我國地鐵接觸軌技術發展綜述與研發建議
于松偉(北京城建設計研究總院 北京 100037)
摘要:介紹了接觸軌系統的構成，技術特征和我國應用接觸軌技術的概況．在直流1 500V接觸軌系統的“四大環節”研究中，建議重點對系統設計標準及產品制造標準進行研究；在系統設計標準的“四大關系”研究中，建議重點對1 500V接觸軌與人身安全防護的關系進行研究。在鋼鋁復合接觸軌的國產化工作中．應重點解決好不銹鋼帶與鋁型材的結合問題，以及不銹鋼帶的材質和外型表面平順問題．
關鍵詞 中國接觸軌發展史1500V接觸軌 系統設計標準 人身安全防護 鋼鋁復合接觸軌 國產化
接觸軌，又稱第三軌，或簡稱三軌。接觸軌系統是地鐵牽引供電系統的重要子系統，它直接影響到地鐵供電系統甚至整個地鐵系統的安全運以營。自1965年北京建造我國第一條地鐵線以來，仟隨著我國地鐵建設事業的發展，接觸軌技術也走過了近40年的發展歷程。這期間接觸軌枝術不斷發展，其主要表現為：安裝方式由以上部接觸搔流方式為主導發展成上部接觸交流方式與下部接觸授流方式并存：導電軌由低磺鋼材料發展成鋼鋁復合材科：防護罩(及支架)由木板材料發展成玻璃鋼材料：絕緣子材料除電瓷外，還開發出環氧樹脂材料及硅橡膠材料。相應地，一些施工安裝方法也有所改進．目前，直流1 500V接觸軌系統又在積極研發之中，同時鋼鋁復合接觸軌的國產化工作也正在逐步展開，當然這其中面臨的問題和遇到的困難也有許多。在這種情況下，對我國地鐵接觸軌技術的發展歷史進行總結，將有助于目前接觸軌新技術的研究與開發。
1 概述
1．1 接觸軌系統的國內應用概況
目前，在我國有3個城市6條地鐵線路采用了接觸軌系統，分別是：北京地鐵1號線上程。北京地鐵2號線(環線)工程、天津地鐵1號線中段、北京地鐵復八線工程、北京地鐵門號線工程(即北京城市鐵路工程)，北京地鐵八通線工程、武漢軌道交通1號線一期工程．另外，由中國援建的1984年開通的朝鮮平壤地鐵，以及由中國承建的2000年2月21日開通一期工程的伊朗德黑蘭地鐵，用了接觸軌系統。這些線路韻總長度超過200km，觸孰電壓等級均為直流750V。
1．2 接觸軌系統的構成
在接觸軌系統零部件中，除包括作為導電軌的接觸軌以外，還包括絕緣支架(或絕緣子)。防護罩．隔離開關設備、電纜等。接觸軌、絕緣支架(或絕緣子)、防護罩是接觸軌系統中送電。支撐、防護的三大件。
1．3接觸軌系統的三大技術特征
談及接觸孰系統，其技術特征有三個級，二是安裝方式，二是導電軌材料。
1 3．1 電壓等級
目前世界上城市軌道交通中的直流牽引網電壓等級繁多，接觸軌系統的電壓等級有600V、630V。700V、750V、825V，900V、1 000V、1 200V等，國外接觸軌系統的標稱電壓一般在1 000V以下，西班牙巴塞羅那采用過直流1 500V及1 200V接觸軌，美國舊金山BART系統為直流1000v接觸軌。目前國內接觸軌系統標稱電壓為直流750V，國際上接觸軌電壓等級的發展趨向是IEC標準中的直流600V、750V。
1．3．2 安裝方式
接觸軌系統根據授流位置的不同，司分為上部授流接觸軌、下部授流接觸軌和側部授漉接觸軌三種形式。
1 3.3導電蓑材料
接觸軌可采用低碳鋼材料或鋼鋁復合材料。
2 北京地鐵早期建成線路的接觸軌系統
北京地鐵早期建成的線路包括；1969年通車的北京地鐵1號線工程，1984年通車的北京地鐵環線工程，1999年9月通車的北京地鐵復八線工程。
2．1 北京地鐵1號線工程
