架空接触网和第三轨供电方式比较

1、憾架空接触网和第三轨供电方式比较谢伟电气化勘测设计研究院摘要：本文通过对国内外地铁和轻轨供电方式的分析，对两种供电方式进行了较深 入的剖析，并从安全性、经济性和实用性等方面进行了比较。关键词：接触网第三轨比较 l国际上地铁和轻轨供电方式概况及其发展趋势自1863年世界上第条地下铁道在英国伦敦建成通车以来的100多年中，世界上已 有三十余个国家的100多个城市相继修建了地下铁道或城市轻轨，采用的电压等级仅直流 制就有近二十种。从I)C550V至DC3000V均有采用(详见参考文献2、3、4、5)。但在这= 十种电压等级中，应崩最多的还是DC750V和DCl500V两种。这也是国际电工委员会(IE

2、C) 推荐采用的电压等级。就牵引网方面而言，在上述100多个城市修建的地下铁道和城市轻轨当中，约有70采用架空接触网(包括刚性架空接触网)，30采用第三轨，其中架空接触网儿乎在各个 电压等级中均有应用，而第三轨通常应用于750V以下电压，仅有两个例外，西班牙的巴塞 罗那和埃及的开罗两座城市采用了500V第三轨。从修建年代方面分析，早期修建的地下铁道由丁受当时技术的限制，无一例外地采用 了第三轨方式，但随着牵引供电技术和车辆技术的不断发展，尤其是电力半导体元器件在 技术上的进步，后期修建的地下铁道多数采用了架空接触网方式，而选用第三轨修建新线 的城市中又有相当一部分是已先期建成了第三轨地下铁道后

3、再续建新线的。六十年代以后，日本、德国等往作牵引电压制与受电方式决策时，提出了应重视紧急 状态时乘客疏敞的安全问题，这一点尤其值得我国有关部门重视，因为我国城市人口密度 在世界占首位。据了解，香港地下铁道在建设初期曾按第三轨作方案，后考虑紧急状态F乘祥疏散时的安全问题，才改用架譬接触刚方式。新加波在七十年代修建的地铁系统采用的是DC750V第三轨受流方式，新建的尔北线州采用了OCl500V架空接触网方式。 目前国际上的先进国家在架空接触网方面普遍采用了热软化特性优良的银铜合金电导线，在维修工作量方面可以与第三轨比美的刚性架空接触网育进一步扩大应用的趋势。第 三轨方面t为改善受流条件，减少机械磨

4、耗和电气腐蚀等，新型的ALSUS复合导电轨已 得到应月j。2国内地铁轻轨发展现状 我国投入运行和建设中的地下铁道和轻轨中，八十年代以前决策修建的北京地下铁道和天津地下铁道均采用了DC750V第三轨供电制式。八十年代以后兴建的上海地下铁道、广州地下铁道均采用了DCl500V架空接触网方 式，据了解，即将兴建的深圳地铁和南京地铁也将选用DCISOOV架空接触网方式。此外我国东北大连、鞍山和长春等地仍在运行中的有轨电车(现代轻轨的雏形)也采用了架空接触网方式。 在技术水平方面，上海地下铁道、广州地下铁道的架空接触网均采用了银铜合金电车线低净空接触悬挂、艨轮断线制动等先进技术，技术上已达到国际较先进水

5、平。而第-轨3Y式的北京地下铁道和天津地下铁道仍然采用传统的50kgm高导电率低碳钢钢轨，与国际先迸水平有定的差距。3架空接触网和第三轨的基本构成31架空接触网基本构成 架空接触网系统由各类线材、绝缘子、下锚装置、支持结构、分段绝缘器和隔离开关等组成。典型的支撑悬挂见图1。二，_I】=!一。，2=产一111刮，一一j】：r_!L。§厂÷-圩7一；：，_，劳亏守7一r量曩?oiI一丁。，?。一，f7，j。：l瓦，?：，。I311线材对于直流1500V供电方式，目前常用的线材种类有如下几种：·接触线采用120mm2银铜台金电车线(Risl20)·承力素采用1

