淺談中低速磁浮交通供電系統(tǒng)接觸軌設計選型

羅 健

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

中低速磁浮作為一種新型城市軌道交通方式，有著廣闊的發(fā)展前景［1］。接觸軌在城市輪軌交通中已廣泛應用，具有導電率高、接觸面光滑、耐腐蝕、耐磨耗、便于安裝等優(yōu)點［2］。但中低速磁浮交通與傳統(tǒng)輪軌交通對比，無論機車還是線路條件等均有很大差別，中低速磁浮列車在運行狀態(tài)下處于懸浮狀態(tài)，對供電系統(tǒng)接觸軌的匹配性能要求非常高，以滿足軌靴配合平滑取流。本文主要對適合于中低速磁浮交通鋼鋁復合軌的各項技術性能進行研究分析。

1 系統(tǒng)要求

1.1 線路條件

中低速磁浮交通行車速度一般不大于100 km/h，車輛可以順利通過70‰的坡道和100 m半徑的曲線，在困難的情況下，允許通過的最小曲線半徑為50 m。道岔是磁浮列車交換運行線路的渡線工具，采用整體移梁的方式，一般由3段鋼梁組成，由液壓或電動機驅動鋼梁整體轉轍，使磁浮列車在緩和的近似圓曲線的折線上通過。接觸軌要架設在活動的道岔梁上，既要滿足道岔梁擺動變形位移的要求，又要保證列車在一定速度下良好受流［3-4］。

1.2 電氣條件［5-6］

一般采用直流供電方式，額定電壓直流1 500 V或750 V，允許電壓波動范圍直流1 000～1 800 V或500～900 V，最大啟動電流不小于3 000 A，正常工作電流不小于2 000 A。接觸軌帶電體距固定接地體絕緣距離靜態(tài)為150 mm，動態(tài)為100 mm。各類絕緣元件的爬電距離應不小于250 mm。

1.3 受流靴使用要求

受流靴對接觸軌的安裝精度及軌寬要求很高，在Y向(接觸軌側向安裝，受流摩擦面的法向)絕對精度和相對誤差要控制在mm級，在Z向(即垂向)要滿足在列車起落過程中，受流靴的中心線始終位于接觸軌面上、下有效邊線之內，并留有一定裕度。(注:X軸為沿線路方面，Y軸為水平垂直線路方向，Z軸為鉛垂方向)

2 受流方式選擇

受流方式選擇主要考慮以下幾個方面［7］。

(1)安全性

根據(jù)磁浮列車的技術特性，接觸軌受流方式可以分為上部受流、下部受流和側部受流3種形式。和架空接觸網相比，接觸軌系統(tǒng)在地面、高架線路上受風、雪等外部自然條件影響較小，同時接觸軌系統(tǒng)結構簡單、截面較大、耐磨性好，所以無論采用上部受流方式、下部受流方式還是側部受流方式供電都是安全可靠的。

(2)限界

采用下部受流方式本身結構復雜，同時會導致受流器整體結構復雜，給受流器設計、軌靴之間配合以及在梁側面狹小空間下接觸軌安裝造成比較大的困難，因此下部受流方式不適用于磁浮交通，而上部受流和側部受流方式相對下部受流方式對受流器的影響要小得多，從限界上可以滿足要求，在線路的總體布局上顯得更加緊湊、美觀［8］。

(3)污穢影響

下部受流方式有利于防止污穢堆積和冰凍造成的受流困難，側部受流方式次之，而上部受流方式由于自身安裝方位原因存在著受流面污染的隱患，會影響受流質量，加速接觸軌和受流器的磨損，降低接觸軌使用壽命以及增加運營維護工作量。

(4)對受流質量的影響

由于磁浮列車存在起浮的特點，采用上部或者下部受流方式時，列車靜止、懸浮起降過程中受流器會產生位移，同時車輛在運行過程中受流器也會隨著車體上下位置發(fā)生動態(tài)變化，從而造成軌靴之間接觸壓力的變化，對受流質量產生一定影響，而側部受流方式有效避免了這一點。

綜合上述分析，中低速磁浮交通建議采用側式受流方式。

3 接觸軌選型研究

3.1 靴軌配合

受流靴與接觸軌的配合，包括寬軌窄靴、寬靴窄軌和軌靴等寬3種情況［9］。無論采用何種配合情況，當受流靴位移發(fā)生變化時，受流靴在垂直方向上的中心線應始終落入接觸軌有效軌面內，并留有一定安全裕度，同時需要保證有效接觸面積滿足通流能力的要求，上述3種情況均可滿足受流要求。但在實際應用中，由于受流靴耐磨性遠低于接觸軌不銹鋼帶的耐磨性，寬靴窄軌和軌靴同寬會造成受流靴的不均勻磨耗，影響受流質量，需要定期打磨受電靴，所以針對磁浮列車運行特性，寬軌窄靴方案更適宜。