北京地鐵1號線工程，東起北京站，西至蘋果園，全長24，17km。工程于1958年開始前期研究，1965年7月1日開工建設，1969年9月20日基事建成并試運營。該工程接觸軌系統是我國第一個地鐵接觸軌系統．本工程接觸軌系統的電壓等級開始為直流825V，以后隨著牽引變電所設備的改造而成為直流750V，安裝方式為上部授挽方式，導電軌材質為低碳鋼，主要技術標準如下．
2．1．1接觸軌的技術條件
(1)接觸軌斷面的總斷面積為6 543mm2，
(2)接觸軌的比重為7．8g/cm3：
(3)每米接觸軌的理論重量為51．36kg，每根理論重量為642kg，每根12．5m，
(4)對中性軸接觸軌的慣性矩Jx=1 026．8cm4，斷面系數Wz=176．2cm3
(5)接觸軌的型號為JU-52，鋼號為05鋁(05A1)；
(6)在溫度為15度的情況下，接觸軌的單位電阻不超過O．125Ω·mm2／m：
(7)接觸軌的斷面應銑平，斷面歪斜在任何方向測量均不得超過1．0mm；
(8)接觸軌采用轉爐冶煉的優質鎮靜鋼軋制。
2．1．2接抽孰用絕緣子
接觸軌用絕緣子由以下三個豐要部分組成：
(1)瓷件，材料為電磁，工作電壓1000V，抗彎800kg,
(2)下座，材料為HT15-33灰鑄鐵：
(1)上帽，材料為11T15-33灰鑄鐵。
另外，瓷件與下座間還沒有1-5層的油氈紙墊片．
2．1．3木防護板
木防護板的木科全部是在天然干性油中浸透的松木制成，井做烘干處理，木防護板翠表面涂阽火灤，木防護板外表面涂防腐油漆。
2．1．4端部彎頭
端部彎頭總長度2300mm．
2．2 北京地鐵2號線工程
北京地鐵2號線工程，線路長16．1Fan．1974年完成接觸孰施工圖設計，1976年建成并試運營，1984年完成改造．
根據北京地鐵1號線工程的施工運營經驗，針對存在的問題及接觸軌要加強防護的指示，1974年2號線在工程接觸軌系統設計時進行了一些修改與完善．1978年5月，根據市兵辦工程組技術處于1978年3月27日召開的關于地鐵三軌防護板設計問題的會議紀要精神，將2號線工程接觸軌防護板靠近線路側上下的兩塊和防護支架下邊的一塊予以取消，形成了日前的結構形式，如圖1所示。
圖1 北京地鐵環線接觸軌安裝示意圖
2．3 北京地鐵復八線工程
北京炔鐵復八線工程，西起復興門，東至八王墳，線路長12.7KM。該工程接觸軌系統施工圖設計完成于1993年10月，工程于1999年9月通車。與北京地鐵環線接觸軌系統相比，主要進行了以下修改：
(1)接觸軌端部彎頭由原來的2300mm加長到2775mm，以使受流器與彎頭接觸時更平穩；同時減小了坡端的接觸面到走行軌頂面的垂育距離。
(2)采用3000V支柱絕緣子代替原絕緣子。
(3)結合工程需要，本工程冊剝開發了玻璃鋼防護罩．并在車站、道岔、隧道聯絡線等局部地段進行了試驗安裝(單線總長度約6km)．
3 德黑蘭地鐵1．2號線的接觸軌系統
德黑蘭地鐵1、2號線，線路全長約53km．1992年初開始投標，1996年合同正式生效，2000年2月21日第一期工程建成通車．
根據招標文件要求，北京城建院聯合高校與工廠，以產學研相結合的方式，研制開發出“下部校流接觸軌系統”，填補丁國內空白，該技術成果于1994年6月8H從得了國家實用新型專利(zL93 2 24173．5)．相應地，研制出玻璃鋼材料的接觸軌支架及防護罩，代替了傳統的木板防護罩，這一創新成果帶來了接觸軌支架與防護罩材料的革命。本工程接觸軌系統的電壓等級為直流750V，導電軌材質為低碳鋼．
3．1 下部授流接觸軌的安裝結構描述