6、50mm：硬铜绞线(TJl50)·辅助馈线采用150mm2硬铜绞线(TJl50)·架空地线采用120ma2硬铜绞线(TJl20)正线通常采用双接触线全补偿简单链形悬挂方式。载流截面由两根Risl20银铜台金 电车线和四根TJl50硬铜绞线(载流承力索和辅助馈线)共六根线组成，再加上一根惯通 的架空地线，每条正线通常需架设七根线。31_2绝缘子绝缘子通常采用瓷质绝缘材料，有腕臂用棒式绝缘子、馈线支撑绝缘子、下锚绝缘子 等几种。爬电距离不小于250mm(对丁DCl500V而言)。313下锚装置下锚装置是架空接触阿的重要组成部分，常用的是带断线止动功能的棘轮补偿下锚装置。314支

7、持结构支持结构采用绝缘旋转腕臂和软横跨结构，支柱采用园形等径预应力钢筋混凝土柱和桁架式钢柱。315分段绝缘器和隔离开关 分段绝缘器和隔离开关是对架空接触网进行分段和供电的设备，设置地点和数量取决于分段要求及牵引变电所的位置和数量。32第三轨的基本构成 第三轨主要由接触轨、绝缘子、端部弯头、防爬器、防护罩和隔离开关等组成。典型1 7并iilj；裂i?j景jii毫案子j羞皇Fx二一；誊t牙j：jji二÷；ii摹勋重：；!Z一0。j。专至的第三轨安装断面见图2。321接触轨接触轨通常设在列车前进方向的左侧。我国目前采用的接触轨为50kgm高导电率低 碳钢钢轨，在15。c时的电阻率小于012

8、5Qnm2m，轨头顶面宽度为90mm。322绝缘子绝缘子通常采用额定电压3KV的瓷质绝缘子。 323端部弯头和防爬器端部弯头设置在接触轨断口的端部，便r车辆受流器能平滑顺利地过渡。为避免冈温度变化及受流器作用时引起接触轨窜动，在每一段接触轨中部均设置有防爬器。 324防护罩防护罩由防护扳和支架组成，根据不同情况，防护扳可选用木材或玻璃钢，为节约水 材，现在通常推荐采用阻燃、耐腐蚀、强度高、重量轻的玻璃钢作为防护板。4325隔离开关在第三轨方式中，为引线方便，隔离开关安装位置均靠近地面设置，从安全方面考虑通常将隔离开关安装于柜子中。 隔离开关的设置地点和数量取决于牵引变电所的位置和数量。4架空接

9、触网和第三轨的利弊分析41安全性由于第三轨临近地面，与人身发生接触而导致触电的可能性较大，这虽然可以通过制 定各种安全措施来防止事故的发生，但在客观上疏忽是难免的。因此，第三轨较架空接触 网发生人身伤亡事故的概率要大。另外国内外民期的运行经验表明，当列车内发生突发 事件(如火灾)需要紧急疏散旅客时，在不能马上切断电源的情况下，火量的旅客涌上线 路这是非常危险的。因此，在紧急事故隋况下，第三轨不利于疏散乘客，对乘客的人身 安全有危险影响。而架空接触网则不存在这种危险影啊。在事故状态下，架空接触网方式可以通过降弓使车辆脱离电源，而第三轨方式RIPF行。以北京城市铁路西直门至和平里段为例，该线总长4

10、1km，全线除二处立交疏散外， 均位于地面，如此长的线路如果采用全封闭形式，将会影响沿线居民跨越铁道的交通需求， 而不封闭的话，同时又采用第三轨则微易发生触电事故，造成人身伤亡事故。 42投资分析我国已建成的上海、广卅地下铁道架空接触网均采用了当今世界先进技术，接触线采 用了银铜台金电车线，下锚补偿装置采用了具有断线IE动功能的棘轮补偿装置。在国产化 方面，我院正在设计中的上海轨道交通三号线架空接触网，除分段绝缘器一项尚须引进外， 其余设备和器材均采用了技术指标不低于引进产品的国产品，但在造价上却低于引进产品， 每正线公里造价约395万元(换算成条公里造价约120万元)。第三轨方面，我国现投入

