城市轨道交通概论项目2课件

城市轨道交通概论项目2城市轨道交通设备系统介绍

【项目描述】城市轨道交通的建设，很大程度上缓解了城市范围内的交通拥堵。城市轨道交通包含许多设备系统，各设备系统之间的协同工作才能保证运营安全和高效的组织，为乘客提供满意的服务。那么城市轨道交通包含哪些设备系统，各设备系统具体又由哪些组成，又是怎么工作的，有什么特点。

【学习目标】通过本项目的学习，要求掌握以下基本知识：

1．城市轨道交通各设备系统的组成与分类。

2．城市轨道交通各设备系统的特点。

3．城市轨道交通各设备系统的功能及作用。

4．城市轨道交通各设备系统的基本工作原理。

5．各设备系统的主要设备功能及作用。

(1)线路

1)概述按轨道空间位置划分，可分为地下线、地面线和高架线城市轨道交通建设一般选择在城市中心繁华地区，地下线是对城市环境影响最小的一种线路敷设方式。地下线埋置深度的选择应根据地质情况和地下构筑物情况确定。地面线一般敷设在有条件的城市道路或郊区。高架线是介于地面和地下之间的线路，既保持了专用道的形式，又占地较少，对城市交通干扰较小。地下铁道高架铁路地面铁路

城市轨道交通线路按其在运营中的作用，分为正线、辅助线和车场线。

正线指连接车站并贯穿于运营线路始、终点的线路，绝大多数设计为双线，分为上行线和下行线，在正线除始点、终点车站设计折返设施外，必须选择几个重要车站，用于列车折返，在折返站应设置道岔渡线，铺有折返线、联络线和存车线，专门用于特殊情况下紧急使用，不属于正线的范畴，一般称其为正线辅助线。辅助线包括折返线、渡线、联络线、停车线、出入段线、安全线等。

车场线指车辆段（综合检修基地）用于停车、调车、修车、试车、装卸货物及指定用途的其他各种线路的总称。一般包括牵出线、停车线、检修线及综合基地内各种作业线和试车线。

道岔是使列车由一组轨道转到另一组轨道的装置。在广义上，线路包括了道岔；在狭义上，线路与道岔是不同类型的没备。

2)线路平面

线路平面是城市轨道交通线路中心线在水平面上的投影。线路平面设计首先要求在平面上走向趋直，但由于地形、水系、自然灾害（如地震、滑坡、塌方等）、土质和城市建筑群地物条件的限制，不可能全是直线，所以线路平面总是由直线和曲线共同组成，而曲线又由圆曲线和缓和曲线组成。2--1

为了保证列车运行速度和行车平稳，《地铁设计规范>(GB50517-2003)规定：线路平面曲线半径应根据车辆类型、列车设计运行速度和工程难易程度比选确定，线路平面的最小曲线半径不得小于表2.1规定的数值。，

线路平面圆曲线与直线之间应根据曲线半径，超高设置及设计速度等因素设置缓和曲线，使车辆产生的离心力逐渐增加或减小，有利于行车平稳。

夹直线指前一曲线终点与后一曲线起点间所夹直线。夹直线长度不宜短于2~3节钢轨，钢轨标准长度为25m，即50~75m；地形困难时，至少应不小于一节钢轨长度，即25m。若夹直线太短，列车通过反向曲线路段时，频繁转向，车轮对钢轨的横向推力加大。则正确位置不易保持，危及行车安全；A型车不得小于25m，B型车小宜小丁20m，在困难情况i?不得小于一个车辆的全轴距，车场线的夹直线长度不得小于3m。

3)线路纵断面

线路纵断面是线路中心线在垂直平面上的投影，由平坡、上下坡道以及设置在变坡点处的竖曲线组成。坡度为一段坡道两端点的高差与水平距离之比，一般刚千分率表示，上坡为正，下坡为负，平坡为零，不同坡段的分界点为变坡点。变坡点

线路纵断面设计根据线路平面、敷设方式、沿线建筑物、构筑物、工程地质水文地质、市政管线、道路净宽、通航要求、施工方法等因素综合考虑，合理设计。由于区间隧道轨道面标高低于车站轨道面标高，因此，列车在运行过程中处于出站下坡与进站上坡的有利状态，有利于列车启动加速与进站减速制动，即与列车运行牵引要求一致．，合理纵断而使列车运行的电耗量下降，附加制动力减少，从而降低了运行成本及设备损耗。地铁车站设在线路纵剖面的最高处，车站两端为下坡，称为节能纵坡。列车从车站启动后，借助下坡势能增加列车的加速度，缩短列车牵引时间，从而达到节能目的。在列车进站时，因借助上坡阻力，降低列车的速度，缩短制动时间，减少制动发热，节约环控能量的消耗。

4)限界

限界是指列车沿着固定轨道的安全运行时，所需要的空间尺寸。为了确保运营的安全，各种建（构）筑物和设备均不能侵入限界。城市轨道交通车辆在隧道或高架上运行，一方面，隧道或高架要有足够的空间，以供车辆通行，配置线路结构、通信、信号、供电、机电没备；另一方面，为了保证列车安全运行，凡接近城市轨道交通线路的建筑物及设备，必须与线路保持一定的安全距离，因此限界分为车辆限界、设备限界、建筑限界。限界越大，安全度越高，但工程量和投资也随着增加。限界应根据车辆轮廓尺寸、线路特性、安装施工精度等因素进行综合比较，确定一个既能保证列车运行安全，又不增加桥梁、隧道空间的经济合理的断面，这是制定城市轨道交通工程限界的任务和目的。

①车辆限界车辆限界是车辆在正常运行状态下形成的最大动态包络线。车辆限界应根据车辆主要尺寸等有关参数，并考虑静态和动态情况下，所达到的横向和竖向偏移量及偏移角度，按可能产生的最不利情况确定。车辆限界分为隧道内车辆限界和高架或地面线车辆限界，高架或地面线车辆限界应在隧道内车辆限界基础上，另加当地最大风荷载引起的横向和竖向偏移量。车辆限界是按车辆在平直轨道上运行时制定的，而车辆存曲线上运行时，由于车辆纵向中心线是直线，轨道中心线为曲线，因此两者不能吻合。同时在曲线段外轨还要设超高以平衡车辆驶经曲线段时的离心力，所以车辆相对轨道中心线而言就产生平面漂移和竖向加高，其漂移带和加高量应根据不同曲线半径、车辆性能进行计算。

②设备限界设备限界是用以限制设备安装的控制线。直线地段设备限界是在直线地段车辆限界外扩大一定安全间隙后形成的：车体肩部横向向外扩大100mm，边梁下端横向向外扩大30mm，接触轨横向向外扩大185mm，车体竖向加高60mm，受电弓竖向加高50mm，车下悬挂物下降50mm。转向架部件最低点设备限界离轨顶面净距：A型车为25mm，B型车为15mm。曲线地段设备限界应在直线地段没备限界基础上，接平面曲线不同半径、过超高或欠超高引起的横向和竖向偏移量，以及车辆、轨道参数等因素计算确定。

建筑限界

建筑限界是在设备限界基础上，考虑了设备和管线安装尺寸后的最小有效断面。在宽度方向上设备和设备限界之间应留出20-50mm的安全间隙。当建筑限界侧面和顶面没有设备或管线时，建筑限界和设备限界之间的间隙不宜小于200mm；困难条件下不得小于100mm。相邻的双线，当两线间无墙、柱及其他设备时，两设备限界之间的安全间隙不得小于100mm。建筑限界中不包括测量误差、施工误差、结构沉降、位移变形等因素，对于结构施工、测量、变形误差、设备制造安装误差，设计、施工和运营中难以预计的其他因素，尚有安全预留尺寸，应分别加以考虑，研究确定。