下部授流接觸軌主要由導電軌，絕緣支架、防護罩等構成，見圖2．絕緣支架由頂郎支架，中部支架，下部支架三部分組成，并共同構成懸臂結構型式；導電軌通過頂部、中部支架，懸掛在下部支架上；下部支架剛根據線路情況固定在整體道床上或碎石道床的軌枕上：防護罩靠自身彈性及支撐墊塊固定在導電軌上。
3．2 下部授流接觸軌的安裝結構特點
防護罩對帶電接觸軌的防護性能好，帶電接觸軌不容易被無章識地觸碰到，能確保人身安全，另外，下部授流方式的遮擋雨雪條件也優于上部授流方式，能確保牽引網系統的安全可靠運行．
這里需要說明，北京城鐵采用的是上部授流接觸軌系統。據2003年11月7日《北京晚報》報道：“城鐵今晨中斷一個多小時。由于昨天深夜雪量較大且融化速度慢，遭遇今天凌晨急劇下降的氣溫后，造成城鐵部分路段軌道表面結冰。首發車在運行過程中，接觸軌與列車受流器之間逐漸形成‘地穿甲’似的冰層．造成列車受流器無法受電，車輛網壓不穩，使得車輛無法正常行駛。’
3．3 接觸軌所含化學元素對電阻宰影響分析
合同要求：導電軌在15度時電阻率p=0．125mm2Ω/m．為確保接觸軌按照上述合同要求交貨，對制造廠欲采用的接觸軌材料進行了電阻串測試及化學元素分析，前后歷時達伴年之久，分析結論簡述如下。
如果采用與北京地鐵接觸軌相同的材料來加工制造導電軌，則20度時電阻率p（平均值）在0.134Ω·mm2／m左右，將大于合同要求的15度時電阻率為0．125Ω·mm2/m．僅從各元素對電阻串的影響看，P、Si的影響較大，而Mn的影響較小：但由于接觸軌中Mn的絕對含量比P與Si要高，因而Mn實際上對電阻系數的影響也非常大．換言之．在分析各元素對電阻系數的影響趨勢時，要同時考慮各元素含量大小對此的影響。另外，工藝條件對各種成分在含量上有影響，即工藝條件也會影響導電軌的電阻系數．
在上述測試分析基礎上，決定不采用與北京地鐵接觸軌相同的原材抖加工制造接觸軌．而從國外進口原材料來加工制造接觸軌．最后的測試表明：用國外原材料加工制造的接觸軌，在15度時電阻率p在0．111mm2Ω/m左右。
3．4 支架及防護罩的制造工藝
3．4．1玻璃鋼支架制造工藝
玻璃鋼支架制造采用了RTM成型工藝．其優點為：降低了產品成型過程中苯乙烯的揮發量，有利于提高產品質量，減少環境污染，工藝成熟、參數齊全，產品質量穩定：可防止玻璃纖維的排布方向發生偏移，使鋪層設計、性能設計有保障;可使產品表面附著均勻的膠衣樹脂層，增加產品的抗老化能力．
3．4．2 玻璃鋼防護罩制造工藝
玻璃鋼防護罩制造采用了拉擠成型工藝．其優點為:可自動化連續生產，產品均勻，質量穩定;產品規格多樣化．
4 北京地鐵新建成線路的接觸軌系統
4．1北京地鐵13號線
北京地鐵13號線，即北京城市鐵路工程，線路全長40．85km。1999年8月12日，項目被批準立項：2000年9月26日，城市鐵路西線全面開工：2002年9月28日，城市鐵路西線開通試運行，2003年1月20門，城市鐵路全線建成試運營。
結合該工程，北京城建設計研究總院聯合北京城市鐵路股份有限公司等單位，研制開發出“新型上部授流接觸軌系統”，見圖3．該工程接觸軌系統的電壓等級為直流750V，導電軌材質為低碳鋼。
新型上部受流接觸軌系統的特點：
(1)防護罩支架及防護罩采用玻璃鋼材質
的防火和耐候性功能．使用壽命長，
(2)結構形式造型比較美觀，
(3)結構設計較為合理，承受力的情況較好，省材料：
(4)防護罩支架直接固定在接蚰軌上，所以能更好地保證防護罩支架及防護罩與接觸軌的相對位置關系.
