郭春霞
隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加快,現(xiàn)代有軌電車以其投資小、綠色環(huán)保和高效,成為未來城市交通發(fā)展的重要趨勢。
經(jīng)過對國內(nèi)運(yùn)營的有軌電車架空接觸網(wǎng)調(diào)研,天津、上海、沈陽有軌電車接觸網(wǎng)采用簡單懸掛,零件采用的是地鐵、輕軌柔性接觸網(wǎng)零件。有軌電車運(yùn)行在城市地面上,零件在滿足使用要求的基礎(chǔ)上還有景觀化、安全等級高等新的要求。隨著有軌電車市場迅猛發(fā)展,市場對有軌電車接觸網(wǎng)專用零件需求日益凸顯。因此,研究分析有軌電車柔性接觸網(wǎng)類型、確定零件優(yōu)化設(shè)計原則并設(shè)計現(xiàn)代有軌電車接觸網(wǎng)專用系列零件就顯得尤為重要。
目前,國內(nèi)針對有軌電車供電系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只有城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T1-1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》,該標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)制式、電車整流站,饋、觸線網(wǎng),軌道電氣技術(shù)要求,保護(hù),供電調(diào)度等方面對有軌電車供電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中明確,系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為DC 750 V 或DC 600 V(DC 600 V 為非推薦值)。這為有軌電車供電系統(tǒng)絕緣產(chǎn)品的設(shè)計提供了電壓等級依據(jù)。
有軌電車接觸網(wǎng)接觸懸掛根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同分成彈性簡單懸掛和簡單鏈形懸掛2 大類。
簡單鏈形懸掛的接觸線是通過吊弦懸掛在承力索上,承力索懸掛于支柱的支持裝置上,使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點,利用調(diào)整吊弦長度,使接觸線在整個跨距內(nèi)對軌面的距離保持一致。簡單鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度,改善了彈性,增加了懸掛重量,提高了穩(wěn)定性,可以滿足電力機(jī)車高速運(yùn)行取流的要求。
簡單鏈形懸掛性能比彈性簡單懸掛好,但也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、施工和維修任務(wù)量大、對城市景觀影響大等諸多問題。長春和大連在早期修建的有軌電車線路中采用簡單鏈形懸掛,新修建的線路已基本不采用該種模式(圖略)。
彈性簡單懸掛是由1 根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式,該方式只有接觸線,沒有承力索,結(jié)構(gòu)簡單,支柱高度低,支持裝置承受的負(fù)荷較輕,能滿足中低速為主的有軌電車供電網(wǎng)需要,但其跨度小、弛度大、彈性不均勻、懸掛點有硬點,且在運(yùn)行中導(dǎo)線會上下振蕩。
彈性簡單懸掛即在接觸線下錨處裝設(shè)了張力補(bǔ)償裝置,以調(diào)節(jié)接觸線張力和弛度變化。懸掛點處加裝1 套8~20 m、倒Y 形的彈性吊索,通過彈性吊索懸掛接觸線,減少了懸掛點處產(chǎn)生的硬點,相應(yīng)改善了懸掛點處的彈性和運(yùn)行狀況。
彈性簡單懸掛空中架線少,與城市景觀協(xié)調(diào)。天津、上海、沈陽等地新修建的現(xiàn)代有軌電車線路都采用該模式。
目前國內(nèi)新建的有軌電車線路基本采用彈性簡單懸掛(天津、上海、沈陽等),有軌電車電壓等級為DC 750 V,接觸線張力為12 kN,設(shè)計最高時速為70 km/h。
參見表1 可以看出,新修建有軌電車線路接觸網(wǎng)絕緣產(chǎn)品的絕緣等級是DC 1 500 V。
表1 新修建有軌電車供電接觸網(wǎng)部分零件對比一覽表
經(jīng)過調(diào)研,大連有軌電車接觸網(wǎng)零件軟定位器在定位器管中壓接有一段復(fù)合材料絕緣棒,定位器附帶起絕緣作用。據(jù)悉,蘇州有軌電車采用進(jìn)口零件,其中一個主要變化在復(fù)合材料應(yīng)用上,它的定位器管和拉線都采用復(fù)合材料。用復(fù)合材料制作接觸網(wǎng)零件,能提高接觸網(wǎng)的絕緣等級,并具有重量輕,外形美觀的優(yōu)點。
由前所述可以看出,有軌電車線路接觸網(wǎng)電壓等級是DC 750 V,目前所用產(chǎn)品是地鐵柔性接觸網(wǎng)絕緣產(chǎn)品,電壓等級是DC 1 500 V,DC 750 V和DC 1 500 V 的耐受沖擊電壓、爬電距離都有很大差距,這給絕緣產(chǎn)品外形尺寸設(shè)計帶來空間。
2.1.1 額定沖擊電壓確定
根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50124-1:2001 中相關(guān)規(guī)定:不同的電壓等級有不同的絕緣距離和爬電距離。電壓等級不同將影響絕緣電壓的不同。標(biāo)稱電壓為DC 750 V 和DC 1 500 V 的額定絕緣電壓分別為DC 900 V 和DC 1 800 V。根據(jù)額定絕緣電壓和過電壓的種類,EN50124-1《空氣間隙和爬電距離規(guī)范》中規(guī)定:DC 1 500 V 額定沖擊電壓為18 kV,DC 750 V 額定沖擊電壓為12 kV。