(2)轨道结构轨道结构按支撑导向制式划分，可分为钢轮双轨、胶轮单轨和胶轮导轨系统。钢轮钢轨的轨道结构由钢轨顶面提供车辆走行面，钢轮的轮缘和钢轨侧面的相巨作用则提供导向力，采用橡胶轮胎等形式的轨道结构必须有走行面及侧向的挡板，车辆除走行轮外还水平安置导向轮。磁悬浮列车非接触式的轨道结构，则必须提供侧向非接触式的导向力。独轨是车辆或列车在单一轨道梁上运行的城市客运交通系统。独轨的线路采用高架结构，车辆则大多采用橡胶轮胎。从构造形式上可分为跨骑式独轨与悬挂式独轨两种。

最常见的钢轮钢轨轨道由钢轨、轨枕、道床、道岔、连接零件及附属设备组成。

1)钢轨钢轨要承受机车、车辆的压力及冲击载荷，必须具有足够的强度、硬度和韧性以及良好的焊接性能。钢轨断面形式为工字型，由轨头、轨腰和轨底3部分组

钢轨的类型以每米大致质量(kg)数表示，我国铁路的钢轨类型主要有75，60，50，43kg/m等。，《地铁设设规范》规定：城市轨道交通正线及辅助线钢轨应依据近、远期客流量，并经技术经济综合比较确定，正线宜采用60kg／m钢轨，也可采用50kg/m钢轨，车场线宜采用50kg/m钢轨。

钢轨国家标淮长度为12.5m-和25m两种，城市轨道交通一般采用25m；在曲线地段，曲线内股使用厂制标准缩短轨，25m缩短轨有3种：24.96，24.92，24.84m。

2)轨枕轨枕既要支承钢轨，又要保持钢轨的位置，还要把钢轨传递来的巨大压力再传递给道床。一般有木枕、混凝土枕，根据其使用部位的不同，可分一般混凝土枕、混凝土岔枕及混凝土桥枕3种。整体道床采用的钢筋混凝土短轨枕，一般长度为450mm。轨枕中设构造钢筋，并预埋尼龙套管，混凝土强度等级为C50：，短轨枕横断面为梯形，有利于与道床之间的联结，底面没楔形坡，以便道床混凝土振捣密实。

3)连接零件连接零件由钢轨接头连接零件和中间连接零件组成。

①接头连接零件。钢轨接头连接零件是由夹板、螺栓、弹簧垫圈等组成。其作用是在接头处把钢轨连接起来，使钢轨接头部分具有与钢轨一样的整体性，以抵抗弯曲和位移。

无螺栓e形弹条DTⅥ2型扣件示意图单趾扣件示意图混凝土枕扣件示意图减震器扣件示意图新型轨道减震器扣件示意图

夹板，俗称鱼尾板，用于钢轨相同的钢料制成。多为双头形，上下两侧均为斜面，与钢轨头部底面及底部顶面相契合。螺栓，一种紧固件，借助螺帽对夹板的压力夹紧钢轨。为制止螺帽紧固后因列车的振动作用而松动，需加弹簧垫圈。螺栓一般用高碳钢制成，有时还在螺栓四周增加一个尼龙套管，起减振和制止螺帽松动的作用。

钢轨接头的联结形式按其相对于轨枕位置，可分为悬空式和承垫式两种。按两股钢轨接头相互位置来分，可分为相对式和相错式两种。一般采用相对悬空式，即两股钢轨接头左右对齐，同时位于两接头轨枕间。钢轨接头按其性能可分为普通接头及异型接头、绝缘接头、胶结接头、冻结接头等。不同类型的钢轨互相连接时，应使用异形夹板，目前普遍使用异形钢轨。绝缘接头设于区段的两端的钢轨接头处，在自动闭塞区段，它的作用是保证轨道电路不能从这一闭塞分区传到另一闭塞分区。胶结接头是把绝缘接头部分全部胶结为一个整体。由厂家制作为成品或者于现场胶结。冻结接头是通过机械手段将螺栓与螺杆孔之间的空隙全部进行填寒，使接头部分的所有构件实现冻结，不能产生任何位移。

钢轨接头是轨道的薄弱环节，为减少钢轨接头，可将标准长度的钢轨焊接成一定长度的长钢轨。4)道床道床的功能是传布荷载于路基、隧道与桥梁,阻止轨排的位移,增加轨道的稳定性,同时起到排水和缓冲的作用。城市轨道交通道床分碎石道床和整体道床两大类。出入段线地面段、试车线车场库外线采用碎石道床,地下线、高架线、隧道内、车场库内线采用整体道床。道砟道床道砟（渣)

整体道床5)道岔

道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备,是城市轨道交通的一个重要组成部分。由于道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点,与曲线、接头并称为轨道的三大薄弱环节。道岔基本形式有3种:连接、交叉、连接与交叉的组合。常用的线路连接有各种类型的单式道岔和复式道岔;交叉有直交叉和菱形交叉;连接与交叉的组合有交分道岔和交叉渡线等。城市轨道交通一般采用单开道岔和交叉渡线。单开道岔组成包括转辙、连接、辙岔3部分。

转辙部分为转辙器,有两根基本轨、两根尖轨、转辙机及连接零件,是引导车辆进入道岔不同方向的设备,其作用是将尖轨扳动到不同的位置,使车辆沿直线或侧线运行。连接部分为直线连接线和导曲线。

辙岔部分有心轨、翼轨、护轨及连接零件,辙岔是轨道平面交叉的设备,它的作用是使列车按确定的方向,通过平面交叉处。

6)无缝线路

无缝线路是钢轨与钢轨通过焊接的方式将其焊接成长钢轨,由于消灭了钢轨的接头,不仅可以提高行车平稳性,降低牵引阻力,减少养护维修工作量,而且大大减少了钢轨接头破损,是合理使用钢轨的有效措施之一。无缝线路有温度应力式和放散应力式两种。温度应力式无缝线路是指由一根焊接长轨条及其两端联接2

～4根标准轨,接头采用高强度螺栓联结所铺成的线路。又分自动放散式和定期放散式两种。自动放散应力式无缝线路在焊接长轨条的两端连接钢轨伸缩调节器,中间扣件扣紧程度由设计来确定,不设防爬器。焊接长轨条可以伸缩,随时释放温度力,一般在特大桥梁上或年轨温差很大的地区使用;定期放散应力式结构形式与温度应力式相同,但缓冲区的钢轨不是标准轨,而是根据年轨温变化幅度大小设计一组一定长度的短轨,一般用于年轨温差较大的寒冷地区。

7)轨道附属设备及安全设备包括绝缘轨距拉杆、防脱护轨、车挡等8)线路标志及有关信号标志①线路标志线路标志包括百米标、坡度标、曲线要素标、曲线始终点标、道岔编号标、水准基点标、桥号标、涵洞标、水位标等。②有关信号标志信号标志包括限速标、停车位置标、警冲标等。百米标、坡度标、限速标、停车位置标、警冲标等标志,宜采用反光材料制作。警冲标设在两设备限界相交处,其余标志安装在行车方向右侧司机易见的位置上。减速标停车标施工标手信号旗

(3)车站与区间结构

1)车站

城市轨道交通车站是客流的节点,是乘客出行的基地,旅客上下车以及相关的作业都是在车站进行的,也是列车到发、通过、折返、临时停车的地点。车站是轨道交通线路的电气设备、信号设备、控制设备等集中的场所,也是运营、管理人员工作的场所。

