淺談地鐵受流方式的選擇 中國(guó)地下鐵道工程設(shè)計(jì)咨詢公司 包國(guó)興 于松偉 近幾年來(lái)，由于城市公共交通事業(yè)日益發(fā)展，全國(guó)已有十多個(gè)城市在進(jìn)行地鐵與輕軌交通工程的籌建、設(shè)計(jì)、施工。其中在牽引供電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，幾乎每個(gè)城市都會(huì)遇到如何選擇受流方式這一問(wèn)題，而對(duì)此的觀點(diǎn)眾說(shuō)不一。下面就我們所了解的情況談?wù)効捶āＲ弧?guó)內(nèi)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(dòng)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(cè)磨式；架空接觸懸掛方式又分為柔性架空接觸網(wǎng)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(gè)國(guó)家79個(gè)城市修建了地鐵，線路總長(zhǎng)度達(dá)5000公里。從城市數(shù)量來(lái)看，采用三軌方式的有56個(gè)，采用架空方式的有16個(gè)，兩種形式都采用的有6個(gè)，有一個(gè)城市是纜索地鐵。從線路長(zhǎng)度來(lái)看，采用三軌方式的線路長(zhǎng)度約3319公里，占線路總長(zhǎng)度的66.3%；采用架空方式的線路長(zhǎng)度約590公里，占線路總長(zhǎng)度的11.8%；其中1095公里資料不詳。在已經(jīng)注明采用三軌方式的3319公里線路中，地下線路長(zhǎng)度約1515公里，占45.6%；地上線路長(zhǎng)度約1320公里，占39.7%；其中488公里資料不詳。在已經(jīng)注明采用架空方式的590公里線路中，地下線路長(zhǎng)度約203公里，占34.4%；地上線路長(zhǎng)度約131公里，占22.2%；其中256公里資料不詳。 由此可見(jiàn)，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(yīng)用。 由于地鐵的發(fā)展歷史比較長(zhǎng)，因而不同國(guó)家、不同時(shí)期采用的電壓等級(jí)也多種多樣。三軌方式采用的電壓等級(jí)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(jí)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)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?wù)勚绷?50伏三軌方式和直流1500伏柔性架空接觸網(wǎng)方式（簡(jiǎn)稱架空網(wǎng)方式）。二、決定受流方式的因素 從受流理論上說(shuō)，由于地鐵電動(dòng)車組的運(yùn)行速度不是很高，三軌方式及架空網(wǎng)方式的離線率等技術(shù)數(shù)據(jù)都在規(guī)定的范圍內(nèi)，二者都能滿足受流穩(wěn)定性的要求。而且多年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也充分證明：兩者都是切實(shí)可行的。但在具體工程中，二者又各有利弊，對(duì)每個(gè)城市而言，各城市應(yīng)根據(jù)自身地鐵工程的特點(diǎn)，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(diǎn)的城市： 1、 投資緊缺，資金主要來(lái)源于國(guó)內(nèi)，因?yàn)槲覈?guó)對(duì)于三軌方式的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理已積累了一套成熟而完備的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，所有三軌方式下的設(shè)備已完全具備國(guó)產(chǎn)化能力。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)像西門(mén)子那樣小結(jié)構(gòu)高度的柔性架空網(wǎng)還有一定困難。假如要采用架空網(wǎng)方式，勢(shì)必需從國(guó)外引進(jìn)。而這比采用三軌方式要花費(fèi)更多的資金。例如上海地鐵，根據(jù)目前情況初步估算，采用德國(guó)西門(mén)子技術(shù)，架空網(wǎng)約為1817.3萬(wàn)馬克（約合5800萬(wàn)人民幣），牽引變電所（7座）約為1768.4馬克（約合5700萬(wàn)人民幣）；而采用國(guó)內(nèi)的技術(shù)與設(shè)備（受流方式采用直流750伏三軌，牽引變電所用國(guó)產(chǎn)設(shè)備）三軌約需2000萬(wàn)人民幣，牽引變電所（11座）約需4500萬(wàn)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(lái)的不便，以及對(duì)人畜的觸電威脅。 3、 當(dāng)時(shí)已有三軌方式的地鐵線路在運(yùn)營(yíng)時(shí)，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(yùn)營(yíng)管理。而架空網(wǎng)方式則適合于具有下列特點(diǎn)的城市： 1、 投資主要來(lái)源于國(guó)外貨款。因?yàn)閲?guó)外某些國(guó)家的架空網(wǎng)技術(shù)已基本成熟（如德國(guó)西門(mén)子的柔性架空網(wǎng)，日本的剛性架空接觸懸掛）。現(xiàn)正在設(shè)計(jì)施工中的上海地鐵，之所以采用了德國(guó)西門(mén)子的柔性架空網(wǎng)，其中一個(gè)重要的因素是受德國(guó)貨款的影響。 2、 已有架空網(wǎng)方式的地鐵線路在運(yùn)營(yíng)，或地鐵系由郊區(qū)地面電氣化鐵路改建，并向市內(nèi)延伸，便于新舊線路的銜接。