我国地铁接触轨技术发展综述与研发建议.doc
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除我国地铁接触轨技术发展综述与研发建议北京城建设计研究总院 于松伟内容摘要:在我国近40年的地铁发展史上,接触轨技术从零开始逐步向前发展,现已瞄准了接触轨技术的国际前沿。在直流1500V接触轨系统的“四大环节”研究中,建议重点对系统设计标准及产品制造标准进行研究;在系统设计标准的“四大关系”研究中,建议重点对1500V接触轨与人身安全防护的关系进行研究。在钢铝复合接触轨的国产化工作中,应重点解决好不锈钢带与铝型材的结合问题以及不锈钢带的材质及外型表面平顺问题。关键词:接触轨发展史 1500V接触轨 系统设计标准 人身安全防护 钢铝复合接触轨 国产化
2、引言接触轨,又称第三轨或简称三轨。接触轨系统是地铁牵引供电系统的重要子系统,它直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运营。自1965年北京建成我国第一条地铁线以来,伴随着我国地铁建设事业的发展,接触轨技术也走过了近40年的发展历程。这期间接触轨技术不断发展,其主要表现为:安装方式由单一的上部接触授流方式发展成上部接触授流方式与下部接触授流方式并存;导电轨由低碳钢材料发展成钢铝复合材料;防护罩(及支架)由木板材料发展成玻璃钢材料;绝缘子材料除电瓷外还开发出环氧树脂材料及硅橡胶材料;相应地一些施工安装方法也有所改进。目前,直流1500V接触轨系统又在积极研发之中,同时钢铝复合接触轨的国产化工
3、作也正在逐步展开,当然这其中面临的问题遇到的困难也有许多。在这种情况下,对我国地铁接触轨技术的发展历史进行总结,将有助于目前接触轨技术的最新研究。一、概述1、接触轨系统的国内应用概况目前,在我国有3个城市6条地铁线路,采用了接触轨系统。它们分别是:北京地铁一线工程;北京地铁环线工程;天津地铁1号线中段;北京地铁复八线工程;北京地铁13号线工程(即北京城市铁路工程);北京地铁八通线工程;武汉轨道交通1号线一期工程。另外,由中国援建的1984年开通的朝鲜平壤地铁,以及由中国承建的2000年2月21日开通一期工程的伊朗德黑兰地铁,也采用了接触轨系统。这些线路的总长度超过200km,其接触轨电压等级均
4、为直流750V。2、接触轨系统的构成在接触轨系统零部件中,除包括作为导电轨的接触轨以外,还包括绝缘支架(或绝缘子)、防护罩、隔离开关设备、电缆等。接触轨、绝缘支架(或绝缘子)、防护罩,是接触轨系统中送电、支撑、防护的三大件。3、接触轨系统的三大技术特征谈及接触轨系统,其技术特征有三个。一是电压等级;二是安装方式;三是导电轨材料。(1)电压等级:目前世界上城市轨道交通中的直流牵引网电压等级繁多,接触轨系统的电压等级有:600V、630V、700V、750V、825V、900V、1000V、1200V等;国外接触轨系统的标称电压一般在1000V以下,西班牙巴塞罗那采用过直流1500V及1200V接
5、触轨,美国旧金山BART系统为直流1000V接触轨。目前国内接触轨系统标称电压为直流750V。国际上接触轨电压等级的发展趋向是IEC标准中的直流600V、750V。(2)安装方式:接触轨系统根据授流位置的不同,可分为上部授流接触轨、下部授流接触轨和侧部授流接触轨三种形式。(3)导电轨材料:接触轨可采用低碳钢材料或钢铝复合材料。二、北京地铁早期建成线路的接触轨系统北京地铁早期建成线路,包括:1969年通车的北京地铁一线工程;1984年通车的北京地铁环线工程;1999年9月通车的北京地铁复八线工程。1、北京地铁一线工程接触轨系统北京地铁一线工程,东起北京站西至苹果园,全长24.17km。工程于19
6、58年开始设计,1965年7月1日开工建设,1969年9月20日,基本建成并试运营。该工程接触轨系统是我国第一个地铁接触轨系统。本工程接触轨系统的电压等级开始为直流825V,以后随着牵引变电所设备的改造而成为直流750V,安装方式为上部授流方式,导电轨材质为低碳钢。主要技术标准如下:(1)接触轨的技术条件1) 接触轨断面的总断面积为6543;2) 接触轨的比重为7.8g/;3) 每米接触轨的理论重量为51.36kg,每根理论重量为642kg,每根12.5m;4) 对中性轴接触轨的惯性矩,断面系数;5) 接触轨的型号为JU-52,钢号为05铝(05AL);6) 在温度为15的情况下,接触轨的单位
