淺談地鐵受流方式的選擇 中國地下鐵道工程設計咨詢公司 包國興 于松偉 近幾年來，由于城市公共交通事業日益發展，全國已有十多個城市在進行地鐵與輕軌交通工程的籌建、設計、施工。其中在牽引供電系統的方案設計中，幾乎每個城市都會遇到如何選擇受流方式這一問題，而對此的觀點眾說不一。下面就我們所了解的情況談談看法。一、國內外地鐵受流方式的概況 所謂受流方式，這里是指牽引電流饋送到電動車輛上去的方式。一般分為接觸軌（又稱第三軌）方式和架空接觸懸掛方式。接觸軌方式又分為上磨式、下磨式和側磨式；架空接觸懸掛方式又分為柔性架空接觸網方式和剛性架空接觸懸掛方式。 自1863年—1989年全世界共有34個國家79個城市修建了地鐵，線路總長度達5000公里。從城市數量來看，采用三軌方式的有56個，采用架空方式的有16個，兩種形式都采用的有6個，有一個城市是纜索地鐵。從線路長度來看，采用三軌方式的線路長度約3319公里，占線路總長度的66.3%；采用架空方式的線路長度約590公里，占線路總長度的11.8%；其中1095公里資料不詳。在已經注明采用三軌方式的3319公里線路中，地下線路長度約1515公里，占45.6%；地上線路長度約1320公里，占39.7%；其中488公里資料不詳。在已經注明采用架空方式的590公里線路中，地下線路長度約203公里，占34.4%；地上線路長度約131公里，占22.2%；其中256公里資料不詳。 由此可見，兩種受流方式在不同的城市、不同的線路條件下，都得到了廣泛的應用。 由于地鐵的發展歷史比較長，因而不同國家、不同時期采用的電壓等級也多種多樣。三軌方式采用的電壓等級有直流600伏、630伏、700伏、750伏、825伏、900伏、1000伏、1200伏等；架空方式采用的電壓等級有直流600伏、750伏、1000伏、1100伏、1500伏、3000伏等。近期修建的地鐵，為便于和國際電工委員會（IEC）的標準相一致，三軌方式大多采用直流750伏，架空方式大多采用直流1500伏。 剛性架空接觸懸掛方式目前主要在日本使用，下面著重談談直流750伏三軌方式和直流1500伏柔性架空接觸網方式（簡稱架空網方式）。二、決定受流方式的因素 從受流理論上說，由于地鐵電動車組的運行速度不是很高，三軌方式及架空網方式的離線率等技術數據都在規定的范圍內，二者都能滿足受流穩定性的要求。而且多年的實際運行經驗也充分證明：兩者都是切實可行的。但在具體工程中，二者又各有利弊，對每個城市而言，各城市應根據自身地鐵工程的特點，選擇適合于本城市的受流方式。三軌方式適合于具有下列特點的城市： 1、 投資緊缺，資金主要來源于國內，因為我國對于三軌方式的設計、施工及運營管理已積累了一套成熟而完備的經驗技術，所有三軌方式下的設備已完全具備國產化能力。而目前國內對設計像西門子那樣小結構高度的柔性架空網還有一定困難。假如要采用架空網方式，勢必需從國外引進。而這比采用三軌方式要花費更多的資金。例如上海地鐵，根據目前情況初步估算，采用德國西門子技術，架空網約為1817.3萬馬克（約合5800萬人民幣），牽引變電所（7座）約為1768.4馬克（約合5700萬人民幣）；而采用國內的技術與設備（受流方式采用直流750伏三軌，牽引變電所用國產設備）三軌約需2000萬人民幣，牽引變電所（11座）約需4500萬人民幣。 2、 地鐵線路以地下或高架為主，地面線亦均為專用道。這樣完全可以避免三軌與其它道路平交而帶來的不便，以及對人畜的觸電威脅。 3、 當時已有三軌方式的地鐵線路在運營時，新建線路采用三軌可以使新舊線路的受流方式一致，方便行車交路的變換及運營管理。而架空網方式則適合于具有下列特點的城市： 1、 投資主要來源于國外貨款。因為國外某些國家的架空網技術已基本成熟（如德國西門子的柔性架空網，日本的剛性架空接觸懸掛）。現正在設計施工中的上海地鐵，之所以采用了德國西門子的柔性架空網，其中一個重要的因素是受德國貨款的影響。 