(5)防護罩支架可以在接觸軌上移動安裝，所以施工安裝及運蕾管理維護比較方便，不受走行軌軌枕間距施工誤差的影響，從而使防護罩的定貨長度與設計長度一致．避免了材料及施工費的損失．
4．2 北京地鐵八通線
北京地鐵八通線，西起八王墳，東至通州土橋，線路全長18．964km；2003年12月7日完成熱滑，2003年12月28日開通試運營．
北京地鐵1號線．2號線及13號線，均使用的是瓷絕緣子．瓷件是脆性材料．在運輸．安裝、運營維護等過程中，容易受到了硬器撞擊而破損．近年來，復合絕緣子發展迅猛，性價比，可靠性不斷提高．北京地鐵八通線工程在前述北京城鐵“新型上部授流接觸軌系統”的基礎上，在正線接觸孰系統中采用了環氧樹脂絕緣子，在車場線接觸孰上試用了硅橡膠絕緣子．
5 武漢軌道交通一期工程的接觸軌系統
武權軌道交通1號線一期工程，自宗關站經硚口至黃浦路，線路全長10．234km，為全高架線路：2000年4月開始初步設計，2003年12月11日完成熱滑，將于2004年上半年投入運營．
該工程在國內首次采用鋼鋁復合接觸軌技術。接觸軌采用鋼鋁復合材料制成(見圖4)，可有效地降低電阻率，并減少供電系統中牽引變電所的數量，降低運營時接觸軌能量的的損耗；防腐蝕性能較好；鋼鋁復合接觸軌重量小，便于運輸和安裝，在鋁合金軌的接觸面上包覆有一層不銹鋼帶，可人大提高耐磨性。
該工程接觸軌系統的電壓等級為直流750V，安裝方式為下部授流方式．
5．2 不銹鋼帶技術數據（示例）
5．3 天津地鐵1號線(延伸)工程的接姓軌系統
1984年12月，天津地鐵1號線中段7．4km建成通車，其接觸軌系統與北京地鐵早期建成線路的接觸軌系統一致，2001年7月因線路需向兩端延伸改造而停運．天津地鐵1號線（延伸）工程，線路全長26．2km，計劃于2005年底建成通車．本工程采用直流750V上部授流接觸軌系統，接觸軌材料為鋼鋁復合接觸軌，目前已完成鋼鋁復合接觸孰的采購招標。
6 正在建設中的廣州地鐵4號線接觸軌系統
廣州市軌道交通4號線大學城專線段工程，線路全長14．11km．該工程于2003年10月通過初步設計審查，計劃2005年12月建成通車．
廣州地鐵4號線幾次穿越珠江水系，并且—部分線路位于已建城區．針對減少車站埋深及增加選線靈活度的需求．采用了爬坡能力大、轉彎半徑小的直線電機交通系統．另外，考慮到該線路平均站間距大及工程建造盡量減少對城市景觀的影響，因此該工程擬采用直流1500V接觸軌系統，接觸軌材料為鋼鋁復合接觸孰．
在100多年世界城市軌道交通史上．建成于1927年的巴塞羅那地鐵1號線曾采用過直流1 500V接觸軌系統，其3號線及4號線也采用過直流1 200V接觸軌，但現在已經拆除，而改用剛性架空接觸網．在目前運營的地鐵線路中，接觸軌電壓等級最高的是美國舊金山的“灣區快速交通”（Bay Area Rapid Transit)系統，簡稱BART系統，其接觸軌電壓等級為直流1000V．其接觸軌為工宇鋼兩側通過螺栓傍附鋁型材而形成的鋼鋁“復合軌”。當然，工字鋼與鋁型材間要應用抗氧化油脂．該地鐵系統于1972年開通了第一條線路．
