地铁供电方式——接触轨

1．概述接触轨是沿着走行轨布置并供给列车电能的特殊输电系统。

是接触网的一种形式，，又称为第三轨，其功用与架空接触网一样，通过它将电能输送给电动车组。

不同点在于，接触轨是敷设在铁路旁的钢轨。

电动车组由伸出的受电靴与之接触而接受电能。

接触轨供电方式最早出现在伦敦地铁，从19世纪80年代开始，接触轨开始广泛应用于城市轨道交通。

接触轨供电方式在国内最早应用于1969年建成并试运营的北京地铁1号线，接触轨系统采用直流825V的电压等级，以后随牵引变电所设备的改造而成为直流750V，安装方式为上部接触授流方式，接触轨安装于线路前进方向的左侧，接触轨的材质为低碳钢，该接触轨系统的主要技术参数如下：（1）接触轨型号JU-52，钢号为05铝（05AI）（2）接触轨截面积：6543mm2（3）接触轨标准长度12.5m（4）接触轨单位电阻0.125Ω•mm2/m（在15℃时，）（5）绝缘子采用电瓷材料，分为瓷件、上帽、下座三部分（6）防护罩：木板（7）端部弯头长度：2300mm60年代初，北京建造我国第一条接触轨系统的地铁线以来，接触轨技术已走过了四十多年的发展历程，北京地铁后续新建线路中也不断对接触轨技术进行了革新，大力推动了接触轨技术的发展，随着我国地铁建设事业的蓬勃发展，天津、武汉、广州等城市也相继建设采用的接触轨技术的地铁线路，接触轨技术也不断得到发展：安装方式由以上部接触授流为主导发展成为上部接触授流与下部接触授流方式并存，并有向下部接触授流方向发展的趋势；导电轨由低碳钢材料发展成为钢铝复合材料，绝缘支座除采用传统的电瓷外，还开发出环氧树脂材料、硅橡胶材料等，防护罩由木板材料发展成玻璃钢材料；电压等级方面广州地铁开发出直流1500V电压等级的接触轨系统，并已经成功应用。

表4-7是目前国内接触轨的应用情况。

表4-7 国内接触轨系统应用及发展情况线路长度(km) 建成时间技术特点北京一号线24.17 1969年750V，上部接触授流，采用低碳钢轨、木防护罩北京二号线16.1 1976年750V，上部接触授流，采用低碳钢轨、木防护罩（改进型）750V，上部接触授流，采用低碳钢轨、玻璃钢防护罩（试验段），采北京复八线12.7 1999年用3000V支柱绝缘子北京13号线40.85 2003年750V，上部接触授流，采用低碳钢轨、玻璃钢防护罩北京八通线18.96 2003年750V，上部接触授流，采用低碳钢轨、玻璃钢防护罩，复合绝缘子天津一号线26.2 1984-2001年750V，上部接触授流，采用钢铝复合轨武汉一号线28.5 2004年750V，下部接触授流，采用钢铝复合轨1500V，下部接触授流，采用钢铝复合轨、整体绝缘支架、玻璃钢防广州四号线41.14 2005-2007年护罩接触轨系统的电压等级可采用DC750V或DC1500V，电压的允许波动范围应符合表4-8所示。

目前国内除了广州地铁采用DC1500V的电压等级外，其他采用接触轨系统的地铁都采用DC750V的电压等级。

表4-8 直流牵引供电系统的接触轨系统电压值单位：V 标称值最高值最低值750 900 5001500 1800 10002．接触轨的形式接触轨可按授流接触方式及材质进行分类，分别如下：（1）接触轨按授流接触位置的不同可分为上部接触授流方式、下部接触授流方式及侧部接触授流方式三种。

上部接触授流方式：接触轨的授流面朝上，受电靴通过下压力取流。

此方式安装维修方便，受流方式简单，但该方式只能从顶部和线路外侧对接触轨进行防护，因此防护不够严密，安全性稍差，接触轨表面容易附着杂物、粉尘、冰雪等，对列车取流会产生一定的影响。