7、电阻不超过0.125;7) 接触轨的断面应铣平,断面歪斜在任何方向测量均不得超过1.0mm;8) 接触轨采用转炉冶炼的优质镇静钢轧制。(2)接触轨用绝缘子接触轨用绝缘子由以下三个主要部分组成:1) 瓷件:材料为电磁;工作电压1000V;抗弯800kg2) 下座:材料为HT15-33灰铸铁3) 上帽:材料为HT15-33灰铸铁4) 另外,瓷件与下座间还设有15层的油毡纸垫片。(3)木防护板木防护板的木料全部是在天然干性油中浸透的松木制成,并作烘干处理,木防护板里表面涂防火漆,木防护板外表面涂防腐油漆。(4)端部弯头端部弯头总长度2300mm,详见附表1。北京地铁一线工程端部弯头 附表1坡率水平长
8、度(mm)坡端的接触面到走行轨顶面的垂距(mm)1:251750701:12.5250502、北京地铁环线工程接触轨系统北京地铁环线工程,由北京站向东北绕过古天文台,沿东城墙旧址经建国门、东直门、德胜门、西直门、阜成门、复兴门后,与一线工程的礼士路至长椿街区间相接,线路长16.1km。1974年完成接触轨施工图设计,1976年建成并试运营。1984年完成改造。根据北京地铁一线工程的施工运营经验,针对存在问题,及接触轨要加强防护的指示,1974年环线工程接触轨系统设计时进行了一些修改与完善。1978年5月,根据市兵办工程组技术处于78年3月27日召开的关于地铁三轨防护板设计问题的会议纪要精神,将
9、环线工程接触轨防护板靠近线路侧上下两块和防护支架下边的一块予以取消,形成了目前的结构形式,如参见附图1所示。附图1:北京地铁环线接触轨安装示意图3、北京地铁复八线工程北京地铁复八线工程,线路位于长安街下,西起复兴门,东至八王坟,线路长12.7km。该工程接触轨系统施工图设计完成于1993年10月,工程于1999年9月通车。与北京地铁环线接触轨系统相比,主要进行了以下修改:(1) 接触轨端部弯头由原来的2300mm加长到2775mm,以使受流器与弯头接触时更平稳;同时减小了坡端的接触面到走行轨顶面的垂直距离。(2) 采用3000V支柱绝缘子代替原绝缘子。3000V支柱绝缘子的主要技术要求参见附表
10、2。3000V支柱绝缘子的主要技术要求 附表2电气性能机械性能额定电压3000V抗弯强度不小于8kN干弧电压27000V湿弧电压20000V(3)结合工程需要,本工程研制开发了玻璃钢防护罩,并在车站、道岔、隧道联络线等局部地段进行了试验安装(单线总长度约6km)。三、德黑兰地铁一、二号线的接触轨系统德黑兰地铁一、二号线,线路全长约53km。1992年初开始投标,1996年合同正式生效,2000年2月21日,第一期工程建成通车。根据招标文件要求,北京城建院联合高校与工厂,以产学研相结合的方式,研制开发出“下部授流接触轨系统”,填补了国内空白,该技术成果于1994年6月8日获得了国家实用新型专利(
11、ZL93 2 24173.5)。相应地,研制出玻璃钢材料的接触轨支架及防护罩,代替了传统的木板防护罩,这一创新成果带来了接触轨支架与防护罩材料的革命。本工程接触轨系统的电压等级为直流750V,导电轨材质为低碳钢。1、下部授流接触轨的安装结构描述下部授流接触轨主要由导电轨、绝缘支架、防护罩等构成,参见附图2。绝缘支架由顶部支架、中部支架、下部支架三部分组成,并共同构成悬臂结构型式。导电轨通过顶部、中部支架,悬挂在下部支架上。下部支架,则根据线路情况固定在整体道床上或碎石道床的轨枕上。防护罩靠自身弹性及支撑垫块固定在导电轨上。附图2:德黑兰下部授流接触轨的安装示意图2、下部授流接触轨的安装结构特点