2、 已有架空網方式的地鐵線路在運營，或地鐵系由郊區地面電氣化鐵路改建，并向市內延伸，便于新舊線路的銜接。五、受流方式的選擇及其相關問題1、 限界（隧道結構斷面尺寸）問題 對于（明挖）矩形隧道結構斷面，如北京地鐵的Ⅰ、Ⅱ期工程，三軌方式明顯比架空網方式所需的凈空低（二者所需的寬度是一樣的），故三軌方式要比架空網方式（尤其是國內柔性架空網）節省土建投資。 對于（暗挖）馬蹄形隧道結構斷面，如北京地鐵“復興門——八王墳”段工程，基本和矩形隧道結構斷面一樣，決定隧道結構斷面寬度的是車輛限界及電纜等設備敷設（安裝）所占用的設備限界，而不是三軌；而對于架空網方式，只要拱頂至車頂的自然凈空能滿足架空網結構高度的要求，那么也不會使斷面特殊增加高度。 對于圓形隧道（盾構）結構斷面，如上海Ⅰ線工程，在按西門子架空網布置所需盾構直徑不增大的情況下，只要將道床加高，三軌便可按北京的方法進行安裝。2、 客流量問題 三軌方式和架空網方式都能滿足客流量的要求。有資料表明，84年莫斯科地鐵（三軌方式）線路全長216公里，其年客運量24.26億人次。像香港、上海地鐵假設按三軌方式設計也完全可以滿足其客流量的要求。3、 雜散電流腐蝕防護問題 直流1500伏架空網和直流750伏三軌相比，由于牽引網供電電壓的提高，在相同的線路條件及規范允許的線網電壓損失情況下，雜散電流的瞬時值將增大，不利于其腐蝕防護。值得一提的是：在大運量的情況下，走行軌上的電壓損失約占牽引網電壓損失的1/3，此值在直流1500伏系統下極易超過規定的安全電壓值。4、 再生能量的利用問題 如何利用再生能量？其解決辦法是多樣的，應從系統上綜合考慮，例如加大發車密度，減小列車編組等等。三軌供電雖變電所間距較近，再生能量的利用問題，也是可以解決的。5、 供電可靠性與事故搶修問題 柔性架空網靠導線的張力維持其工程狀態，隨著導線使用年限的推移，導線截面積減小，導線內應力必然會不均勻，因此斷線的可能性是存在的。另外，柔性架空網結構復雜、固定支持部件較多，一旦某一個發生問題，將成造成接觸線和定位裝置低垂，極易發生“刮弓”事故。91年3月11日，香港地鐵發生的事故就是一個例子。事故原因就是由不得架空網的一個絕緣子破裂所引起，結果使香港地鐵全線癱瘓，停動8小時，影響了100多萬人上班。此事故甚至引發了香港某些人士提出了“這種交通能否作為公共交通？”的疑問。可見，因接觸懸掛是一種無備用的供電裝置，我們對其供電的可靠性應加以充分的重視。而三軌方式，結構簡單合理，不存在斷線、刮弓等事故隱患，相對來說，供電可靠性較高，且事故搶修也要比架空網方式容易得多。6、 施工安裝與運營維護問題三軌作業面較低，其施工安裝都比較方便，運營維護也比較簡單、費用也低；而架空網作業面較高，其施工安裝調整都比較復雜，且運營維護工作量較大、費用也高。7、 人身安全問題 由于地鐵線路與其他交通完全隔離，即使地面線上亦不存在安全問題。除前所述直流1500伏架空網方式下走行軌電壓極易超過規定的安全電壓值之外，三軌方式和架空網方式對軌道維修和車輛均不存在安全問題的影響。因為軌道維修是在停運后進行的，既然停運，那么三軌和架空網也隨之斷電，不存在對軌道維修人員的安全威脅問題。車輛的維修是在專門的列檢、定修及架修線上進行的，三軌和架空網都不影響其正常作業。 當有人跌落站臺時，固然，架空網方式下不會發生觸電事故，但由于三軌敷設在站臺“帽沿”底下，縣加有防護罩，故三軌方式下觸電的可能性也極小。 當列車在隧道中發生事故時，就疏散通道是否暢通而言，三軌方式下會給快速疏散乘客帶來一定的影響，但并不存在觸電的危險，因為事故發生時消防措施已保證三軌（或架空網）及時可靠地斷電。四、結論 綜上所述，直流750伏三軌方式和直流1500伏架空網方式都能滿足受流穩定性的要求，在實際工程中，雖各有利弊但都是切實可行的。我們建議每一城市在選擇地鐵受流方式時，應從本城市地鐵工程的實際特點出發，綜合各相關因素，選擇出適合本城市特點的受流方式。而決不能盲目地崇拜、仿效某一城市，或片面地強調某種受流方式的優劣。