2017年中国接触网系统在城市轨道交通中的应用、产品的特点及运行环境分析

    一、接触网系统在城市轨道交通中的应用

    城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所和接触网系统组成，牵引变电所将三相高压交流电转换成适合电力机车应用的低压直流电；馈电线再将牵引变电所的直流电送到牵引网上，电力机车通过受流器与牵引网的直接接触获得电能。牵引网有接触网和接触轨（第三轨）两种形式。在牵引供电部分，第三轨—受电靴模式较为简单、可靠，在城市轨道交通的发展前期使用广泛。 20世纪70年代以来，随着接触网可靠性的提高，以及人们对安全性要求的提高，接触网—受电弓模式得到推广应用。架空接触网分柔性和刚性两种。柔性架空接触网适于高架、地面和地下的城市轨道交通线路，刚性架空接触网适于地下城市轨道交通线路。

    相对于第三轨—受电靴模式，架空接触网—受电弓模式安全性高，特别是在突发事件情况下，架空接触网—受电弓模式可以方便城市轨道交通运营部门紧急疏散乘客。

    另外，由于采用架空形式，提高了车辆的受电电压，不仅可以降低线路损耗，提高供电距离，而且还降低了车辆自重，增加车辆载客量。因此，架空接触网—受电弓模式在城市轨道交通中的应用越来越广泛。

    由于刚性悬挂方式相当于在隧道顶部安置接触轨，且最高运行速度已能满足城市轨道交通需求，因此，刚性悬挂方式同时具有接触轨和接触网的优点。刚性悬挂方式己被许多国内外城市轨道交通线路采用。

    1956年，日本都市交通审议会制定“今后建设地下高速铁道时，应贯彻同市郊电气化铁道直通运行”的基本方针之后，便着手开发一种安装在隧道顶部的架空三轨式接触网。 1961年，日本营团地铁日比谷线采用了“ T”型刚性悬挂接触网系统作为接触网悬挂形式。 1974年以后，日本修建的地铁绝大多数均采用刚性悬挂接触网。

    1983年，在法国巴黎RATPA线，刚性接触悬挂主要型式之一“π”型刚性接触悬挂系统成功应用。 1986年，瑞士和法国共同研制的刚性接触网在苏黎世隧道开始运行，从而使人们认识到刚性接触网的优点。

    20世纪90年代初，韩国汉城地铁已大量使用日式和欧式刚性接触网，系统运营速度已达到110km/h，经验证，接触网维修量小，运行正常。

    2004年，奥地利Sittenberg隧道刚性悬挂接触网试验速度达260km/h，运行速度达200km/h。

    在我国， 1999年6月，广州地铁1号线坑口站—花地湾站建成约135m的“π”型铝合金汇流排刚性悬挂接触网试验段， 是我国第一条刚性接触网试验示范段。 2003年6月，广州地铁2号线正式对外运营，是国内首次采用架空刚性悬挂技术的地铁线路，整个系统的良好性能表现，为刚性悬挂架空接触网安装形式在我国轨道交通领域的广泛推广应用打下了坚实基础。随着我国北京、上海、广州、天津、深圳、南京、重庆、长春、武汉等城市轨道交通的蓬勃发展，城市轨道交通接触网悬挂方式的选择更多倾向于刚性接触网方式，应用也日趋广泛、成熟。

    二、接触网系统及接触网产品的特点

    接触网是一个空间机械悬挂系统，用零部件实现有序的连接和连续，把接触线、承力索、支持装置、绝缘元件、电气设备及支柱等连接成能传递电能且有支持功能，同时具有相应强度的机械性质的整体系统。接触网涉及电气、力学、材料、机械等多学科融合、交叉。接触网系统应具备安全可靠性高、使用寿命长、兼顾工艺性及经济性等特征。

    ①使用寿命和抗失效性

    接触网的用电负荷是移动的，移动速度为电力机车或动车组的行车速度。在接触网系统的设计和生产过程中，需要考虑受电弓对接触网的冲击以及由其引起的振动对接触网系统的影响，特别是运行速度较快的高速铁路，对接触网系统提出了更高的技术要求。

    为了保证对电动车组良好的供电，接触网应顺直平滑、高度一致，在高速行车中能始终保持正常稳定的接触授流，接触网应具有足够的耐磨性与良好的导电性，寿命尽量长。接触网产品主要在变应力条件下工作，疲劳破坏是引起零件失效的主要原因，因此接触网零部件应进行精确应力计算，以增加其抗失效性。