前面已經介紹過，我國已經運營的地鐵線路（甚至包括正在施工中的北京地鐵5號線，10號線等)，均采用的是直流750V接觸軌系統．在這種情況下，廣州地鐵4號線擬采用的直流1 500V接觸軌系統，是我國地鐵接觸軌技術領域的一個新課題，有許多問題需要認真研究。
7 關于研發直流1500V接觸軌系統的一些建議
對于直流1 500V接觸軌系統的研發．建議從“軟件”及“硬件”兩個層面考慮．所謂“軟件”，是指直流1500V
接觸孰的“系統性研究”，所謂“硬件”，是指以鋼鋁復合接觸孰國產化為主導的接觸軌“零部件研制”。
7．1 直流1 500V接觸軌的系統性研究
7．1．1 系統性研究的主要內窖
系統性研究可以概括為以下“四大環節”的研究：
(1)設計環節--系統設計標準的研究：
(2)制造環節--產品制造標準的研究；
(3)安裝環節--施工安裝標準的研究：
(4)運營環節--運營維護標準的研究．
武漢軌道交通1號線一期工程已經成功地應用了“直流750V鋼鋁復合接觸軌系統”，到2005年底廣州地鐵4號線大學城段建成開通時．我國將積累起近兩年的鋼鋁復合接觸軌運營經驗，這些經驗將對廣州地鐵4號線大學城段起到重要的借鑒作用．田而，在上述系統性研究中，建議對系統設計標準及產品制造標準進行重點研究，尤其是系統設計標準的研究．這是因為，在世界范圍內從事鋼鋁復合接觸軌產品的制造商有多家，但直流1 500V接觸軌系統的設計、運行經驗卻相當匱乏。另外，建議處理好“四大環節”研究的相互關系。
7．1．2 系統設計標準研究的主要內容
系統設計標準研究可以概括為以下“四大關系”的研究：
1)帶電體與接地體關系研究
對于直流1500v系統，接觸軌帶電部分和結構體，車體之間的最小凈距，國家標準《地鐵設計規范》及IEC標準對比都做出了規定。研究內容應根據工程需要，確立帶電體與接地體的相互關系，相對位置、定位尺寸等。在帶電體與接地體關系的處理上，上部受流方式比下部授流方式更簡潔。鑒于此，建議優先考慮上部授流方式。
2)接觸軌與人的關系研究
直流1 500v接觸軌系統的研發難度，不在干電氣本身，即不和于電氣設備的技術指標，而是在于1 500V電氣設備的人身安全防護與750V電氣設備相比要困難得多。因而，建議對1 500V接觸軌與人的關系給予重點研究，即應阱究采取何種措施(包括硬件措施，軟件措施、管理措施等)，最大限度地保護運營維護人員及乘客公眾的人身安全。特別應該注意的是：對于以走行軌為回流網的只有1 500v接觸軌系統，應認真地研究分析正極接觸網與負極回流網的阻抗分配，并合理地設置牽引變電所．避免在正常運行情況下走行軌對地電位超標，影響人身安全防護。1 500V鋼鋁復合接觸軌系統的走行軌電位是一個不可小視的問題。
3)接觸軌與車的關系研究
這既包括接觸軌與車輛的限界關系研究，也包括車輛受流器與接觸軌的“弓網”(器軌)配合關系研究．
4)接觸軌與道的關系研究
這里的“道”，狹義上指道床，廣義上也涉及軌道、隧道，行車道，并包括地下、地面、高架等各種線路形式，即上建的概念。所謂接觸軌與道的關系研究，就是接觸軌與土建關系研究．即如何將1 500V接觸軌合理地布置、安裝、固定在各種道床上，這是應該認真研究的。
7．2 直流1 500V接觸軌的零部件研制
7．2．1鋼鋁復合接觸軌的國產化