①城市轨道交通车站的分类A.按照车站修建位置,分为高架车站、地下车站和地面车站。B.按车站在线路位置和担负运营功能分类,分为中间站、换乘站、折返站、终点站。

C.按地铁车站规模的大小分为大型站(高峰每小时客流量3万人次以上)、中等站(2万～3万人次)、小车站(2万人次以下)。

D.按照站台类型分为3种,分别为岛式车站、侧式车站、混合

E.按施工方法分为明挖车站、盖挖车站和暗挖车站。a.明挖车站。明挖是指挖开地面,由上向下开挖土石方至设计标高后,自基底由下向上顺作施工,完成隧道主体结构,最后回填基坑或恢复地面的施工方法。盖挖车站。盖挖车站视基坑开挖与结构浇注顺序的不同,有两种基本的施工方法:即盖挖顺作法和逆作法

c.暗挖车站。暗挖车站的具体施工方法及施工步骤,可根据各站所处的地理位置、地面环境条件、车站断面形式和埋深及工程地质情况分别采用不同的施工方案,如“中洞法”柱洞法”眼睛工法(眼镜法)”及“CRD工法”等。CRD施工，全称交叉中隔墙法，是一种适用于软弱地层的隧道施工方法，特别是对于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下铁道施工中。因为其造价高，故在山岭隧道中较少采用，但是在特殊情况下，也可以采用，如膨胀土地层采用CRD法预留核心土的方法，将大断面隧道分成4个相对独立的小洞室分部施工。CRD工法遵循"小分部、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护"的施工原则，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护。并待初期支护结构的拱顶沉降和收敛基本稳定后，自上而下拆除初期支护结构中的临时中隔壁墙及临时仰拱，再进行施工。CRD法适用开挖跨度较大，对围岩沉降变形控制严格，采用CRD法开挖，开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全。

隧道和地下工程常用的钻爆施工方法,有全断面一次开挖法、全断面分部开挖法和先拱后墙法三大类。“眼镜法”是分部开挖法的一种,这种施工方法是:先在隧洞两侧各开挖一个导坑,并施作初期支护形成封闭环,然后进行拱部环形开挖与支护,接着开挖中间核心土,最后进行全断面一次模筑混凝土衬砌。由于该法采用分部开挖,分部封闭,自下而上地完成开挖、支护和衬砌,减少了对围岩的扰动,使围岩的变形得到有效控制。

②车站主要组成地铁车站由站台层、站厅层、设备层以及出入口组成。车站一般可分为设备区、工作人员工作区、乘客使用区。乘客使用区又可分为付费区和非付费区。出入口应有客流集散或停车场地并与城市公共交通接驳方便,从站厅引出的出入口不少于2个,出入口总疏散能力应大于远期高峰小时紧急疏散客流的1.3倍。

2)区间隧道结构

①矩形断面

当采用明挖法施工时,区间隧道一般采用矩形框架的结构形式。其断面内轮廓与地铁设备限界最为接近,断面净空可得到充分利用。

根据线路设置条件,单线隧道一般为单孔矩形断面,双线隧道一般采用双孔矩形断面,中间设隔墙分开,以利于区间隧道通风。

②马蹄形断面采用矿山法暗挖施工的隧道,一般均采用马蹄形断面的结构形式。根据线路设置条件可采用单线隧道或双线隧道的断面形式。但由于双线隧道断面较大,拱部埋深相对较浅,地面沉降不易控制,工程风险较大。因此,区间隧道一般宜采用单线隧道的形式。

③圆形断面采用盾构法施工时,隧道断面为圆形。单线区间隧道的径为5.60m(5.40m),一般采用装配式钢筋混凝土管片衬砌。3)风亭在地下轨道交通中为应对与站隧道内的通风和消防要求,需设风亭、排风或进风。

4)高架结构工程为节省建设总投资,缩短建设周期,根据工程地质条件、城市环境、线网规划等因素,有时采用高架结构。高架工程包括高架区间和高架车站两部分高架区间常采用连续梁、连续和悬臂3种基本形式。根据城市轨道交通的特点以及整体道床和无缝线路的要求,一般地段多采用简支或连续体系,在特殊地段(跨河、涌、谷地)也可采用悬臂体系。根据结构受力、经济、施工方法及城市景观等要求,目前,比较适合城市轨道交通高架桥梁段的形式有下承式槽型梁结构、预应力混凝土箱梁结构、预应力混凝土板梁结构、后张法预应力混凝土T形梁结构等形式。

高架车站属地上高架结构,轨道列车运行于结构最上层。作为一种新的结构形式,高架结构既非单一的房屋结构,也非单一的桥梁结构,而是桥梁和房建融合在一起的结构体系。目前,高架车站多为2～4层。常见的结构形式有钢筋混凝土空间框架式结构、桥梁式结构、框架桥梁式结构3种。空间框架结构属桥梁房建结合方案(简称:“桥建合一”),该结构是先形成高架车站的空间框架,再于其上形成连续板梁,同时将桥墩作为房屋框架结构的一部分。桥梁式结构属桥建结合方案,高架站先形成桥梁结构(梁、墩柱、基础),再在桥上布置站台。桥梁结构可选择的断面形式有箱梁、T形梁、板梁和槽形梁等。墩柱常用的结构形式有T形墩、双柱墩、V形墩和Y形墩。高架车站中的墩柱应具有足够的强度和稳定性,应避免在轨道列车作用下产生过大位移。框架桥梁式结构属桥建分离方案。主体结构分为两部分,即车站建筑和高架桥。车站建筑包在高架桥之外,高架桥从房屋建筑中穿过,二者在结构上完全分开,受力明确,传力简洁。

复习思考题1.何为限界,城市轨道交通限界主要包括哪几种?2.何为节能纵坡?3.简述钢轨的作用及常见类型。4.城市轨道交通钢轮双轨混凝土短枕常用扣件有哪些?5.简述道岔的作用及组成。6.简述车站的作用及施工方法。

任务2车辆基础

(1)城轨交通车辆的类型 城轨车辆是技术含量较高的机电设备,是城轨交通工程中最关键的设备,其选型和技术参数不仅是界定线路技术标准的基础,确定系统运营管理模式和维修方式的基本条件,而且还是系统设备选型和确定设备规模的重要依据。

1)车辆分类建设部2008年颁布的《城市快速轨道交通工程项目建设标准》(建标104—2008)根据我国各城市对城轨车辆选型的不同要求,城轨车辆按车体宽度的不同进行分类,其主要技术规格可参照表2.2。《地铁车辆通用技术条件》(GB7928—2003)中对用于地铁的运营车辆的技术规格也作出了相应的具体规定:

由于城轨车辆运用时普遍采用动车组的编组形式,所以城轨车辆有动车和拖车之分,动车以M表示,拖车以T表示。 我国推荐的轻轨电动车辆有3种形式:4轴动车、6轴单铰接式和8轴双铰接式车。

2)车辆组成城轨车辆类型不同,技术参数也不一样,但其基本结构类似。总体上由以下几个子系统构成:机械部分:车体、转向架、车辆连接装置、制动装置、车门系统、空调和通风系统。