上部接触授流方式接触轨如图4-33所示。

图 4-33 接触轨位置下部接触授流方式：接触轨的授流面朝下，受电靴通过上抬力取流。

此方式受气候条件影响小，接触轨不易附着杂物、粉尘及冰雪，且可以从顶部和内、外侧对接触轨进行防护，防护罩可以紧密地罩住接触轨，防护更加严密，有利于防止人员无意识地触及接触轨带电部分，因而安全性更高，但同时也带来维修时观察不方便及需拆卸防护罩的问题。

此外，由于下部授流方式中列车受流器的上抬力与接触轨的挠度方向相反，因而有助于提高受流质量，并可在挠度允许范围内增大接触轨支架的间距，减少其数量，从而节省投资。

下部接触授流方式接触轨如图4-34所示。

图 4-34 下磨式接触轨安装效果图侧部接触授流方式：接触轨的授流面与轨顶面垂直，机车受电靴通过侧向压力取流。

侧部接触授流方式的接触轨虽其表面不易附着杂物，但也只能从列车顶部和线路外侧对接触轨进行防护，亦存在防护不够严密、安全性稍差的问题。

侧部接触授流方式接触轨如图4-35所示。

图 4-35 侧磨式接触轨安装效果图（2）接触轨按材质可分为高导电率低碳钢导电轨和钢铝复合轨。

低碳钢导电轨主要的特点是磨耗小、制作工艺成熟、价格较低，主要规格有DU48和JU52型，如图4-36(a)所示。

如北京地铁系统。

a b钢铝复合轨是由钢和铝组合而成（如图4-36（b）所示），其工作面是钢，而其它部分是铝。

它的主要特点是导电率高、重量轻、磨耗小、电能损耗低。

3．接触轨主要结构组成接触轨系统作为向地铁列车提供电能且无备用的供电设备，主要由接触轨、绝缘支座、端部弯头、膨胀接头、防护罩、中间接头、中心锚结、电连接和接地线等组成。

以下对主要部件进行介绍：（1）接触轨接触轨是接触轨系统中的导电轨，早期的接触轨一般由低碳钢制成，有耐磨、价廉、安装简单等优点，但也存在自重大、电阻率高、电能损耗大等缺点。

我国早期使用的接触轨型号为JU-52，钢号为05铝（05AI），后为伊朗研制过DU48型接触轨。

由于低碳钢接触轨的电阻率高、电能损耗大，为了降低电阻率，以减少供电系统中牵引变电所的数量，降低运营时接触轨能量的损耗，国外发达国家上世纪70年代研制出导电性能及耐磨性能都好的钢铝复合轨。

钢铝复合轨是由不锈钢带通过机械方法与铝合金型材结合的接触轨，采用特殊的结构使不锈钢卡在铝合金型材上，使之不会脱落，由高导电性铝型材作为导电主体，用不锈钢作为接触轨的顶部耐磨表面。

由于铝合金的热膨胀系数大于不锈钢，所以使不锈钢带紧扣在铝合金上尤为重要，不能出现分层脱离的现象，并且必须始终保持铝合金与不锈钢带的良好导电率，同时须考虑不锈钢带与铝合金本体的电极电位及复合界面可能产生的电化学腐蚀。

钢铝复合轨的耐磨性、导电性、耐蚀性、综合力学性能以及与钢的热膨胀特性匹配的要求与制造工艺关系密切，制造也较为复杂，我国对钢铝复合接触轨的研究和开发起步较晚，但近年来发展迅速，已推出较为成熟的产品，实现了钢铝复合轨的国产化。

