刚性架空接触网采用新型复合导电轨技术可行性研究

车宇哲

1 接触网系统现状

城市轨道交通牵引网系统根据接触网安装位置和接触线不同，分为接触轨和架空接触网两种型式，其中架空接触网按接触悬挂方式不同又可分为柔性架空接触网和刚性架空接触网[1]。刚性架空接触网具有接触线不受力、零部件简单、运营维护方便、事故范围小等特点，因此非常适合在长大隧道内使用。自2003年广州地铁2号线地下区段开始应用以来，刚性架空接触网已成为城市轨道交通地下区段接触网悬挂的主要型式。

目前已运营线路的刚性架空接触网（图1）中，接触线比汇流排使用寿命短，在一个汇流排使用周期内需要更换接触线；另外，运营中也出现了受电弓滑板磨耗不均匀现象，滑板使用寿命短，增加了运营成本和维护工作量。

图1 典型刚性架空接触网

在城市轨道交通第三轨载流系统中，为了兼顾接触网载流系统耐磨性和载流问题，采用了钢铝复 合导电轨，其主要结构形式如图2所示。这种钢铝复合导电轨是将不锈钢带与铝汇流排固定在一起。

图2 第三轨钢铝复合导电轨结构形式

2 新型复合导电轨结构形式确定

目前，刚性架空接触网载流系统是由铜接触线、Π型铝汇流排[2]组成，载流截面积分别为150和2 213 mm2，折合成铝当量截面积约为2 498 mm2，Π型铝汇流排结构尺寸如图3（a）所示。如采用新型复合导电轨，其铝载流截面需不小于2 498 mm2。为减少备品备件种类及实现新旧两种截面形式过渡，新型复合导电轨结构形式应满足以下要求：（1）新型复合导电轨载流截面积不小于目前铝当量截面积；（2）新型复合导电轨底座及高度尺寸与目前Π型铝汇流排安装接触线后一致；（3）其他尺寸尽量一致。

图3 载流体（单位：mm）

对于第三轨系统接触轨，在道岔处直股和斜股接触轨均设置断口，车辆在同一处集电靴不同时与直股和斜股接触轨接触受流。对于刚性架空接触网，道岔处直股与斜股接触线平行布置间距约为200 mm，与受电弓同时接触，车辆受电弓通过羊角斜面与接触网线侧面接触驶入或驶离另一支接触线。因此，如采用复合轨，需要复合轨顶部完全镶嵌在钢带中，以确保受电弓始终与钢带接触。上述（图2（c）所示）结构形式导电复合轨是将两块“J”形不锈钢带通过焊接将复合轨顶部固定在钢带中，新型复合轨可采用该结构形式。

在满足上述载流截面及限界要求下，尽量采用现有Π型铝汇流排尺寸，如图3（b）所示，截面积为2 530 mm2，以满足现有载流系统的铝当量截面积要求。新型复合导电轨与Π型铝汇流排载流系统比较，单位长度质量相当（表1），支撑绝缘子及其附件受力与目前Π型铝汇流排相差约6%，满足目前零件受力要求，采用新型复合导电轨无需新增现有备件种类。

表1 载流系统单位长度质量比较 kg/m

3 新型复合导电轨载流量校核计算

根据“Chapuolie and Rols”公式[3]，复合导电轨载流量校核计算式为

式中：I为标称连续直流额定电流，A；S为铝质导体横截面积，mm2；L为截面周长，mm；K=k1·k2·k3·k4，k1为材质性能常数，取1.01；k2为环境温度40℃时性能常数，取1.01；k3为允许温升因子（45 ℃）性能常数，取1.07；k4为空气循环因子性能常数，取1.15。

新型复合导电轨截面S= 2 530 mm2，截面周长L= 525 mm，代入式（1）可得I= 3 632 A。

通过校核计算，新型复合导电轨与Π型汇流排系统载流能力相当，满足现有载流系统要求。

4 新型复合导电轨技术可行性分析

在Π型铝汇流排载流系统中，关键部位尺寸是膨胀关节结构尺寸、汇流排间连接处和接触网平面布置中拉出值极限位置。

4.1 膨胀关节结构尺寸

Π型铝汇流排膨胀关节处工作支与非工作支的间距为300 mm，如图4（a）所示。如果采用新型复合导电轨，关节处工作支与非工作支的间距也为300 mm，如图4（b）所示。各项关节尺寸基本上没有变化，充分保障了两支新型复合导电轨自由伸缩的空间。

将新型复合导电轨膨胀关节和Π型铝汇流排膨胀关节进行比较，由图4（c）可见，新型复合导电轨顶部轮廓线在Π型铝汇流排膨胀关节汇流排外轮廓线及接触线顶面范围内，腰部与底部尺寸与Π型铝汇流排膨胀关节汇流排完全一致。因此，新型复合导电轨膨胀关节不仅完全符合车辆限界要求，也满足膨胀关节结构尺寸要求。

图4 膨胀关节处尺寸（单位：mm）

经过上述比较，新型复合导电轨膨胀关节处结构尺寸完全符合现有Π型铝汇流排载流系统膨胀关节各项要求，可以与现有Π型铝汇流排载流系统膨胀关节进行互换。

4.2 接头处结构尺寸

Π型铝汇流排使用8个M12×20不锈钢螺栓分别与汇流排内腔中的两块带有内螺纹的连接板转接固定，如图5（a）所示。由于连接板为铝材，其与不锈钢螺栓硬度相差较大，螺栓与连接板连接紧固强度受限，需进行螺栓防松处理。在日常运营维护中，汇流排连接处是巡视检查的重点部位。

采用新型复合导电轨后可用8个M9哈克螺栓和两块连接板在复合导电轨外侧将两根对接复合导电轨夹紧连接，如图5（b）所示。哈克螺栓将套环挤压到螺杆凹槽使套环与螺栓形成100%的结合，产生永久性紧固力，该紧固力约为传统同等级紧固件的1.5倍以上。每根哈克螺栓紧固件在组装完成后具有相同的紧固力及永不松动等特性，可以解决新型复合导电轨接头处连接防松问题，从而减少运营维护工作量。

图5 接头连接方式

5 新型复合导电轨经济性分析

目前全世界都面临着不可再生资源越来越少的困境，铜已经成为每个国家的重要战略资源，近几年价格更是居高不下。为在工程建设中减少铜的用量，应探寻替代产品，新型复合导电轨满足了这方面的需求。

Π型铝汇流排载流系统是通过自身钳口张力固定接触线，运营中需经常巡查接触线是否脱槽。新型复合导电轨不需接触线，从而可以大量减少工程建设及运营维护工作量。

Π型铝汇流排载流系统在汇流排正常使用寿命内通常需要至少更换3次接触线，本文暂按3次考虑；新型复合导电轨使用寿命与现有汇流排使用寿命基本一致，可以避免在寿命周期内更换接触线，从而减少维护费用和工作量。按目前价格水平，比较Π型铝汇流排载流系统和新型复合导电轨的经济技术指标，见表2。

表2 两种方式经济技术指标比较 万元/条公里

由表2可以看出，同样在一个载流体寿命周期内，采用新型复合导电轨每条公里可以节省工程建设费用2.23万元、接触线更换费用21.6万元，合计每条公里共节省费用23.83万元。因此，在刚性架空接触网系统中使用新型复合导电轨，可以降低工程造价，减少资源消耗及运维工作量。

6 结语

综合本文各项理论分析，刚性架空接触网载流系统采用钢铝复合导电轨（新型复合导电轨）在理论上是完全可行的，可以减少铜用量，避免运营期间更换接触线，可降低工程建设及运营维护费用。