电气部分:牵引及电制动、辅助系统、列车控制与列车故障诊断、通信系统及列车自动控制(ATC)。①车体车体分有司机室车体和无司机室车体两种。②转向架一般由构架、轮对轴箱装置、弹簧悬挂装置和制动装置等组成。城轨车辆转向架有动力转向架和非动力(拖车)转向架之分,动力转向架还装有牵引电机及传动装置③车辆连接装置车辆连接装置包括车钩缓冲装置和贯通道。车钩是连接车辆使其编组成列车,并传递纵向力的一套装置。通常在车钩的后部装设缓冲装置,在车钩传递纵向力时缓和车辆之间的纵向冲击。贯通道实现两辆车之间的柔性连接,由两个配对可分解的波纹形折篷组成,两块装在车辆端的渡板以承载在车钩上的滑动支承组成。④制动装置不论是动车还是拖车都设有制动装置,除常规的空气制动装置外,还有再生制动、电阻制动和磁轨制动等先进的装置。⑤受流装置从接触导线(接触网或导电轨第3轨)将电流引入动车的装置称为受流装置或受流器。在受电制式上,目前世界上地铁发展较早的城市大都采用直流750V,个别有采用600V的。现在多为1500V。⑥车门系统车门包括客室门、司机室侧门和逃生门。⑦车辆电气系统车辆电气包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为主电路系统、辅助电路系统和电子与控制电路系统3大部分。按各子系统可分为:牵引及电制动、辅助系统、列车控制与列车故障诊断、通信系统及列车自动控制(ATC)。其中,牵引传动装置是驱动列车运行的核心装置,包括一个牵引电机,齿式联轴节和齿轮。其作用是将牵引电机输出的功率传给轮对。⑧车辆设备车辆设备包括服务于乘客的设备和服务于车辆运行的设备。属于前者的有:照明、广播、通风、取暖、空调、坐椅、吊环、扶手等;服务于车辆运行的设备一般不占车内空间,吊挂于车底的有:蓄电池箱、斩波器、逆变器、继电器箱、主控制箱、接触器箱、空气压缩机组和储风缸等,安装于车顶的有空调单元和受电弓等。

(2)城轨交通车辆技术参数车辆技术参数是概括地介绍车辆技术规格的某些指标,是从总体上表征车辆性能及结构的一些参数,一般可分为性能参数与主要尺寸两大类。

①自重、载重自重指车辆整备状态下的本身结构及设备组成的全部质量;载重指正常情况下车辆允许的最大装载质量,以吨(t)为单位。

②最高运行速度是指车辆设计时按照安全及结构强度等条件所决定的车辆最高行驶速度;并要求连续以该速度运行时车辆具有足够良好的运行性能。

③轴重是指按车轴形式及在某个运行速度范围内,车轴允许负担(包括轮对自身的质量)的最大质量。轴重的选择与线路、桥梁及车辆走行部的设计有关。

④通过最小曲线半径

指配用某种形式转向架的车辆在站场或厂、段内调车时所能安全通过的最小曲线半径。当车辆在此曲线区段上行驶时不得出现脱轨、倾覆等危及行车安全的事故,也不允许转向架与车体底架或车下其他悬挂物相碰撞。

⑤轴配置或轴列式

是用数字或字母表示车辆走行部结构特点的方式。例如,4轴动车,两台动力转向架,则轴配置记为—B;6轴单铰轻轨车辆的两端为动力转向架,中间为非动力铰接转向架,其轴配置记为B—2—B。

⑥制动形式制动形式

是指车辆获得制动力的方式,分为摩擦制动、再生制动、电阻制动以及磁轨制动等多种形式。

⑦启动平均加速度

是指在平直线路上,列车载荷为额定定员,自牵引电动机取得电流开始,至启动过程结束(即转入其自然特性时),该速度值被全过程经历的时间所除的商,以米/秒2(m/s2)为单位。

⑧制动平均减速度

是指在平直线路上,列车载荷为额定定员,自制动指令发出至列车完全停止的全过程,相应的制动初始速度(一般取最高运行速度)被全过程经历的时间所除的商。

⑨冲击率

由于工况改变引起的列车中各车辆所受到的纵向冲击。在城轨车辆中,主要用于说明车辆本身电气及制动控制系统所应达到的冲动限制。用加速度变化率来衡量,以米/秒3(m/s3)为单位。如地铁车辆正常运行(包括启动加速和电制动,紧急制动情况例外)时,纵向冲击率不得超过1m/s3。（米每秒的三次方）⑩列车平稳性指标

是评定旅客舒适程度的主要依据,反映了车辆振动对人体感受的影响。因此,评定平稳性的方法主要以人的感觉疲劳程度为依据,通常以平稳性指标表示。我国主要用斯佩林公式来计算平稳性指标W,W值越大,说明车辆的平稳性越差,并规定地铁、轻轨车辆运行的平稳性指标应小于2.5。F(f)——与频率有关的修正公式,反映人体对不同方向和频率振动的敏感度。

2)车辆的主要尺寸

A.车辆长度。车辆处于自由状态,车钩呈锁闭状态时,两端车钩连接面之间的距离。区别于车体长度的概念,车体长度指不包含牵引缓冲装置或折棚的车体结构的长度。

B.车辆最大宽度。指车体横断面上最宽部分的尺寸。

C.最大高度。指车辆顶部最高点与钢轨顶面之间的距离。通常须说明与最高点相关的结构,如有无空调,受电弓的状态等。

D.车辆定距。同一车辆的两转向架回转中心之间的距离。

E.固定轴距。同一转向架的两车轴中心线之间的距离。

F.车钩中心线距离钢轨面高度。简称车钩高,以表示它是指车钩连接面中点(铁路车钩是指钩舌外侧面的中心线)至轨面的高度。取新造或修竣后空车的数值。列车中各车辆的车钩高基本一致,是保证车辆正确连挂、列车运行中正常传递牵引力及不会发生脱钩事故所必须的。

G.地板面高度。车辆地板面与钢轨顶面之间的距离。地板面高度与车钩高一样,指新造或修竣后空车的数值。它将受到两方面的制约:一是车辆本身某些结构高度的限制,如车钩高及转向架下心盘面的高度;另一方面又与站台高度的标准有关,规定车辆地板面应与站台高度相协调。(3)城轨交通车辆车体结构

1)车体结构的发展车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度关系着运行安全的可靠性和舒适性;车体的重量则关系到能耗、加减速度、载客能力以及列车编组形式。车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。铁道车辆的车体结构由最初的全木结构,逐渐演变为钢制底架与木制车体的组合结构,到铆接全钢结构,结构材料也由钢制的迅速发展为轻量化和耐腐蚀的轻型不锈钢或铝合金车体结构。车体结构由骨架与外板构成的单壳结构,演变为以不锈钢双薄板结构和铝合金大型中空挤压型材结构为主的全双壳结构。对于车辆设计和制造而言,减轻车体自重和降低能耗是必须解决的问题,其中的主要方法是实现车辆的轻量化。城市轨道运输事业的不断发展,给城市轨道车辆提出了越来越高的要求,轻量化、可靠性、模块化设计等已成为现代化城市轨道车辆设计与制造的重要标志。

2)车辆结构与特征①车体的基本结构按照车体结构承受载荷的方式不同,车体可分为底架承载结构、侧墙和底架共同承载结构与整体承载结构3类。近代城轨车辆车体均采用整体承载的钢结构或轻金属结构,以达到满足强度和刚度要求的同时降低车辆自重。《地铁车辆通用技术条件》(GB/T7928—2003)规定我国地铁车辆车体采用整体承载结构。

城轨车辆整体承载结构车体是由若干纵向、横向梁和立柱组成的钢骨架(也称钢结构),再加上内饰板、外蒙皮、地板、顶板及隔热、隔音材料、车窗、车门及采光设施等组成。一般包括:底架、端墙、侧墙、车顶、车窗、车门、贯通道和车内设施等部分。