3.2 軌型概況

磁懸浮交通供電系統(tǒng)接觸軌可供選擇的包括:C型鋼鋁復合軌、工字形鋼鋁復合軌和組合軌［10］，如圖1～圖3所示。C型軌、工字軌由鋁型材和鋼帶復合而成。組合軌由匯流排、銅接觸線和夾持件組成，具有構造復雜、可靠性低、載流量小、受流接觸面積小、對受流靴磨耗不均、耐磨性差、壽命短、不利于維護等缺點，本文不作為中低速磁浮接觸軌選擇的主要軌型。

C型軌在高速磁浮上海浦東機場線DC400V有成熟運行業(yè)績。上海浦東機場線采用的C型軌是國外引進產品，額定載流為2 000 A，目前已經實現(xiàn)國產化，并提高了額定載流量。工字軌在國內DC1500V或DC750V城市軌道交通領域有較好的運行業(yè)績，本文所描述的中低速磁浮工字軌為根據(jù)磁浮特點所做的改進型工字軌。

圖1 C型軌(單位:mm)

圖2 工字軌(單位:mm)

圖3 組合軌

3.3 技術分析

(1)機械性能

C型鋼鋁復合軌和工字型鋼鋁復合軌機械性能見表1。

表1 C型鋼鋁復合軌和工字型鋼鋁復合軌機械性能

(2)電氣性能

C型鋼鋁復合軌和工字型鋼鋁復合軌電氣性能見表2。

(3)道岔布置

道岔處接觸軌設計是磁懸浮設計的重點和難點。C型軌道岔處可以采用貫通布置，受流平順性好，但軌內部承受應力相對大，有往復疲勞問題，對支撐裝置的安裝要求高，需采用滑移和限位裝置。工字形道岔處采用分段布置，軌內部承受的應力很小，不存在往復彎曲疲勞問題，但在道岔轉轍處軌的過渡存在硬點，受流平順性差。當列車高速通過道岔時，接觸軌的布置應本著優(yōu)先考慮貫通式方案的原則，因軌型特性不能貫通時，可考慮斷口方案。

表2 C型鋼鋁復合軌和工字型鋼鋁復合軌電氣性能

4 結論

通過以上分析，C型軌的主要技術優(yōu)勢在于鋼鋁復合結合力強、剛柔度好、受流面寬、道岔處受流穩(wěn)定;工字軌的主要技術優(yōu)勢主要在于總截面大、單位電阻低、持續(xù)載流能力強、道岔處支撐結構形式簡單。C型軌和工字軌作為備選方案基本上都能滿足中低速磁浮交通系統(tǒng)接觸軌技術要求。目前的理論研究、論證都需要實踐檢驗，2種軌型及相關方案的功能性、穩(wěn)定性、安全性還有待于工程實踐驗證。建議進一步深入研究并提高產品技術性能，完善中低速磁浮交通接觸軌的設備選型。

［1］張佩竹.我國中低速磁浮交通工程的自主創(chuàng)新技術研究［J］.鐵道工程學報，2009(10):90-94.

［2］Detlef Mahlke.Die Aluminium Stahl-Stromschiene als wichtiger Bestandteil der Stromschienenanlage der S-Bahn Berlin［J］.EI-Eisenbahningenieur，2005(2).

［3］袁青平，王俊杰，王財華，王國軍.中低速磁浮交通道岔系統(tǒng)工程設計［J］.都市快軌交通，2009(22):67-70.

［4］楊其振，劉道通，于春華.中低速磁浮交通軌道工程研究與設計［J］.鐵道標準設計，2010(10):35-37.

［5］GB 50157—2003地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［6］胡基士.中低速磁浮列車牽引供電系統(tǒng)特點分析［J］.電力機車與城軌車輛，2003(4):33-34.

［7］朱俐琴.城市軌道交通系統(tǒng)供電制式與受流方式分析［J］.電力機車與城軌車輛，2003(3):29-31.

［8］劉永紅.中低速磁浮列車動力軌系統(tǒng)設計關鍵技術的研究［J］.鐵道標準設計，2008(6):97-99.

［9］張興昭.對磁浮交通直流牽引供電系統(tǒng)有關技術的探討［J］.鐵道標準設計，2010(3):117-121.

［10］王財華.磁懸浮供電軌系統(tǒng)的設計研究［J］.都市快軌交通，2006(S).