浅谈中低速磁浮交通供电系统接触轨设计选型

罗 健

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

中低速磁浮作为一种新型城市轨道交通方式，有着广阔的发展前景［1］。接触轨在城市轮轨交通中已广泛应用，具有导电率高、接触面光滑、耐腐蚀、耐磨耗、便于安装等优点［2］。但中低速磁浮交通与传统轮轨交通对比，无论机车还是线路条件等均有很大差别，中低速磁浮列车在运行状态下处于悬浮状态，对供电系统接触轨的匹配性能要求非常高，以满足轨靴配合平滑取流。本文主要对适合于中低速磁浮交通钢铝复合轨的各项技术性能进行研究分析。

1 系统要求

1.1 线路条件

中低速磁浮交通行车速度一般不大于100 km/h，车辆可以顺利通过70‰的坡道和100 m半径的曲线，在困难的情况下，允许通过的最小曲线半径为50 m。道岔是磁浮列车交换运行线路的渡线工具，采用整体移梁的方式，一般由3段钢梁组成，由液压或电动机驱动钢梁整体转辙，使磁浮列车在缓和的近似圆曲线的折线上通过。接触轨要架设在活动的道岔梁上，既要满足道岔梁摆动变形位移的要求，又要保证列车在一定速度下良好受流［3-4］。

1.2 电气条件［5-6］

一般采用直流供电方式，额定电压直流1 500 V或750 V，允许电压波动范围直流1 000～1 800 V或500～900 V，最大启动电流不小于3 000 A，正常工作电流不小于2 000 A。接触轨带电体距固定接地体绝缘距离静态为150 mm，动态为100 mm。各类绝缘元件的爬电距离应不小于250 mm。

1.3 受流靴使用要求

受流靴对接触轨的安装精度及轨宽要求很高，在Y向(接触轨侧向安装，受流摩擦面的法向)绝对精度和相对误差要控制在mm级，在Z向(即垂向)要满足在列车起落过程中，受流靴的中心线始终位于接触轨面上、下有效边线之内，并留有一定裕度。(注:X轴为沿线路方面，Y轴为水平垂直线路方向，Z轴为铅垂方向)

2 受流方式选择

受流方式选择主要考虑以下几个方面［7］。

(1)安全性

根据磁浮列车的技术特性，接触轨受流方式可以分为上部受流、下部受流和侧部受流3种形式。和架空接触网相比，接触轨系统在地面、高架线路上受风、雪等外部自然条件影响较小，同时接触轨系统结构简单、截面较大、耐磨性好，所以无论采用上部受流方式、下部受流方式还是侧部受流方式供电都是安全可靠的。

(2)限界

采用下部受流方式本身结构复杂，同时会导致受流器整体结构复杂，给受流器设计、轨靴之间配合以及在梁侧面狭小空间下接触轨安装造成比较大的困难，因此下部受流方式不适用于磁浮交通，而上部受流和侧部受流方式相对下部受流方式对受流器的影响要小得多，从限界上可以满足要求，在线路的总体布局上显得更加紧凑、美观［8］。

(3)污秽影响

下部受流方式有利于防止污秽堆积和冰冻造成的受流困难，侧部受流方式次之，而上部受流方式由于自身安装方位原因存在着受流面污染的隐患，会影响受流质量，加速接触轨和受流器的磨损，降低接触轨使用寿命以及增加运营维护工作量。

(4)对受流质量的影响

由于磁浮列车存在起浮的特点，采用上部或者下部受流方式时，列车静止、悬浮起降过程中受流器会产生位移，同时车辆在运行过程中受流器也会随着车体上下位置发生动态变化，从而造成轨靴之间接触压力的变化，对受流质量产生一定影响，而侧部受流方式有效避免了这一点。

综合上述分析，中低速磁浮交通建议采用侧式受流方式。

3 接触轨选型研究

3.1 靴轨配合

受流靴与接触轨的配合，包括宽轨窄靴、宽靴窄轨和轨靴等宽3种情况［9］。无论采用何种配合情况，当受流靴位移发生变化时，受流靴在垂直方向上的中心线应始终落入接触轨有效轨面内，并留有一定安全裕度，同时需要保证有效接触面积满足通流能力的要求，上述3种情况均可满足受流要求。但在实际应用中，由于受流靴耐磨性远低于接触轨不锈钢带的耐磨性，宽靴窄轨和轨靴同宽会造成受流靴的不均匀磨耗，影响受流质量，需要定期打磨受电靴，所以针对磁浮列车运行特性，宽轨窄靴方案更适宜。