②车体的基本特征A.城轨车辆一般为电动车组,有单节、双节、三节式等,有头车(及带有司机室的车辆)和中间车,以及动车与拖车之分,其车体结构也就有其多样性。B.车内设置的座位数量少、车门数量多而且开度大,服务于乘客的车内设备简单。C.要求列车质量轻、轴重小,以降低线路设施的工程投资。

D.为减轻列车自重,车辆必须轻量化,对于车体承载结构一般采用大型中空截面挤压铝型材、高强度复合材料或不锈钢等,采用整体承载筒形车体结构,车辆的其他辅助设施也尽量采用轻型材料和轻量化结构。

E.防火要求严格,特别是地铁车辆。通常车体的结构采用防火设计,材料须经过阻燃处理。F.对车辆的隔音和降噪有严格要求,以最大限度降低噪声对乘客和沿线居民的影响。G.用于城市内交通,车辆外观造型和色彩必须考虑城市文化、环境美化,与城市景观相协调。

(4)车门系统车门是城市轨道车辆的一个重要组成部件,对车体强度及车辆整体形象影响很大,且与运营安全有着直接的关系。1)客室门客室门应满足:有足够的有效宽度;车门要均匀分布,以便乘客上、下车;车门数量足够,以便乘客上下车时满足密度的要求;车门附件要有足够的空间,方便乘客上下车时间周转;车门要具有较高的可靠性;要确保乘客的安全。客室车门按照驱动系统的动力源分为电动式车门和气动式。电动式车门的动力来源是直流或交流电机,气动式车门的动力来源是驱动汽缸。根据车门的运动轨迹以及与车体的安装方式,客室车门分为内藏嵌入式移门、外挂式移门、塞拉门及外摆式车门等。①内藏嵌入式移门内藏嵌入式移门简称内藏门,在车门开关时,门页在车辆侧墙的外墙板与内饰板之间的夹层里移动。传动机构设于车厢内侧车门的顶部,装有导轨的门页可在导轨上移动电动电控内藏门组成外挂式滑移门1—右门页;2—左门页;3—车门悬挂机构;4—右侧密封件;5—左侧密封件; 6—紧急解锁手柄;7—门控单元EDCU;8—车门电机;9—丝杆/螺母机构

③塞拉门塞拉门是车门在开启状态时,门页贴靠在侧墙的外侧,车门在关闭状态时门页外表面与车体外墙成一平面。这不仅使车体外观美丽,而且也有利于在高速行驶时减少空气阻力,车门不会因空气涡流产生噪声,也便于自动洗车装置对车体的清洗。④外摆式车门开门时通过转轴和摆杆使门页向外摆出并贴靠在车体的外墙上,门关闭后门页外表面与车体成一平面,这种车门的结构特点是当门在开启的过程中,门页需要较大的摆动空间。

⑤间隔门每列车安装两个间隔门,用于分隔驾驶室和客室,在紧急情况时,乘客可以通过该门进入驾驶室,再通过逃生门从紧急疏散梯进入隧道,离开列车。

2)逃生门逃生门设置在司机室前端,是保证紧急情况下能够及时疏散旅客的逃生系统。在正常状况下,逃生门处于锁闭状态,逃生门起到隔音、隔热、密封等功能,保证司机室正常工作环境。在紧急情况下,可手动将紧急前门向上打开,并配合紧急疏散梯,用于疏散人群。(5)转向架城轨车辆与其他有轨车辆一样,其走行部是支撑车体质量、传递各种作用力及引导车辆沿轨道方向运行的一种装置。走行部的结构、性能直接影响车辆的运行可靠性、动力性能和行车安全,所以它是车辆最重要的组成部件之一。

目前,城轨车辆走行部主要以转向架的形式出现,并为二轴构架式转向架,其构架把两个轮对接在一起组成一个小车,称为转向架,车体就坐落在这样的两个转向架上。转向架的主要作用是引导车辆沿轨道行驶、支撑车体、传递车体与轨道之间的各种载荷并缓和其动力作用。转向架可以相对于车体转动,以便车辆通过曲线;在转向架上设有缓冲减震装置、制动装置和驱动装置,以满足车辆的运行要求及改善车辆的运行品质。

1)转向架的分类转向架结构各异,种类繁多,如按转向架结构形式分,有构架式和侧架式;按二系悬挂结构分为:有摇动台、无摇动台及无摇枕结构转向架等;按二系悬挂弹簧形式分,有椭圆弹簧、圆弹簧及空气弹簧悬挂转向架等;按车轴的数目分,有2轴、3轴和多轴转向架;按车轴的轴型分,有B,C,D,E这4种轴型转向架;按轴箱定位结构分,有导柱式、拉板式、拉杆式、转臂式和橡胶弹簧式轴箱定位转向架;等等。转向架多采用二轴构架式转向架,并普遍采用无摇枕结构。主要特点有:一系悬挂主要有金属螺旋弹簧、人字形(或称八字形)和锥形金属橡胶弹簧3种结构;二系悬挂主要由空气囊加橡胶金属叠层弹簧构成。

2)转向架的组成

①构架构架是转向架的基础,不仅承受、传递载荷及作用力,而且它把所有的零部件组成一个整体。构架主要有铸钢构架和焊接构架两种形式。铸钢构架由于质量大,铸造工艺复杂,使用中受到一定程度的限制,一般采用焊接构架。

②轮对轴箱装置轮对是由一根车轴和两个同型号车轮通过过盈配合组装而成。

轮对组装过程通常采用冷压或热套的工艺,使车轮与车轴牢固地结合在一起,使用过程中也不允许有松脱现象。按其结构分为整体轮和轮箍轮两种。整体车轮按其材质可分为辗钢轮和铸钢轮等。轮箍车轮又可分为铸钢辐板轮心、辗钢辐板轮心以及铸钢辐条轮心的车轮。为降低噪声,减小簧下质量,还有橡胶弹性车轮、消声轮等。目前我国城轨车辆普遍采用整体辗钢轮。

轴承与轴箱的组合体称为轴承轴箱装置,车辆用轴承主要有滑动轴承和滚动轴承两种,它们的轴箱结构也有所不同。轴箱装置的作用是,将轮对和构架联系在一起,使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿轨道的直线运动,并把车辆的质量以及各种载荷传递给轮对。约束轮对与轴箱之间相对运动的机构称为轴箱定位装置,它对转向架的横向动力性能、抑制蛇行运动具有决定性作用。轴箱定位装置在纵向和横向具有适当的弹性定位刚度值,从而可避免车辆在运行速度范围内蛇行运动失稳,保证在曲线运行时具有良好的导向性能,减轻轮缘与钢轨的磨耗和噪声,确保运行安全和平稳性。常见的定位装置的结构形式有:拉板式定位、拉杆式定位、转臂式定位、层叠式橡胶弹簧定位、导柱定位5种定位方式。

③弹性悬挂装置为了保证轮对与构架、转向架与车体之间连接,同时减少线路不平顺和轮对运动对车体的影响(如垂直振动、横向振动等),在轮对与构架、转向架与车体之间装设有弹性悬挂装置,前者称为轴箱悬挂装置,后者称为中央悬挂装置,也可称为一系悬挂装置和二系悬挂装置。弹性悬挂装置包括弹簧、减震器及定位装置等。④制动装置为对运行中的列车进行调速或使其在规定的距离内停车,必须安装制动装置,其基础制动装置吊挂于构架上,它的作用是使制动缸的空气压力转化为闸瓦压向车轮的力,从而产生制动作用

