李宬伯
中铁建电气化局集团第一工程有限公司471000
摘 要 经济的迅速发展促进城市交通的蓬勃发展，越来越多的私人用车出现在城市的交通运输中，交通拥堵情况在我国大部分城市都有出现，尾气的排放给环境造成了大量的污染。城市轨道交通的出现，以其节能、环境染少、建设速度快、建设费用低和较长的使用寿命等优点，迅速的在我国的大中城市应用起来，地铁无疑成为发展改善城市交通的利器。本文就现代城市轨道交通的接触网供电方式和第三轨供电方式上进行一个探讨。
关键词：城市轨道交通 地铁 接触网供电方式 第三轨供电方式
1 前言
目前，全世界近115个城市建设了城市轨道交通系统，供电电压制式有：DC600V，DC750V、DC825V和DC1500V等几种。我国的城市轨道交通牵引电压制式选用DC750V、DC1500V两个等级，供电方式有接触网供电方式和第三轨供电方式两种，接触网供电方式分为刚性接触网和柔性接触网2种方式，第三轨供电方式有上接触式、下接触式和侧接触式3种方式。下面就我国城市轨道交通供电方式进行简单的探讨分析、展望。
2 接触网供电方式
接触网供电方式是我国城市轨道交通常用的供电方式之一，代表城市有上海、广州、南京、苏州、大连等地，基本原理是接触线设置在车辆走行轨上方，车辆通过车顶的受电弓从接触线受电，分为刚性接触网和柔性接触网2种方式，刚性接触网一般用于地下段，停车场、车辆段等，地面上区段采用柔性接触网。
2.1 刚性接触网
刚性接触网是将接触导线夹装在汇流排上的一种供电方式，主要结构有汇流排、中心锚结、分段绝缘器、刚性绝缘子及刚性悬挂中间接头，采用∏型汇流排和T形汇流排，汇流排通过绝缘子和支持装置固定，位于隧道顶部。依靠汇流排自身的刚性使得接触导线保持在同一安装高度，刚性接触网系统中接触导线及汇流排不受张力作用，与柔性接触网系统相比，不存在断线的风险。
刚性悬挂接触网作为一种全新的接触悬挂方式，具有占用空间少、安装简单、维护投入少、稳定性高、安全可靠等诸多特点。刚性悬挂系统的特点是高阻力，只有极少的几个零部件是可移动的，且移动量微小，接触导线沿汇流排全长加牢，不承受机械应力，所以运营期间磨耗最小、无须维修和调整。
2.2 柔性接触网
柔性接触网是指在轨道上方由接触导线、架空地线、承力索、支柱等组成并通过受电弓向列车传送电能的一种架空线路供电方式。
地面上的接触网采用柔性悬挂接触网，需考虑到地面上会存在雷电电击的侵害，因此随接触网架设有一条接地保护线架空地线，并且在车站停车场等重要场所增设避雷器装置。为了保证受电弓运行的连续性，通常在采用弹性悬挂方式和刚性悬挂接触网的隧道口设置一定距离的过渡段，然后再与柔性接触网连接。柔性接触网如需要在隧道内安装，约需要500 mm左右的安装空间，接触网张力约30kN，全补偿安装。
3 第三轨供电方式
第三轨供电方式是我国城市轨道交通常用的供电方式之一，代表城市有北京、天津、武汉地铁线路等，上海地铁16号线、广州地铁4、5、6号线及深圳地铁3号线也有应用，其基本原理是在城市轨道交通线路旁边设置一条用来给列车提供电能的钢轨，列车上的集电装置在带电轨道上接触、滑行，将电力传送到列车上，带电钢轨通常设置在两轨之间或其中一轨的外侧，列车上的集电装置包括集电靴、受流器等。早期第三轨采用低碳钢轨材质，近些年逐渐开始使用钢铝复合轨并已经大规模推广使用。
第三轨供电方式根据受流方式不同，可分为上接触式、下接触式和侧接触式3种。
