?zhí)坠茴A埋在整體道床上。

(4)在進行尼龍?zhí)坠茴A埋時,應注意對尼龍?zhí)坠茴A埋方向的控制,即尼龍?zhí)坠芘c軌枕或道床面垂直度的控制。

(5)安裝在圓曲線、緩和曲線段的接觸軌,應將接觸軌布置長度換算到曲線上的對應長度。

(6)當接觸軌安裝在直線段及曲線半徑大于100 m的曲線段時,可以靠其自身彈性直接安裝。安裝在曲線半徑小于100 m的曲線段時,必須先對導電軌進行預彎后再進行安裝,接觸軌應分段進行折彎,分段長度不宜超過1 m,以保證折彎半徑不變。

(7)膨脹接頭安裝時的間隙大小必須按照安裝時的環(huán)境溫度對照安裝曲線進行調整。

(8)進行接觸軌端部彎頭定位、安裝時,為了確保端部彎頭縱向位置的準確性,如果需要,可對與之相鄰的接觸軌進行切割。

(9)接觸軌經(jīng)過定位、彎折和魚尾板連接后,為了保證安裝誤差不超過安裝允許值,必須使用專用量具對接觸軌安裝位置進行精確測量、調整。

10 建議

(1)應加強現(xiàn)場預留、預埋的配合工作，保證接觸軌安裝基面的尼龍?zhí)坠茴A埋準確性,督促軌道施工承包商提供滿足接觸軌安裝需要的道床質量精度。

(2)提倡采用預留、預埋件進行設備基礎安裝,盡可能地杜絕現(xiàn)場打孔等不利于環(huán)保、節(jié)能的施工方式。

(3)在設計過程中應加強與相關專業(yè)的接口配合,提高預留和預埋管線、接觸軌斷口位置的準確性。

11 結語

接觸軌系統(tǒng)在我國已經(jīng)有近40多年的應用經(jīng)驗,經(jīng)過不斷的總結、創(chuàng)新,已經(jīng)有了很大的發(fā)展。在DC750V接觸軌系統(tǒng)技術日益成熟的同時,DC1500V接觸軌系統(tǒng)也已相繼在廣州、深圳的軌道交通建設中被采用[1～4]。

在當前城市軌道交通建設大步朝前發(fā)展的時期,為了不斷提高接觸軌設計技術水平和工程設計質量,還需對接觸軌系統(tǒng)提高供電可靠性、節(jié)能、環(huán)保、保證運行及維護安全、安裝便捷、提高標準化程度、人身安全防護等方面加以重視和不斷研究。諸如整體絕緣支座的應用時間較短,還不夠規(guī)范化、標準化等問題,需要今后不斷加強研究改進。

參考文獻：

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