淺談地鐵受流方式的選擇 中國地下鐵道工程設(shè)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(yè)日益發(fā)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(shè)計、施工。其中在牽引供電系統(tǒng)的方案設(shè)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?wù)効捶āＲ弧鴥?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個國家79個城市修建了地鐵，線路總長度達5000公里。從城市數(shù)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(jīng)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(jīng)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(yīng)用。 由于地鐵的發(fā)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?wù)勚绷?50伏三軌方式和直流1500伏柔性架空接觸網(wǎng)方式（簡稱架空網(wǎng)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(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。而且多年的實際運行經(jīng)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(yīng)根據(jù)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(nèi)，因為我國對于三軌方式的設(shè)計、施工及運營管理已積累了一套成熟而完備的經(jīng)驗技術(shù)，所有三軌方式下的設(shè)備已完全具備國產(chǎn)化能力。而目前國內(nèi)對設(shè)計像西門子那樣小結(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(jù)目前情況初步估算，采用德國西門子技術(shù)，架空網(wǎng)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(nèi)的技術(shù)與設(shè)備（受流方式采用直流750伏三軌，牽引變電所用國產(chǎn)設(shè)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(wǎng)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(wǎng)技術(shù)已基本成熟（如德國西門子的柔性架空網(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(wǎng)，其中一個重要的因素是受德國貨款的影響。 2、 已有架空網(wǎng)方式的地鐵線路在運營，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)問題1、 限界（隧道結(jié)構(gòu)斷面尺寸）問題 對于（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（尤其是國內(nèi)柔性架空網(wǎng)）節(jié)省土建投資。 對于（暗挖）馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)斷面，如北京地鐵“復(fù)興門——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，那么也不會使斷面特殊增加高度。 對于圓形隧道（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行安裝。2、 客流量問題 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216公里，其年客運量24.26億人次。像香港、上海地鐵假設(shè)按三軌方式設(shè)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(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(wǎng)電壓損失的1/3，此值在直流1500伏系統(tǒng)下極易超過規(guī)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(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(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，一旦某一個發(fā)生問題，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)生的事故就是一個例子。事故原因就是由不得架空網(wǎng)的一個絕緣子破裂所引起，結(jié)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(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。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(yīng)加以充分的重視。而三軌方式，結(jié)構(gòu)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(wǎng)方式容易得多。6、 施工安裝與運營維護問題三軌作業(yè)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(wǎng)作業(yè)面較高，其施工安裝調(diào)整都比較復(fù)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(wǎng)方式下走行軌電壓極易超過規(guī)定的安全電壓值之外，三軌方式和架空網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)都不影響其正常作業(yè)。 當有人跌落站臺時，固然，架空網(wǎng)方式下不會發(fā)生觸電事故，但由于三軌敷設(shè)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(fā)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(fā)生時消防措施已保證三軌（或架空網(wǎng)）及時可靠地斷電。四、結(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(yīng)從本城市地鐵工程的實際特點出發(fā)，綜合各相關(guān)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(diào)某種受流方式的優(yōu)劣。