3.2 轨型概况

磁悬浮交通供电系统接触轨可供选择的包括:C型钢铝复合轨、工字形钢铝复合轨和组合轨［10］，如图1～图3所示。C型轨、工字轨由铝型材和钢带复合而成。组合轨由汇流排、铜接触线和夹持件组成，具有构造复杂、可靠性低、载流量小、受流接触面积小、对受流靴磨耗不均、耐磨性差、寿命短、不利于维护等缺点，本文不作为中低速磁浮接触轨选择的主要轨型。

C型轨在高速磁浮上海浦东机场线DC400V有成熟运行业绩。上海浦东机场线采用的C型轨是国外引进产品，额定载流为2 000 A，目前已经实现国产化，并提高了额定载流量。工字轨在国内DC1500V或DC750V城市轨道交通领域有较好的运行业绩，本文所描述的中低速磁浮工字轨为根据磁浮特点所做的改进型工字轨。

图1 C型轨(单位:mm)

图2 工字轨(单位:mm)

图3 组合轨

3.3 技术分析

(1)机械性能

C型钢铝复合轨和工字型钢铝复合轨机械性能见表1。

表1 C型钢铝复合轨和工字型钢铝复合轨机械性能

(2)电气性能

C型钢铝复合轨和工字型钢铝复合轨电气性能见表2。

(3)道岔布置

道岔处接触轨设计是磁悬浮设计的重点和难点。C型轨道岔处可以采用贯通布置，受流平顺性好，但轨内部承受应力相对大，有往复疲劳问题，对支撑装置的安装要求高，需采用滑移和限位装置。工字形道岔处采用分段布置，轨内部承受的应力很小，不存在往复弯曲疲劳问题，但在道岔转辙处轨的过渡存在硬点，受流平顺性差。当列车高速通过道岔时，接触轨的布置应本着优先考虑贯通式方案的原则，因轨型特性不能贯通时，可考虑断口方案。

表2 C型钢铝复合轨和工字型钢铝复合轨电气性能

4 结论

通过以上分析，C型轨的主要技术优势在于钢铝复合结合力强、刚柔度好、受流面宽、道岔处受流稳定;工字轨的主要技术优势主要在于总截面大、单位电阻低、持续载流能力强、道岔处支撑结构形式简单。C型轨和工字轨作为备选方案基本上都能满足中低速磁浮交通系统接触轨技术要求。目前的理论研究、论证都需要实践检验，2种轨型及相关方案的功能性、稳定性、安全性还有待于工程实践验证。建议进一步深入研究并提高产品技术性能，完善中低速磁浮交通接触轨的设备选型。

［1］张佩竹.我国中低速磁浮交通工程的自主创新技术研究［J］.铁道工程学报，2009(10):90-94.

［2］Detlef Mahlke.Die Aluminium Stahl-Stromschiene als wichtiger Bestandteil der Stromschienenanlage der S-Bahn Berlin［J］.EI-Eisenbahningenieur，2005(2).

［3］袁青平，王俊杰，王财华，王国军.中低速磁浮交通道岔系统工程设计［J］.都市快轨交通，2009(22):67-70.

［4］杨其振，刘道通，于春华.中低速磁浮交通轨道工程研究与设计［J］.铁道标准设计，2010(10):35-37.

［5］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［6］胡基士.中低速磁浮列车牵引供电系统特点分析［J］.电力机车与城轨车辆，2003(4):33-34.

［7］朱俐琴.城市轨道交通系统供电制式与受流方式分析［J］.电力机车与城轨车辆，2003(3):29-31.

［8］刘永红.中低速磁浮列车动力轨系统设计关键技术的研究［J］.铁道标准设计，2008(6):97-99.

［9］张兴昭.对磁浮交通直流牵引供电系统有关技术的探讨［J］.铁道标准设计，2010(3):117-121.

［10］王财华.磁悬浮供电轨系统的设计研究［J］.都市快轨交通，2006(S).