美国地铁和我国北京地铁大部分采用上接触式，列车的集电靴从上方压向第三轨轨头，第三轨顶面受流，施工过程简便，在第三轨的上方设置绝缘防护板以保证安全性。下接触式是指第三轨的轨头朝下，通过绝缘肩架、橡胶垫、扣板收紧螺栓、支架等安装于底座上，这种方式在欧洲国家比较常见，下接触式的优点是防护罩从上部通过橡胶垫直接固定在第三轨周围，安全性较好，防止北方下雪、冰冻时期受流困难，但下接触式安装结构复杂，造价较高，
4 接触网供电方式与第三轨供电方式对比分析
4.1 安全可靠性对比分析
接触网供电方式中，其接触导线悬挂在线路上方约4m位置处，不会对轨道维修人员及发生紧急事故时人员疏散带来漏电触电等问题，安全性较高。第三轨供电方式中，接触轨安装在走行轨旁边，高度较低，
在接触轨带电情况下，维修人员进入隧道或发生事故时人员疏散时具有一定的危险性。因此，从人身安全考虑架空接触网供电方式更具优势。从实践经验来看，第三轨上安装有绝缘防护罩，北京地铁运营30多年来也未发生工作人员或乘客被电击伤的事故。
接触网供电方式中，柔性架空接触网结构复杂、固定支持零部件较多，由于长期运行磨损老化，一旦某个零部件发生问题，可能会引起接触线断裂、脱落等，甚至发生刮弓等恶性事故，造成地铁停运，且抢修复杂、抢修时间长。第三轨供电方式中，结构简单，零部件少，坚固耐用，基本不存在断轨或刮碰集电靴等事故隐患。 ?
4.2 施工及运营投入对比分析
设备一次性投入方面，根据目前国内外施工经验，接触网供电方式与采用低碳钢接触轨的第三轨供电方式基本持平，采用钢铝复合接触轨的第三轨供电方式的造价投入比前两者低一些。
施工、运营投入方面，因架空接触网零件装置较多，结构复杂，施工安装时需要专用的放线车及大型机具，施工费用较高。因接触网供电方式和第三轨供电方式对隧道净空高度要求不同，故在土建投入方面，第三轨供电优于架空接触网供电。后期运营时，第三轨供电系统结构简单坚固耐用，保养维修投入很少，常规的维修仅需要简单的维修工具，不需要大型设备机具。因接触网供电方式电压等级多采用直流1500V，杂散电流值较大，对地铁系统腐蚀较大，且线路电阻比第三轨供电线路电阻大，能量损耗较高。
使用寿命方面，接触轨坚固耐磨，使用寿命长，北京地铁第三轨供电系统运营20多年的磨耗量不到5%，与此相比，正常情况下架空接触网导线在100年内须更换5-6次，后期运营需投入大量资金。
综上所述，第三轨供电方式造价及运营投入具有明显优势，但值得注意的是，由于电压等级原因，第三轨供电方式允许列车的运行速度≤90km/h，接触网供电方式允许列车的运行速度≤120km/h，同等运营时间内，客运量差距较大，一般来讲，大运量的轨道交通系统采用接触网供电方式，中小运量的轨道交通系统采用第三轨供电方式。
4.3 景观效果对比分析
随着人们环保意识的增强，对城市环境和景观越来越重视，特别是一些旅游城市。架空接触网适合用于地下段，地上段及高架桥区段的架空接触网设施，会对城市景观会产生一些负面影响，第三轨供电方式在城市景观效果方面具有优势。
5 结语
供电系统作为城市轨道交通的重要组成部分，在选择供电方式时，应结合城市自身特点，充分考虑安全可靠性、客运量、景观效果及运营等因素，选择合适的供电方式、对现有供电方式的不断创新研究以及对新兴供电方式的探索如伦敦地铁第四轨供电方式，对推动城市轨道交通供电方式的研究创新、促进城市轨道交通发展具有重大实质性意义。
参考文献
[1] 郭其一. 城市轨道车辆供电制式的分析研究 [J]. 城市轨道交通研究,2011,14(8):1-4.
[2] 王刚，王锐.城市轨道交通供电系统的供电方式研究[J].中国新技术新产品，2015，（24）：100.[2017-08-09].
[3] 苗彦英．城市轨道交通〔M〕北京：北京科技出版社，1994