    ②结构的工艺性

    接触网产品要求具有良好的结构工艺性，即能够方便的生产，又要求具有工作的适应性及适配性，便于装配和拆卸。结构工艺性主要体现零件结构合理、工艺精致、适配性好等方面。

    ③安全可靠性

    电气化铁路和轻轨的接触网系统主要是在露天设置的，比较单一、没有备用线，需要不断提高其安全、可靠性，以减少维护或维修。

    接触网产品的安全可靠性，主要是产品在规定的时间内和预定的环境条件下，能够正常完成功能的概率。接触网产品的工作条件，如环境稳定度等，以及零件本身的物理和机械性能都会影响接触网产品的可靠性。

    ④经济性

    接触网产品经济性体现在零件本身的生产成本，在设计零件时，应力求设计出耗资最少的零件。降低零部件的成本，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗；同时采用余量小或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少工时。

    三、接触网零部件产品运行环境

    接触网零部件是接触网的基本组成单元，接触网所经受的运行环境，通过一定的转换均要加载到其零部件身上。因此，在制定接触网零部件工作要求与技术条件时必须考虑接触网的运行环境，同时还应考虑接触网零部件的开发与维护环境。按照接触网的生命周期，可将接触网的运用环境分为前期的开发环境和后期的运行环境。接触网零部件的开发环境根据接触网零部件开发状态不同，可分为以下两类：

    一是在开发过去没有的、新的接触网零部件时， 应使用调查、试验、模拟、实际使用试验等各种手段尽可能地收集其工作条件，以便确定出合理的工作要求与技术条件；

    二是在改进已有的接触网零部件时，要根据用途、性能、制造工艺、用户要求的变化情况，制定合理的工作要求与技术条件，要确认接触网的状况和实际使用情况，若有必要，可通过实际使用试验进行确认。

    接触网零部件的运行环境可以概括为以下三个方面：

    ①流通环境

    接触网零部件生产加工完毕，从保管、运输、现场安装到投入运行，要承受各种复杂的环境荷载。若此期间的荷载超过运行时的荷载，对接触网零部件来说则成为最苛刻的环境，将影响接触网零部件的性能和安全可靠性。因此，在制定接触网零部件的技术条件时，要考虑流通环境可能产生的最不利情况。若忽略这一事实，有可能导致零部件开发的失败。解决这一问题，一方面要对流通环境中的第一个环节进行详细的分析与论证，找出最苛刻的环境并加以规避，同时还应采取如下一些应对措施：零部件设计时要充分考虑其可能承受的最大流通荷载；包装设计应考虑到实际的运输状态；加强对零部件现场装配、安装的作业指导与管理，使用有计量装置的工具进行装配与安装等。

    ②运行环境

    运行环境分为地理环境和局部地区环境两个层次。

    从地理环境而言，我国幅员辽阔，地域从寒带至亚热带，环境差异很大，如按环境分为干燥环境、半干燥环境、半潮湿环境、 潮湿环境、海洋环境、重染污环境等；按温度分，有东北的低温地区；按风速分，有沿海的台风地区、新疆风区等，这些都对接触网零部件有着不同的要求，对此必须予以充分考虑。遵照经济适用的原则，应按使用地区和使用特点分别制定产品的技术条件。

    就局部地区环境而言，如果电气化铁路附近有污染源，那么接触网零部件在承受自然环境产生的荷载外还要承受由污染源产生的荷载与影响。如水泥厂的粉尘，化工厂的腐蚀性气体，木材加工厂的木粉尘，食品厂、电镀工厂的含有盐份、酸份的飞沫，焊接、制罐作业现场的金属粉末，高炉、炼钢炉、电弧炉、轧钢厂中的粉尘等。

    这些局部地区的环境因素都必须予以充分的考虑， 特别是沿海地区电气化铁路，要充分考虑海洋的影响（盐腐蚀）。

    ③维护环境

    接触网是露天、无备用的供电装置，理想状态的接触网零部件应具有高可靠性和免维护性。实际上，由于技术、经济等方面的限制，免维护是目标，适当的维护是接触网可靠运行不可或缺的保证。因此，在接触网零部件开发阶段就要考虑维护的有关问题，如修制问题是定期维修还是状态维修， 这对零部件的使用有着不同的含义；维修工器具、设备的配置水平以及维修人员平均技能水平，这些均对零部件的可维护性有着不同的要求。

    相关报告：智研咨询发布的《2017-2022年中国铁路信息化行业深度调研及投资前景预测报告》