⑤牵引电机与齿轮变速传动装置这是动力转向架所特有的一套装置,非动力转向架无此装置,动力转向架通过它使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩,利用轮轨之间的黏着作用,驱动车辆沿着轨道运行。 城轨车辆的动力转向架,不论是采用直流牵引电机还是交流牵引电机,均需通过机械减速装置,才能将电机的扭矩转化为轮对转矩,再利用轮轨的黏着作用,驱动车辆沿着钢轨运行,而牵引电机的布置形式直接影响着转向架的动力性能。

（6）车辆连接装置1)车钩缓冲装置车钩缓冲装置是车辆最基本的部件,也是最重要的部件之一。它是用来连接列车中各车辆使之彼此保持一定的距离,并且传递和缓和列车在运行中或在调车时所产生的纵向力或冲击力。城轨车辆用车钩基本上可分为自动车钩、半自动车钩和半永久性牵引杆三种。（3）密接式车钩的类型

全自动密接式钩缓装置

高速列车、动车用钩缓装置半永久车钩（带电气连接器）摆式列车用钩缓装置半自动密接式钩缓装置（带电气连接器）半永久车钩（不带电器连接器）2)贯通道贯通道装置也就是风挡装置,位于两节车厢的连接处,是两车辆通道连接的部分,它具有良好的防雨、防风、防尘、隔音、隔热等功能,能够使旅客安全地穿行于车厢之间。风挡装置分为整体式和分体式。深圳地铁采用的是分体式风挡装置,即风挡装置的一半装在每辆车的端部,在该装置的下部还设有分开式渡板。渡板连接处有车钩支撑。

7)车辆制动系统

制动是指人为地使列车减速或阻止其加速的过程。使列车减速或阻止其加速的力称为制动力,而产生并控制这个制动力的装置叫做制动机,也称制动装置。制动装置作用的好坏对保证列车安全和正点运行具有极其重要的作用,而且也是提高载重和运行速度的前提条件。制动装置保证列车与乘客的安全,是提高车辆运行速度与线路输送能力的主要条件之一。①按电动车辆动能的转移方式分类制动可分为机械制动(摩擦制动)和动力制动两类。A.机械制动(摩擦制动)。通过空气制动系统,把动能通过摩擦的方式转变为热能后,散发到空气中(动能—热能)。B.电制动(动力制动)。把动能通过发电机转化为电能后,再将电能送回电网或变成热能散发到空气中(动能—电能—电网或热)。

②城轨车辆制动模式城轨车辆制动模式有:弹簧停放制动、紧急制动、快速制动、常用制动、保压制动等模式。在常用制动模式下,电制动和空气(摩擦)制动一般都处于激活状态。一般情况下(车载AW₂以下,速度8km/h(可调)以上),电制动能满足车辆制动要求,当电制动不能满足制动要求时,气制动能够迅速、平滑地补充,实现混合制动作用。(常用)制动优先原则:第一优先再生制动;第二优先电阻制动;第三优先踏面摩擦制动(气制动)。

(8)空气系统车辆空调系统

一般具备通风、制冷、加热、加湿等功能,典型客车空调与制冷装置由通风系统、空气冷却系统、空气加热系统、空气加(减)湿系统以及自动控制系统5部分组成。其作用是将一定量的车外新鲜空气和车内再循环空气混合,经过滤、冷却或加热、减湿或加湿等处理后,以一定的流速送入车内,并将车内一定量的污浊空气排出车外,从而控制客室内温度、湿度、风速、清洁度及噪声,并使之达到规定标准,以提高车内的舒适性,改善乘车环境。空调系统工作的好坏不仅关系到乘客乘坐舒适感受的程度,还关系到乘客生命安全。现代化的城轨列车采用了封闭式车窗,无法打开,一旦空调系统发生故障,车厢内的空气循环将受到严重影响,乘客会因空气中含氧量不足、高温而出现身体不适,甚至会出现中暑虚脱、晕厥,后果是很严重的。KH29H空调机组实物

(9)牵引传动及辅助供电系统

1)城轨车辆受流设备我国的常用供电方式有接触网供电和接触轨供电两种形式。接触网供电是指通过沿轨道线路上空架设的特殊输电线向行走在线路上的电动列车不间断的供应电能。电动列车利用顶部的受电弓与接触网滑动摩擦而获得电能。接触轨供电是指在列车行走的两条路轨以外,再加上带电的钢轨(一般使用钢铝复合轨)。带电钢轨设于两轨之间或其中一轨的外侧。列车受流器(集电装置也称为集电靴或取流靴)在带电轨上接触滑行取流。因地铁和轻轨交通运输的速度不高,所以常采用直流供电。我国国家标准《地铁直流供电系统》中规定采用DC750V(波动范围500～900V)和C1500V(波动范围1000～1800V)两种。电动列车的受流方式依据供电方式的不同,分为接触网受流和第三轨受流。

2)城轨车辆车顶设备城轨车辆车顶设备主要包括受电弓、避雷器、空调通风装置,受电弓是电客车或电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备,安装在机车或动车(MP)车顶上,受电弓滑板与接触网间的接触压力、过渡电阻、接触面积决定了受流质量。受流质量好坏和受电弓滑板接触面的流畅程度以及它与滑板与接触网间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关,取决于受电弓和接触网之间的相互作用。

3)车辆牵引和辅助系统城市轨道交通车辆主传动系统的工作过程:接触网或接触轨DC1500V或DC750V)经动车上的受流器引入车内,经高速断路器、高压线路、直流牵引电机调速电路、直流牵引电机、再经接地回流装置回电源负极,随着电机旋转,电能转化成机械能,经齿轮传动装置传递到车辆走行部,实现牵引运行。包括直流牵引传动、交流牵引传动和直线电机牵引传动3类。SIV辅助静止逆变器

辅助供电系统是城市轨道交通车辆上的一个必不可少的部分,其主要功能为车辆配备的空调电暖器、空气压缩机、照明设备、列车控制及蓄电池浮充电等辅助设备供电。由辅助逆变器(DC/AC变流器,简称SIV)和低压电源(DC/DC变流器和蓄电池)两大部分组成。辅助逆变系统主要给车辆上AC380V和AC220V交流负载提供电源,负载大部分是泵类(三相异步电动机驱动),不需要调速,直接启动,启动冲击电流大。如空调压缩机及风源管路空气压缩机是辅助逆变器的最大负载(见图2.21)。低压电源包括DC110V和DC24V,为车辆控制系统及应急负载供电。

(10)列车微机控制及诊断系统

列车微机控制及诊断系统是城市轨道车辆的核心部件,它包括以实现各种功能控制为目标的单元、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。列车微机控制及诊断系统的主要功能包括实现牵引控制及牵引特新曲线的实现和牵引功能的优化;实现列车牵引的黏着控制,使列车在各种运用条件下,都能保持轮轨间的牵引力,并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化;实现关联和电路连接,即逻辑控制功能,以及实现列车运行过程中的故障信息处理,即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录,并为司机提供故障的现场处理和排除的信息提示。列车微机控制及诊断系统还可提供列车运行的状态信息。 随着电子器件和计算机技术的发展,列车微机控制及诊断系统将其具有更高的精度和智能化,进一步朝着分布式控制系统的方向发展,并逐步融入到公共的网络平台,即联入互联网。复习思考题1.城轨车辆有哪些基本种类?其结构如何?2.什么是车辆的技术参数,主要有哪些参数,举例说明这些参数有何用处?3.简述车体基本结构的组成。4.按车体承载特点,车体结构形式有哪几类?各自的特征是什么?5.按车门结构形式分为哪几类?各有什么特点?6.城轨车辆转向架的作用有哪些?7.简述城市轨道车辆车钩缓冲装置的用途及分类。8.简述贯通道装置的结构及用途。9.简述车辆空调系统的构成及作用。10.列车微机控制及诊断系统的主要功能是什么?