早在2000年7月，武漢軌道交通一期工程準備采用鋼鋁復合接觸軌時．國內一些企業對鋼鋁復合接觸軌的國產化問題就開始關注了。但山于這些廠家對市場前景分析不透，因而未能正式啟動．現在，武漢軌道交通一期工程的全線鋼鋁復合接觸軌安裝已經結束，并己完成熱滑，該工程采用的是國外進口的鋼鋁復合接觸軌。天津地鐵1號線，鋼鋁復合接觸軌供貨招標已經結束，也采用的是國外產品。
目前，除廣州地鐵4號線以外，北京地鐵5號線，10號線(含奧運支線)、4號線等，也準備采用鋼鋁復合接觸軌．如果1 500V鋼鋁復合接觸軌研發應用成功，廣州地鐵5號、6號、7號線及某些城市地鐵，也將采用1 500V鋼鋁復合接觸軌．這樣，在未來的5年內，國內鋼鋁復合接觸軌的需求量將達到單線300km以上，產值估計在2-3億人民幣．因而，建議有識企業抓住機遇，聯合業主，設計單位，研究單位、高等院校等．加速鋼鋁復合接觸軌的國產化進程．
據悉，國內鐵路企業已啟動了鋼鋁復合接觸軌的國產化工作．并于近期研制出鋼鋁復合接觸軌樣品，這對于中國城市軌道交通業無疑是一喜訊。
根據北京城建設計研究總院在武漢軌道交通工程中對鋼鋁復合接觸軌的研究設汁應用，建議在鋼鋁復合接觸軌的國產化工作中，注童解決好以下兩個重點問題：
(1)不銹鋼帶與鋁型材的結合問題，
(2)不銹鋼帶的材質及外型表面平顧問顴。72．2直譴1 500V系統用絕緣子等零部件的研稍
直流1 500V系統用絕緣子．玻璃鋼支架、玻璃鋼防護罩，鋼鋁復合接觸軌附件等，利用國內既有技術與生產能力完全可以加工制造。
7．3 關于接觸軌系統允許的量高速度
目前，廣州地鐵4號線的列車最高運行速度為90km/h．但是，考率到直流1500V接觸軌系統應有廣泛的適用性，因而建議列車最高運行速度按130km／h考慮．這樣，1 500v接觸軌系統一旦研發成功，可在國內其他城市迅速推廣。有資料表明，美國舊金山BART的1 000V接觸軌系統，其列車最高運行速度為80英里／h(126km／h)．筆者在參觀該地鐵系統時，曾拍攝到列車運行速度為72英里／h(112km／h)的畫面． 8 結語
在我國近40年的地鐵發展史上，其接觸軌技術從零開始一步步向前發展，現在已經瞄準了接觸軌技術的國際前沿。在直流1 500V接觸軌技術的研究應用過程中．將有許多課題需要認真研究。在直流1 500V接觸軌系統的“四大環節”研究中，建議重點對系統設計標準及產品制造標準進行研究，在系統設計標準的“四大關系”研究中，建議重點對1 500V接觸軌與人身安全防護關系進行研究．在鋼鋁復合接觸軌的國產化工作中，建議解決好不銹鋼帶與鋁型材的結合問題及不銹鋼帶的材質及外型表面平順問題。直流1 500V接觸軌系統一旦研
發成功，將使得我國地鐵接觸軌技術發生質的飛躍，井將具有劃時代的意義．
本文在撰寫過程中，得到了周菁。趙穎紅等工程師的熱情幫助，在此特表示感謝！
參考文獻
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[2]北京城建設計院.北京地鐵10號線牽引供電系統投標文件．2003．
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