11、运行的北京地铁和犬津地铁仍然采用传统的50kgm高导电 率低碳钢，对新型的AL-SUS复合材料导电轨缺乏研究，95年我院为天津地铁南北线改扩 建项目作的投资估算第三轨造价为每正线公里造价约330万元(换算成条公里造价约110万 元)。从上述造价可阻看出，架空接触网与第三轨在造价方面相差无几。这里值得指出的是， 在上述造价中，挺空接触网在技术上已达世界先进水平，而第三轨仍维持在较低水平。顺便提一下，根据德国两门子公司提供的资料，DCISOOV架空接触网和DC750V第三轨每条公里造价比值为l：l2。在牵引变电所方面，参考我院设计的上海轨道交通三号线1=程和天津地铁南北线改扩 建项目，DCl500

12、V牵引变电所和DC750V牵引变电所在相同技术条什_卜的造价均为1000万 元左右。以北京城市铁路两直门至和平里段为例，在DCl 500V和DC750V两种电压下的牵引 变电所数量分别为15座和22座(见表l和表2)，由此可见，北京城市铁路西直门至和平 里段仅牵引变电所一项采用DC750V将比采用DCl500V造价高7000万元。此外，因第三轨 ，一一一、j¨¨一一、一一t? >寸一，塑；L7万77万钐形 1。，弓；、 荔荔彩一一蛰燮1d姑嘎。 蕊S心义鼠引、；¨|-一ji二jt!i巷jI。， 心。心÷心主3二7二琶专车三=亏篾曩，一：一一侵入机车

13、车辆限界，将使西直门至和平里段不能通行干线机车车辆，见图3。43维修工作量通常情况下，架空接触网由于结构复杂因而其维修工作量要大于第三轨。但随着智能 化接触网检测车的普遍应用，接触网的状态可以通过检测车进行适时的检测，实现接触网 的状态维修，大大减轻日常维护工作量。另一方面对于地面线路而言，工务维护轨道时 必须将第三轨的电源切断，因而第三轨对工务维护工作有一定的影响，尤其是碎石道床区 段干扰更大，而架空接触网则基本不会影响T务对轨道的维护，44供电质量及能耗通过合理的布置牵引变电所的位置，两种电压的供电质量基本相同。 在车辆功率相同的情况卜，DC750V系统的电流是DCl500V系统的两倍，而

14、在线路上的损耗是与电流平方成正比的。在相同线路条件和相同车辆功率的怙况下，运行中线路的功 率损耗DC750V是DCl500V的人约200，这对运营成本核算是不可忽视的。此外，由于DC750V系统的牵引变电所数量较DCt500V系统多约35(见4 5条)，所以牵引变电设备的管理维护费较高。 45牵引变电所设置情况OCl500V系统的供电距离一般是0。4公里，DC750V系统的供电距离一般不超过2公里。 以北京城市铁路西直门至和平里段为例，DCl500V和DC750V牵引变电所设置情况分别见表 l、表2。从表中可看出DCl500V和DC750V两种电压F牵引变电所数量分别为15座和22 座，DCl

15、500V与DC750V相比，牵引变电所数鞋少约35。南京地铁南北线一期工程小行至 迈皋桥全长16 48km，共设13座车站。根据供电仿真计算，对于DC750V全线13座车站均 需设置牵引变电所，再加上车辆段共需设置14座牵引变电所。对于DCl500V全线仅需设8 座牵引变电所。DCl500V和DC750V供电技术指标分别见表3和表4。 46对杂散电流的影响两种方式均利用走行轨作为回流轨，与牵引变电所负极相连。由于走行轨与道床间存 在电位差，因粉尘污染或绝缘损坏等造成沿走行轨向道床泄漏电流，形成杂散电流。减小 杂散电流的途径通常有两种：一是堵二是排。根据仿真计算结果。DC750V系统因牵引电 流

16、较DCl500V系统大倍(同等车辆功率和线路条件下)，杂散电流约大50，故对地下金 属物危害较大。47对隧道挣空的影响 DC750v系统第二轨对矩形隧道的净空要求较低，但对园形和马蹄形隧道的利用率较低，同时由于需要的牵引变电所数量比DCl500V多，使车站士建工程量增加，据统计，每增加 一座牵引变电所，车站长度将增加25m左右，按每米隧道造价20万计约增加投资500万元。 DCl500V系统架空接触网对园形和马蹄形隧道的利用率较高但对矩形隧道需略加大净空高度，而矩形隧道通常为明挖方式施丁，因此土建工程增加不多。48车辆取流和电磁干扰 第三轨在道岔处和电分段处必须设断口，车辆集电靴在接触轨断口处