任务3供电系统【任务要求】

掌握城轨供电系统及其子系统的主要组成和功能;掌握供电系统的负荷有哪些;熟悉牵引供电的原理;熟悉供电系统的各设备类型、功能和结构特点;熟悉了解杂散电流的产生和防治措施,了解综合自动化和电力监控的概念。

(1)概述

1)供电系统介绍电能是城市轨道车辆电力牵引系统必需的能源,电动车辆以及为轨道交通运营服务的机电设备,主要包括通风、空调、照明、通信、信号、给排水、防灾报警、电梯、电动扶梯等,都依赖并消耗电能。在运营中,若供电一旦中断,不仅会造成城市轨道交通运输的瘫痪,而且还有可能危及旅客生命安全,造成财产损失。因此高度安全、可靠而又经济合理的供给电力是正常运营的重要条件和保证。城轨是一个重要用电部门,不同于一般工业和民用的用电,为一级负荷。一级负荷规定由两路独立的电源供电,当任何一路电源发生故障中断供电时,另一路应能保证一级负荷的全部用电。在城市轨道交通供电系统中,根据用电性质的不同可分为由牵引变电所为主的牵引供电系统和降压(动力)变电所为主的动力供电系统两部分。

牵引变电所的设置和容量应按运行的列车编组及行车密度进行牵引供电计算后确定,降压变电所的设置和容量可根据动力用电量确定,若有主变电所,其容量应由全部牵引和动力用电量来确定。城市轨道交通供电电源一般取自城市电网,通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换,最后以适当的电压等级供给城市轨道交通各类用电设备

2)供电系统的供电方式

①集中供电集中供电方式是指在线路的适中位置,根据线路负荷要求和近远期规划设置主变电所,由发电厂或城市电网区域变电所以高压(220kV或110kV)向主变电所供电,经主变电所降压到(10kV或35kV),通过三相传输线形成10kV或35kV中压环网,环网供给线路上设置的区域变电所(牵引变电所、降压变电所),并再降为轨道交通所需的电压等级(牵引用电1500V/750V、动照用电380V/220V)。

这种供电方式的中压网络电压等级应根据用电容量、供电距离、城市电网现状和发展规划等因素,经技术经济综合对比后确定。集中供电的可靠性和灵活性较高,投资较经济,管理统一,是目前选择较多的供电方式。上海地铁和广州地铁、西安地铁等均采用集中式供电方式,上海地铁环网电压为33kV(供牵引变电所用)和10kV(供降压变电所用),广州地铁的环网电压只有一种电压等级为33kV,西安地铁环网电压只有一种电压等级为35kV。

②分散供电分散供电方式是不设专用高压主变电所,直接将城市电网区域变电所的35(33)kV或10kV中压输电线引到牵引变电所、降压变电所供电并形成环网。这种供电方式需要城市电网发达并安全可靠,在有关车站附近有符合可靠性要求供电电源,其中压网络应与城市电网一致。也可设置电源开闭所并与车站变电所合建,北京、天津地铁均采用此种供电方式。

③混合供电混合供电是上述两种方式的混合,即视线路和外电源情况，部分采取集中供电;另一部分采取分散供电。3)供电系统的组成供电系统按照功能分类:主要由主变电所(集中供电方式)、牵引供电系统、动力照明系统、电力监控系统、杂散电流系统组成。按照设备分类:由变电所设备、接触网(轨)设备、电力监控设备、杂散电流监控设备组成。

①牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成,一般将接触网、馈电线、轨道、回流线总称为牵引网。电能从牵引变电所经馈电线、网输送给电动列车,再从电动列车经钢轨(称轨道回路)、回流线,流回牵引变电所。

②动力照明系统

由降压变电所和配电所实现降压和配电。降压变电所一般每个车站设置一个,有时也可几个车站合设一个;也可将降压(动力)变压器附设在某个牵引变电所之中,构成牵引与动力混合变电所。

车站及区间照明电源采用380/220V系统配电。正常情况下,工作照明、事故照明均由交流供电,当交流电源失去时,事故照明自动切换为蓄电池供电,确保事故期间必要的紧急照明。

③杂散电流系统采用走行轨回流的直流牵引供电系统中,接触网与牵引变电站的正母线连接,回流走行轨与负母线连接。走行轨具有纵向电阻,因此从运行车辆至变电站负母线之间的回流走行轨上就产生电压降,车辆附近的走行轨电位相对高一些,形成轨道阳极区,产生正向漏泄电流流入大地。地铁隧道混凝土结构中有电阻较低的钢筋,电流就沿着钢筋向低电位的区域流动。接近回流点附近的地区轨道电位比较低,甚至低于其附近的大地电位,为轨道阴极区。洞体结构钢筋中的杂散电流也有可能再流回走行轨。因为地下埋设的钢筋、管道周围总有比较潮湿的电解质类物质,杂散电流在金属与电解质之间流动就加速了金属失去电子游离成金属离子的过程,形成类似于电解过程的腐蚀现象,这就是金属的电腐蚀。所以有必要研究地铁杂散电流的分布状态,以便采取有效措施减少其危害。

4)供电负荷的分类和需求对系统供电的可靠性要求极高,因此根据负荷性质及重要程度不同,地铁的供电负荷分为一、二、三级。①一级负荷列车牵引用电、通信系统、信号系统、机电设备监控系统、防灾报警系统、变电所自用电、事故及疏散标志、照明、屏蔽门)、消防泵等。一级负荷正常情况下,接触网分区段由两座牵引变电所形成双边供电,当任一牵引变电所故障退出运行时,由其两侧的相邻牵引变电所共同承担该区域的牵引负荷,变电所两段母线各引一路电源至设备附近,两路电源在线路末端可自动切换。②二级负荷非事故风机及风阀、排污泵、自动扶梯、工作人员电梯、设备管理房照明、自动售检票、民用通信电源、维修电源等。其供电方式是:正常时从降压变电所、环控电控室、照明配电室馈出单回供电线路至设备末端配电箱。当一台变压器退出运行时,降压变电所的0.4kV母联开关自动闭合,对应此变压器的二级

负荷由另一台变压器供电。

③三级负荷广告照明、电开水器、清扫电源等为三级负荷。其供电方式是:正常时由一路引自三级负荷母线的电源供电,当一台变压器退出运行时,应将三级负荷从电网中切除。

(2)变电所设备及其功能变电所是供电系统的重要组成部分,变电所可以建在地下,也可以建在地面。地下变电所不占用地面,但土建造价高,地面变电所占用地面大,但土建造价低。地铁的变电所(尤其地下变电所)在防火方面都有一定的要求,其防火措施主要应从结构和建筑材料及变电所电气设备本身的不燃性等方面来考虑。同时装设自动消防报警系统装置、防火门和防火墙等隔离设施和有效的灭火系统。变电所(站)一般沿地铁沿线设置,根据类型不同可基本分为3种不同类型:高压主变电所、牵引降压混合变电所、降压变电所。1)变电所分类及功能

①主变电所

主变电所是由上一级的城市电网区域变电所或得高压(110kV或220kV)电能,经其降压后以中压35kV(33kV)供给牵引变电所和降压变电所的一种地铁变电所(见图2.28)。为保证地铁牵引等一级负荷的用电,对于集中式供电方式下,应设置两座或以上的主变电所为宜。主变压器的数量和容量宜根据近、远期负荷计算确定、分期实施.

