城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展综述

城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展综述

陈文杰

江苏省徐州技师学院

摘要：我国地铁采用的是接触网供电和接触轨供电两种方式。与接触网供电相比，接触轨供电具有如下优点：（1）接触轨施工更简单，施工费用更低廉；（2）地铁事故概率较小；（3）维修费用较低；（4）更好地抵御自然灾害；（5）不会对环境造成任何的破坏，也不会对城市的美感造成任何的负面影响。因此，目前的接触轨电力供应已经得到了普遍的使用，并取得了良好的效果，从而推动了我国的轨道运输发展。

关键词：轨道交通；钢铝复合接触轨；供电系统

引言

随着现代科学技术的发展，接触网牵引供电系统被广泛应用到轨道交通建设项目中。该系统在轨道交通中的应用可以极大地提升供电的安全性，并且有效保证供电的稳定性，进而提升轨道交通运行的可靠性。所以，注重轨道交通接触网牵引供电系统的探析，无论是对于推动轨道交通方面的技术发展还是带动地方经济的发展都具有深远的影响与重要的意义。

1刚性接触网的类型

刚性接触网主要用于地下线路，以悬挂式为主。因为地铁隧道的净空有限，采用其他方式进行地铁线路的牵引，会占用较大空间，而刚性接触网采用绝缘子悬挂刚体导线，就不需要用到柔性悬挂的腕臂或弹性支座，不仅可以保证对地距离的合理性，同时还能有效降低车辆上方空间。在具体应用过程中，刚性接触网需要使用汇流排或台架来夹持，以保证其稳定，其中汇流排包括两种类型：一种是铝合金T型汇流排，结构简单紧凑，且整体的载流截面较大，能够很好地降低电流中的电阻；另一种类型是П型汇流排，其本身重量不大，结构更为合理，且安装需要耗费的资金成本也比较低，因此应用范围交广。

2钢铝复合接触轨供电系统总体发展情况

20世纪60年代初期，中国首座城市轨道交通网络在北京建立。北京轨道交通新线路的接触轨技术也在持续地革新，为接触轨技术的发展提供了有力的推动。接触轨技术也在发展：从上接点到下接点；从低碳钢制的接触轨道发展到了钢铝复合材料。在传统的电气陶瓷基础上，还研制出了环氧、硅、橡胶等多种材质。保护层从木头变成了玻璃纤维；在电压水平上，1500V接触轨已经研制完成，其接触线的电压级别可以是DC750V，也可以是DC1500V。该产品是由一种特别的不锈钢制成，用于连接两种铝合金材料，以避免其脱落。由于钢铝接触轨的材质特点，使其具有较高的阻抗和较高的压损，从而使其间隔缩短。而钢-铝复合轨道在电阻、电压降、牵引网能耗、牵引变电站数目等指标上均有显著优势，其主要特征如下。（1）采用钢铝接触轨可以减少牵引电网的电压损耗和电力损耗，从而可以相应地减少牵引变电站的数目，可以降低拖车网络的能量消耗。（2）该钢铝接触轨具有重量小、便于装配的特点。举例来说，1m的复合接触线重量大约为14~17kg，而低碳钢接片的重量为47.49kg，其重量为0.29%~36%。同时降低了对固定在轨枕端上的导轨托架的惯量影响，也降低了绝缘体或隔离托架的作用力。这些特性使得设备的成本更低。（3）采用鱼尾螺钉固定复合接触导轨，安装简单安全。而低碳钢制的接触轨，必须采用焊接方式，在接头后要进行抛光处理，工序比较繁琐。