17、不可避免地要有电流冲击而产生电弧和火花由此产生的高次电磁波对无线通信有一定的干扰，第三轨断 口处的电流冲击造成车辆取流不平稳，并对列车运行速度有一定影响。架空接触网在道岔 处和电分段处是连续的车辆受电弓始终是平滑的取流，现代技术使得受电弓相对接触网 的离线率非常小，因而产生火花引起的电磁干扰也非常小，允许列车运行速度较高。5架空接触网和第三轨对比简表。鑫灞架空接触网和第三轨对比简表表5序嘉之案口。1j架空接触删第三轨、1安全性在紧急事故情况下。架空接触闷利于在紧急事故情况下，第三轨不利于疏疏散乘客，对乘客的人身安令不存在散乘客易发生触电造成人身伤亡事危险影l侗。故。2技术水平及投资逃世界先进水

18、平采用银锕台金电车技术水平较低，采用50kgm低碳钢I线，每条公里造价约120万。每条公里造价约1tO万。维修工作量维修工作量较大，但不影响工务维修。维修工作量较小，但对工务维护有影l 3响。4牵引供屯供电质量高，电能损耗小，牵引变电供电质量较差，电能损耗较DCl500Vf所少(西直门至和平里共设15座)，架宅接触网约大200，牵引变电所多占地和投资少。(西直门至和平里共设22座)，占地和投资多。【5杂敞电流腐蚀杂散电流腐蚀较小。杂散屯流腐蚀比DCl500V架空接触网约犬506隧道净窄隧道净空要求鞍第三轨稍大，但牵引隧道净空要求较小，但牵引变电所数变电所数量少减少了车站建筑面积。量多，增大了车

19、站建筑面积。7车辆方面取流平稳电磁干扰非常小取流不平稳，有冲击。电磁干扰大8线路方面地面线路无须封闭：地面线路必须封闭6结论(1)对于DC750V系统第三轨受流方式和DCl500V架空接触网受流方式，两者均能满足城市轨道交通的功能要求。 (2)在安全性方面，架空接触网比第三轨安全。(3)综合经济效益方面，虽然隧道工程的投资架空接触网方式比第三轨方式略高，但因 OCt500V的车辆造价较低、变电所数量较少、且能耗较低，架空接触网方式比第三轨的 综合经济效益好。7参考文献北京铁路局北京勘测设计院，匕京城市铁路(西直门至和平里)方案研究报告19984。JANElSWORLDRAILWAYS19881

20、989JANESURBANTRANSDORTSTSTEMS1990JANESURBANTRANSDORTSTSTEMS1994。1995铁道电气技术(日)199 L10VOL2NO10Dcl500V系统牵引变电所设置方案(15座牵引变电所)表1序号站名里程站间距(Km)牵引变电所牵引变电所位置间距(Km)l西直门AK00"0802782782大钟寺AK028602，002oo3清华圆AK048602，102104请华东路AK06+9604784785清河AKll+740305$6053006洄龙观AKl7+790l97197lI·黄土店AKl9+7603005582588三

21、水桥AK28+340249249女9北苑K27+83(339079040010望京西AK35-7301821821l太阳宫AK37+55030036012和平里AK4卜lj0注：带号的牵1变电所位于区问9DC750V系统牵引变电所设置方案(共22座牵引变电所)表2序号站名里程站间距(Km)牵引变电所牵引变电所位置间距(Km)l西直门AK00*080西直门l392782丈钟寺AK92t860l39200大钟寺2O3清华圆AK04+860清华圆2102104清华东路AK06 r960清华东路2394785清河K11*740清河2396052020洄龙观AKl7·790l97洄龙观205黄十店l977黄土店AKl9+760to5 58l86l。立水桥AK25340186立水桥249249北箢9北苑AK27+83020ZU790l_9c10望京西AK35+730望京西20 l-82ll太研1宫AK37+550太阳宫王f 82 360c1812和平里AK4l十1 50l_8和乎里0若监悱搏譬 ：凸；证寸群螫型长睦 野监安监|巷斟·