2.1.2 爬電距離確定
根據(jù)實際情況,有軌電車供電系統(tǒng)污穢等級按照重污考慮。IEC 60815《污染環(huán)境中所用絕緣子的選擇和尺寸測定》中對絕緣設(shè)計的污染等級和特定最小爬距做如下規(guī)定(見表2):絕緣子的外形尺寸主要決定于其額定工作電壓及工作環(huán)境,污染等級為3(重度)時,直流系統(tǒng)特定最小爬距50 mm/kV;如果按照污染等級為4(極重度)時,特定最小爬距62 mm。有軌電車系統(tǒng)額定最高電壓為0.9 kV,按表中額定電壓為1 000 V 選擇,即DC 750 V 絕緣子的最大爬電距離理論設(shè)計尺寸62 mm。
2.1.3 干閃和濕閃電壓確定原則
依據(jù)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T1-1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》,標(biāo)準(zhǔn)中5.5.4 條規(guī)定:絕緣子饋、觸線絕緣中規(guī)定絕緣子的試驗電壓,干燥時耐沖擊的電壓為10~20 kV(峰值),絕緣子垂直安裝時,工頻1 min 耐淋雨的電壓為5~10 kV(有效值)。
2.1.4 機(jī)械荷載的確定原則
因為接觸線的張力和地鐵相比均為12 kN,沒有變化,只是在彈性簡單懸掛中少了承力索和吊弦部分,故對絕緣產(chǎn)品承受的機(jī)械載荷影響不大,絕緣產(chǎn)品的機(jī)械載荷性能參數(shù)借鑒DC 1 500 V 地鐵用絕緣子,方便在電壓等級相同的地鐵中使用。
2.1.5 材質(zhì)確定
近年來復(fù)合材料在城市軌道交通中應(yīng)用越來越廣泛,硅橡膠覆環(huán)氧樹脂芯棒制作的絕緣子傘裙具有優(yōu)異的憎水性,自潔性好,防污性能優(yōu)越,污閃電壓是瓷絕緣子的2~3 倍,可免除繁重的防污閃清掃工作;環(huán)氧樹脂芯棒的抗拉強(qiáng)度是瓷質(zhì)材料的6~10 倍。據(jù)此原則重新設(shè)計的復(fù)合絕緣子外形和重量要比目前地鐵用DC 1 500 V 絕緣子減小約55%以上,外形美觀,滿足城市景觀化需要。
表2 IEC 60185 絕緣設(shè)計的污染等級和特定最小爬距(系統(tǒng)電壓為相對地電壓)一覽表
雖然運(yùn)行速度有所降低,設(shè)計最高時速70 km,實際運(yùn)行平均時速為20~30 km,但是接觸線的張力沒有變化,故接觸網(wǎng)上支撐接觸線的零件機(jī)械載荷變化不大,繼續(xù)參考地鐵同類產(chǎn)品機(jī)械載荷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;接觸網(wǎng)中沒有承力索及吊弦,單個腕臂系統(tǒng)的承受載荷減小,腕臂可以考慮用48 型腕臂;支柱容量也減小。
為了與城市景觀協(xié)調(diào),將補(bǔ)償墜砣塊放置到支柱內(nèi),或地下空腔內(nèi),取消了接觸網(wǎng)在補(bǔ)償系統(tǒng)部分龐雜繁瑣的外在設(shè)置,形成視覺上的整齊統(tǒng)一。
正在建設(shè)的蘇州有軌電車下錨裝置就是將補(bǔ)償墜砣塊安裝到柱子內(nèi),使有軌電車接觸網(wǎng)與城市景觀更加協(xié)調(diào)。地鐵上的應(yīng)用實例還有上海地鐵8號線、9 號線、11 號線。
支柱與腕臂系統(tǒng)絕緣,腕臂系統(tǒng)通過絕緣定位器、絕緣吊索與接觸線絕緣,形成雙絕緣系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有提高接觸網(wǎng)的絕緣等級和雷電耐受沖擊能力等優(yōu)點。
1991 年德國運(yùn)輸公司協(xié)會Verband Deutscher Verkehrsunternehmen-VDV 在其相關(guān)刊物上曾對直流1 500 V 系統(tǒng)的接地方式提出建議,當(dāng)架空接觸網(wǎng)采用加強(qiáng)或雙重絕緣時,架空接觸網(wǎng)的支持結(jié)構(gòu)不必與牽引接地相連,國外使用案例如法國波爾多市接觸網(wǎng)都沒有架空饋線。
現(xiàn)代有軌電車是城市軌道交通中的基礎(chǔ)設(shè)施,是緩解交通擁堵、滿足居民出行的重要手段。在現(xiàn)代有軌電車蓬勃發(fā)展的大趨勢下,研究其架空接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu),確定零件的設(shè)計原則以設(shè)計出更加美觀、經(jīng)濟(jì)、安全的有軌電車接觸網(wǎng)專用零件,已經(jīng)成為眾多城市軌道交通設(shè)計者和零件制造企業(yè)的一個重要研究課題,以上對現(xiàn)代有軌電車架空接觸網(wǎng)的研究分析及零件設(shè)計原則只是該領(lǐng)域很少的一部分,希望能對同仁提供參考。
[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京:中國電力出版社,2004.
[2] 魏忠超,于先芝,鄧志光,等.現(xiàn)代有軌電車及簡單接觸懸掛的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2010,(2).
[3] CJ/T 1-1999 城市五軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)[S].