3钢铝复合接触轨供电系统

3.1轨道交通系统在线优化运行控制

柔性交直流电力电子设备提供了良好的控制性能，通过控制相关电力设备运行参数和状态，满足机车、供电网和牵引网的运行安全和稳定约束条件，采用集中式控制和分布式控制相结合的方法，对各牵引变电所的电压、频率进行实时调整，并使系统的总体经济性（损耗、电能质量等）达到最优。假设机车为电流源，牵引所为电压源，牵引所电压可以分解为共模电压和差模电压，基于电路理论中的叠加原理将原始系统分解为负荷子系统和协同子系统。在协同子系统中，只保留表示主动控制的部分，即牵引所差模电压的电压源；而在负荷子系统中，只保留机车电流源和牵引所共模电压的电压源。因此，负荷子系统的潮流分布反映了负荷功率需求在牵引所间的自然分布，协同子系统的潮流分布反映了牵引所之间协同控制的效果。基于负荷子系统的电气信息求解快速感知系统运行态势，计算理想的牵引所间协同支援状态和牵引所电压指令。变流器控制器控制牵引变流器按照电压指令运行。牵引所之间可以有效地进行协同支援，在保障系统可靠性的前提下提升系统经济性；在部分机车形成能量回馈场合，通过变电所的主动功率控制，实现牵引系统内的回馈能量互济。

3.3接触轨

钢铝复合钢轨，采用不锈钢与铝合金相结合，减小了牵引变电站的数目。该独特的构造使得不锈钢能够黏附于铝材表面而不会掉落。导线是用高导电性的铝材制造的，而在接触轨道的顶端则是用不锈钢制造的。因为铝合金的热胀率比不锈钢材料大，所以在铝板和不锈钢板上应保持良好的接合，使其不易产生黏结。此外，还应同时兼顾带状、条状、金属片的电势、金属间的电化学反应电势，并考虑耐磨性、导电性、耐腐蚀性、综合机械性能以及它们与钢铁的热胀率之间的对应。上述特性与制造技术有很大的联系。国内钢铝复合接触轨的研制进展缓慢，但近几年发展迅速，产品引进也比较完善，并且已经完全国产化。接触轨电气分段主要取决于接触轨断口的设置方式，目前国内有2种设置方式：一是大断口模式，如北京地铁；二是短三轨小断口方式，如天津地铁与武汉地铁。这两种方式各有优劣，在设计过程中应结合车辆编组形式、车辆集电靴的分布及电气连接情况，确定合理的断口形式。

3.3UPS技术

UPS供电有分散与集中供电两种。在城市轨道交通供电系统中，集中供电方式成为趋势。集中供电整体成本比分散供电成本低，随着UPS容量增加，其单位容量成本降低；集中供电可靠性远远大于分散供电，大容量UPS的可靠性高于中小容量UPS；集中供电便于安装维护与管理，分散供电需要安装空间多，集中供电系统可以通过后台监控软件在一台PC上对UPS统一监控和管理，而分散供电达到相同效果投资更大。

3.4基于数字孪生技术的电气系统和装备状态实时感知

面向轨道交通供电系统和用电设备，以轨道交通运行基础数据平台为基础，建构系统和设备的数字孪生全息模型，开展轨道交通系统实时状态估计，动态辨识轨道交通网络拓扑，计算牵引供电系统在线实时潮流和机车电气能耗趋势曲线，全面感知轨道交通系统实时运行态势，适应轨道交通运行过程中可能出现的运行方式变化及紧急故障等不同条件，为系统优化运行的分析评估奠定基础。

3.5电气主接线

在明确轨道交通接触网牵引供电系统变电站的位置之后，必须关注电气主接线，这是保证供电系统稳定性的重要“纽带”。结合本文工程实际情况，可以采用27.5kV单母线分段运行，这样可以保证整个系统的稳定性，同时降低对周围通信线路的干扰与影响。此外，采用电气主接线可以在保障日常供电基本需求的前提下，确保整流机出现故障时另一台整流机可以稳定运行，进而保证轨道交通供电的连续性。

结束语

钢铝复合接触轨由于具有良好的导电性能、高安全系数、低维护成本、高耐磨性、长供电距离、低土方量、良好的城市景观等优势，已经逐渐发展为城市轨道交通的发展趋势。目前，我国在一些铁路行业中已经使用了大量的钢铝板复合轨，既要对国外的产品进行深层次的研究，借鉴国外的生产和施工技术，消化吸收先进技术，还要创新自身的产品，促进我国轨道交通建设的不断发展。

参考文献

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[5]徐小宁.钢铝复合接触轨在轨道交通中应用的技术探讨[C]//2019