12、防护罩对带电接触轨的防护性能好,带电接触轨不容易被无意识地碰触到,能确保人身安全;另外,下部授流方式,遮挡雨雪的条件也优于上部授流方式,能确保牵引网系统的安全可靠运行。(注:北京城铁采用的是上部授流接触轨系统。据2003年11月7日北京晚报报道:“城铁今晨中断一个多小时。由于昨天深夜雪量较大且融化速度慢,遭遇今天凌晨急剧下降的气温后,造成城铁部分路段轨道表面结冰。首发车在运行过程中,接触轨与列车受流器之间逐渐形成“地穿甲”似的冰层,造成列车受流器无法受电,车辆网压不稳,使得车辆无法正常行驶。”)3、接触轨所含化学元素对电阻率影响分析合同要求:导电轨在15时电阻率=0.125/m。为确保接触轨按
13、照上述合同要求交货,对制造厂欲采用的接触轨材料进行了电阻率测试及化学元素分析。前后历时达半年之久。分析结论简述如下:如果采用与北京地铁接触轨相同材料,加工制造导电轨,则20时电阻率(平均值)在0.134 /m左右,将大于合同要求的15时电阻率为0.125/m。仅从各元素对电阻率的影响看,P、Si的影响较大,而Mn的影响较小;但由于接触轨中Mn的绝对含量比P与Si要高,因而Mn实际上对电阻系数的影响也非常大。换言之,分析各元素对电阻系数的影响趋势时要同时考虑各元素含量大小对此的影响。另外,工艺条件对各种成分含量上有影响,即工艺条件,也会影响导电轨的电阻系数。在上述测试分析基础上,决定不采用与北京
14、地铁接触轨相同的原材料加工制造接触轨,而从国外进口的原材料,加工制造接触轨。最后的测试表明:用国外原材料加工制造的接触轨,在15时电阻率在0.111/m左右。4、支架及防护罩的制造工艺(1)玻璃钢支架制造工艺玻璃钢支架制造采用了RTM成型工艺。其优点为:降低了产品成型过程中苯乙烯的挥发量,有利于提高产品质量,减少环境污染;工艺成熟、参数齐全,产品质量稳定;可防止玻璃纤维的排布方向发生偏移,使铺层设计、性能设计有保障;可使产品表面附着均匀的胶衣树脂层,增加产品的抗老化能力。(2) 玻璃钢防护罩制造工艺玻璃钢防护罩制造采用了拉挤成型工艺。其优点为:可自动化连续生产;产品均匀、质量稳定;产品规格多样
15、化。四、北京地铁新建成线路的接触轨系统1、北京地铁13号线(即北京城市铁路工程)北京城市铁路工程,线路全长40.85km。1999年8月12日,项目被批准立项;2000年9月26日,城市铁路西线全面开工;2002年9月28日,城市铁路西线开通试运行;2003年1月28日,城市铁路全线建成试运营。结合本工程,北京城建设计研究总院联合北京城市铁路股份有限公司等单位,研制开发出“新型上部授流接触轨系统”,参见附图3。本工程接触轨系统的电压等级为直流750V,导电轨材质为低碳钢。附图3:北京城市铁路新型上部授流接触轨系统(1)新型上部授流接触轨系统的特点1) 防护罩支架及防护罩采用玻璃钢材质,具有一定
16、的防火和耐候性功能,使用寿命长;2) 结构形式造型比较美观;3) 结构设计较为合理,承受力的情况较好,省材料;4) 防护罩支架直接固定在接触轨上,所以能更好地保证防护罩支架及防护罩与接触轨的相对位置关系;5) 防护罩支架可以在接触轨上移动安装,所以施工安装及运营管理维护比较方便,不受走行轨轨枕间距施工误差的影响,从而使防护罩的定货长度与设计长度一致,避免了材料及施工费的损失。(2) 玻璃钢防护罩支架的主要性能指标玻璃钢防护罩支架采用绝缘高强级SMC/BMC高温模压而成。其典型材料的主要性能如附表3。玻璃钢防护罩支架的主要性能指标 附表31弯曲强度ASTMD790120MPa2开口冲击ASTMD
17、256400J/m3击穿强度IEC2436kV/mm4耐泄漏性IEC112PTI6005吸水率ASTMD5700.2%6阻燃性能ASTND229V-0级7绝缘电阻IEC931011.m(3) 玻璃钢防护罩的主要性能指标玻璃钢防护罩采用拉挤工艺制造, 外表面有聚氨酯耐气候性涂层,其典型材料主要性能如附表4。玻璃钢防护罩的主要性能指标 附表41纵向弯曲强度ASTMD790300MPa(L)横向弯曲强度130MPa(W)2纵向弯曲模量ASTMD79617GPa(L)横向弯曲模量5GPa(W)3击穿强度ASTMD2565kV/mm4冲击强度IEC2.3kJ/m5耐泄露性IEC112PTI6006吸水率
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