②降压变电所降压变电所从主变电所获得电能并降压成低压交流电。当由其他变电所引入中压电源而独立设置降压变电所时,可称为跟随式降压变电所。

③牵引降压混合变电所牵引变电所从主变电所获得电能,经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的1500V直流电。在有牵引变电所和降压变电所的站点,为方便运行管理,降低工程造价,合并建成一座牵引降压混合变电所。典型牵引降压混合变电所的主接线图牵引变电所是通过接触网向列车供电的,每个牵引变电所仅对其两侧的区间供电,供电距离过长,牵引电流在牵引网的电压降也就越大,会使末端电压过低及牵引网上电能损耗过大;供电距离过短,将使牵引变电所数量增加,投资也加大。供电距离以及接触线截面等与接触网供电方式有关,牵引变电所向接触网供电方式有单边供电和双边供电两种。一般说来,在车辆段多采用单边供电方式,而在正线则采用双边供电方式。

2)电气主结线变电所的电气主结线是指由变压器、断路器、隔离开关、母线等及其导线所组成的接受和分配电能的电路。其常用的形式有:无母线的线路——变压器和桥接形式;母线制的不分段单母线和分段单母线等。对于供电可靠性要求高、容量大且引出线多的变电所还可采用不分段双母线和分段双母线接线。但双母线的投资较高。

3)设备分类及功能

①电气设备的分类供电系统的电气设备按照电压等级分:110kV,35kV(10kV),380V。按照功能可分为:变压器、直流设备、交流设备等。

②各种电气设备的功能A.变压器。变压器是一种根据电磁感应原理、改变电压但不改变频率、传送和变换变流电能的静止变换器。按用途可分为升压、降压变压器;按相数可分为单相、三相和多相变压器;按线圈形式可分为单线圈(自耦变压器)、双线圈和三线圈变压器。按调压方式可分为无载调压(不带负载调压)和有载调压变压器;按绝缘方式可分为干式、油浸式变压器等。在城轨供电系统中,主变电所的变压器由于容量大(30～60MVA),采用油浸式三相有载调压式变压器。牵引用整流变压器和降压用动力变压器,采用干式三相可调压变压器。油浸式主变压器干式变压器B.断路器。断路器是一种能对电路进行控制(开断、关合)和保护的高压电器。它有断弧能力,可以切断负载电流和短路电流。

C.隔离开关。隔离开关是一种没有熄弧装置的高压电器,它不能切断负荷电流和短路电流,可在无负荷电流时接通和断开电路,断开时能起到隔离电压的作用,对运行、操作和检修提供方便和安全。停电时应先合隔离开关,再合断路器。

D.母线。母线是一种汇总和分配电能的导电线。在室外用软母线(钢芯铝绞线);室内用硬母线(铝排或铜排)。母线一般用颜色标记,三相交流系统中:A相—黄色,B相—绿色,C相—红色;直流系统中:正极—红色,负极—蓝色,零线及地线—黑色。

E.熔断器。熔断器是一种过负荷和短路电流导致熔体发热熔断的保护电器。低压熔断器一般是插入式纤维管、瓷关熔断器。高压熔断器有:充石英砂瓷管熔断器、室外用角式和跌落式熔断器。

F.电压互感器。电压互感器又称压变,是电气测量、控制和保护回路用的变压器。有双绕组和三绕组、单相和三相、干式和油浸式、浇注式和瓷箱式、户外和户内式等之分。

G.电流互感器。电流互感器是电气测量、控制和保护回路用的变流器。有单匝式(贯穿式、母线式、套管式)和多匝式、干式和油浸式、浇注式和瓷箱式、户外和户内式等之分。

H.避雷器。避雷器是防止从线路侵入的雷电波损坏电气设备绝缘的保护电器。常用的有保护间隙(角型)、管型和阀型及氧化锌避雷器。

I.整流器。整流器是一种与整流变压器组合成整流机组的电流变换器。整流变压器供给的交流电能通过整流器变为一定电压等级的直流电能。整流变压器是多相变压器时,经整流器变为直流电时就比较平滑,也即直流电中含有的交流成分较少。

J.继电保护装置。在电力系统出现故障或不正常工作状态时能使断路器跳闸或发出报警信号的自动装置,称为继电保护装置。它的任务是:在系统出现短路故障时,使靠近故障点的断路器跳闸,切除故障部分,恢复系统的其他部分正常运行;在系统出现不正常工作状态如过负荷时,发出报警信号,提醒值班员注意和处理;与自动装置配合,可进一步实现电力系统的自动化。

(3)接触网1)接触网的概念

接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。接触网由支柱与基础、支持装置、定位装置、接触悬挂、附加导线及设备等组成。它担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运行。

2)接触网的分类接触网按其结构可分为接触轨式和架空式两种。①接触轨式接触网。接触轨因牵引网中含两条回流走行轨而又通俗称为第三轨。在北京、武汉的城市轨道交通中采用。第三轨悬挂方式由于具有可降低隧道上方净空、稳定性好,维修量少,故障率低,运营全寿命周期长、其架设不影响城市景观等优点。当然由于第三轨的安装位置较低且供电轨部分处于裸露状态,因此安全防护工作显得十分重要。接触轨根据授流方式不同可分为上部授流、下部授流和侧部授流3种形式,

②架空式接触网架空式接触网按接触悬挂类型分为柔性悬挂和刚性悬挂两种。其中柔性悬挂又可分为简单悬挂与链型悬挂。刚性接触网悬挂方式与柔性接触网比较,采用刚性汇流排代替馈线,利用汇流排夹持接触线,通过与受电弓的滑动摩擦,向机车供电,具有结构简单,占用空间小,接触线无张力、无断线隐患、安全可靠,维修方便、简单等优点。因为刚性汇流排和接触线无轴向张力,所以不存在断汇流排或断线的可能,从而避免了柔性钻弓、烧融、不均匀磨耗、高温软化、线材缺陷以及受电弓故障造成的断线故障,由于这样的特点,刚性悬挂的故障是点故障,而柔性悬挂的故障范围为一个锚段,所以刚性悬挂事故范围小。架空柔性接触网架空刚性接触网

柔性接触网与刚性接触网的优缺点比较见表2.6。因此,一般我国城市轨道交通中广泛将两种结合起来使用,在隧道内选择刚性接触网,在地面和站场选择柔性接触网。

3)接触网的组成

①柔性接触网柔性接触网分为简单接触悬挂和链形接触悬挂两种基本类型,主要由支柱与基础、支持定位装置和接触悬挂及附加导线等几部分组成。②刚性接触网刚性悬挂是和弹性悬挂相对应的一种接触悬挂方式,所谓刚性悬挂就是要考虑整个悬挂导体的刚度。架空刚性悬挂是刚性悬挂的一种,一般采用具有相应刚度的导电轨或具有相应刚度的汇流排与接触线组成。(4)杂散电流在直流牵引供电系统中,牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所,有一部分由钢轨杂散流入大地,再由大地流回钢轨和牵引变电所。走行钢轨中的牵引电流越大或钢轨对地绝缘程度越差,地下杂散电流就相应增大,这种地下杂散电流又称为地下迷流。地铁杂散电流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池,所以必须加以防护。(5)变电所综合自动化