五、受流方式的選擇及其相關(guān)問(wèn)題1、 限界（隧道結(jié)構(gòu)斷面尺寸）問(wèn)題 對(duì)于（明挖）矩形隧道結(jié)構(gòu)斷面，如北京地鐵的Ⅰ、Ⅱ期工程，三軌方式明顯比架空網(wǎng)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(wǎng)方式（尤其是國(guó)內(nèi)柔性架空網(wǎng)）節(jié)省土建投資。 對(duì)于（暗挖）馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)斷面，如北京地鐵“復(fù)興門(mén)——八王墳”段工程，基本和矩形隧道結(jié)構(gòu)斷面一樣，決定隧道結(jié)構(gòu)斷面寬度的是車輛限界及電纜等設(shè)備敷設(shè)（安裝）所占用的設(shè)備限界，而不是三軌；而對(duì)于架空網(wǎng)方式，只要拱頂至車頂?shù)淖匀粌艨漳軡M足架空網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度的要求，那么也不會(huì)使斷面特殊增加高度。 對(duì)于圓形隧道（盾構(gòu)）結(jié)構(gòu)斷面，如上海Ⅰ線工程，在按西門(mén)子架空網(wǎng)布置所需盾構(gòu)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(jìn)行安裝。2、 客流量問(wèn)題 三軌方式和架空網(wǎng)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(zhǎng)216公里，其年客運(yùn)量24.26億人次。像香港、上海地鐵假設(shè)按三軌方式設(shè)計(jì)也完全可以滿足其客流量的要求。3、 雜散電流腐蝕防護(hù)問(wèn)題 直流1500伏架空網(wǎng)和直流750伏三軌相比，由于牽引網(wǎng)供電電壓的提高，在相同的線路條件及規(guī)范允許的線網(wǎng)電壓損失情況下，雜散電流的瞬時(shí)值將增大，不利于其腐蝕防護(hù)。值得一提的是：在大運(yùn)量的情況下，走行軌上的電壓損失約占牽引網(wǎng)電壓損失的1/3，此值在直流1500伏系統(tǒng)下極易超過(guò)規(guī)定的安全電壓值。4、 再生能量的利用問(wèn)題 如何利用再生能量？其解決辦法是多樣的，應(yīng)從系統(tǒng)上綜合考慮，例如加大發(fā)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(wèn)題，也是可以解決的。5、 供電可靠性與事故搶修問(wèn)題 柔性架空網(wǎng)靠導(dǎo)線的張力維持其工程狀態(tài)，隨著導(dǎo)線使用年限的推移，導(dǎo)線截面積減小，導(dǎo)線內(nèi)應(yīng)力必然會(huì)不均勻，因此斷線的可能性是存在的。另外，柔性架空網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、固定支持部件較多，一旦某一個(gè)發(fā)生問(wèn)題，將成造成接觸線和定位裝置低垂，極易發(fā)生“刮弓”事故。91年3月11日，香港地鐵發(fā)生的事故就是一個(gè)例子。事故原因就是由不得架空網(wǎng)的一個(gè)絕緣子破裂所引起，結(jié)果使香港地鐵全線癱瘓，停動(dòng)8小時(shí)，影響了100多萬(wàn)人上班。此事故甚至引發(fā)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(wèn)。可見(jiàn)，因接觸懸掛是一種無(wú)備用的供電裝置，我們對(duì)其供電的可靠性應(yīng)加以充分的重視。而三軌方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，不存在斷線、刮弓等事故隱患，相對(duì)來(lái)說(shuō)，供電可靠性較高，且事故搶修也要比架空網(wǎng)方式容易得多。6、 施工安裝與運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題三軌作業(yè)面較低，其施工安裝都比較方便，運(yùn)營(yíng)維護(hù)也比較簡(jiǎn)單、費(fèi)用也低；而架空網(wǎng)作業(yè)面較高，其施工安裝調(diào)整都比較復(fù)雜，且運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量較大、費(fèi)用也高。7、 人身安全問(wèn)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(wèn)題。除前所述直流1500伏架空網(wǎng)方式下走行軌電壓極易超過(guò)規(guī)定的安全電壓值之外，三軌方式和架空網(wǎng)方式對(duì)軌道維修和車輛均不存在安全問(wèn)題的影響。因?yàn)檐壍谰S修是在停運(yùn)后進(jìn)行的，既然停運(yùn)，那么三軌和架空網(wǎng)也隨之?dāng)嚯姡淮嬖趯?duì)軌道維修人員的安全威脅問(wèn)題。車輛的維修是在專門(mén)的列檢、定修及架修線上進(jìn)行的，三軌和架空網(wǎng)都不影響其正常作業(yè)。 當(dāng)有人跌落站臺(tái)時(shí)，固然，架空網(wǎng)方式下不會(huì)發(fā)生觸電事故，但由于三軌敷設(shè)在站臺(tái)“帽沿”底下，縣加有防護(hù)罩，故三軌方式下觸電的可能性也極小。 當(dāng)列車在隧道中發(fā)生事故時(shí)，就疏散通道是否暢通而言，三軌方式下會(huì)給快速疏散乘客帶來(lái)一定的影響，但并不存在觸電的危險(xiǎn)，因?yàn)槭鹿拾l(fā)生時(shí)消防措施已保證三軌（或架空網(wǎng)）及時(shí)可靠地?cái)嚯姟Ｋ摹⒔Y(jié)論 綜上所述，直流750伏三軌方式和直流1500伏架空網(wǎng)方式都能滿足受流穩(wěn)定性的要求，在實(shí)際工程中，雖各有利弊但都是切實(shí)可行的。我們建議每一城市在選擇地鐵受流方式時(shí)，應(yīng)從本城市地鐵工程的實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，綜合各相關(guān)因素，選擇出適合本城市特點(diǎn)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(qiáng)調(diào)某種受流方式的優(yōu)劣。