与传统的低碳钢接触轨相比, 钢铝复合导电轨具有以下几方面的优越性。

a.导电性能好、电流容量大：铝合金的导电率为低碳钢导电率的3～4 倍, 故钢铝复合导电轨的导电性能高于低碳钢导电轨。

b.重量轻, 易安装。

由于不锈钢耐磨覆层较薄, 而铝合金本体所占的体积相对大得多, 钢铝复合导电轨的重量小于相同截面低碳钢导轨重量的一半以下, 无须起重设备, 容易弯曲，安装成本低。

c.耐腐蚀、耐磨性好, 使用寿命长。

钢铝复合导电轨的滑动接触面多采用铬不锈钢, 具有良好的耐腐蚀性和耐磨性, 从而可延长接触电轨与受电靴的寿命。

d.经济效益好。

主要体现在：相同的运量下, 采用钢铝复合导电轨所需的电压降及牵引能耗成比例下降, 所需变电站、变压器等的布置可更远, 容量可减小;钢铝复合导电轨重量轻, 安装费用少，接触轨使用寿命长也可节省费用。

可见钢铝复合轨具有比低碳钢导电轨更多的优越性而具有广阔的发展前景，采用钢铝复合轨已成一种必然的趋势。

目前世界上已有60 余条城市轨道交通线采用了这种复合轨, 应用钢铝复合接触轨的运营线路已经超过1000km，运行情况良好。

国内近年新建的北京地铁5号线、天津地铁1号线、武汉轻轨线、广州地铁4号线、5号线等的接触轨也都采用钢铝复合轨。

钢铝复合接触轨的整体结构大部分与普通钢轨相似,有些形状虽比普通钢轨复杂,但一般也是由轨头、轨腰、轨底三部分构成。

轨头部分与受电靴接触部位的材料一般为不锈钢,轨的主体材料为铝合金。

这也是钢铝复合接触轨区别于普通钢轨的一个显著特征。

不同制造厂家的钢铝复合轨在整体结构、钢铝结合的形式、不锈钢带厚度、截面积等都有所不同。

典型的钢铝复合轨从整体结构上可以归为两大类,即C 型和工字型。

其中工字型结构使用的历史长,比较成熟,也是目前采用较多的一种结构。

钢带的结构有两大类,即多槽型(C 型轨) 和单槽型(工字型轨)。

从钢铝复合工艺上分为钢铝共挤复合、机械复合、机械加焊接复合等3种形式。

常见的钢铝复合轨不锈钢带的厚度一般为2-6mm，不锈钢含铬量一般为17-19％，并根据不同的系统需求设有不同的截面积，有2750A、3500A、3800A、4500A、4700A等多种规格。

以下分别就几种常见的钢铝复合接触轨进行介绍：a.C型钢铝复合接触轨其整体结构为“C”型, 如图4-37（a）所示，轨头位于“C”形的左侧,轨底位于“C”形开口侧。

轨底支撑面被C 形开口分为两个L 形支撑脚。

两支撑脚的宽度总和约为整个轨底宽度的1/ 3 。

轨头顶面为矩形平面,轨头内面中心沿纵向有一V 型槽。

V 型槽的两肩在复合前为一平肩; 复合后, 临近开口处的部分,随V 形槽变深而凹陷, 使两肩由平肩变成台阶肩。

V 型槽的两肩下各有一个沿纵向通长的圆孔,可以增加铝本体的表面积, 有利于接触轨的通风散热。

在铝合金本体与不锈钢的结合面上, 沿纵向开有四条直角梯形槽, 槽的一个侧斜边有2°的斜角,槽口宽,槽底窄,便于异型钢带上突起的筋条在钢铝复合前顺利嵌入; 复合变形后, 槽口变窄, 与钢带上的筋条相吻合,使铝本体与不锈钢带紧紧地扣合在一起,不致分离。

斜边与槽底的过渡圆角部分有沿纵向的微小沟槽, 相邻两沟槽间形成细牙齿。

牙齿在复合时,受钢带接触面的反压作用而变形,从而破坏铝本体表面形成的氧化膜, 保证接触面间的导电性能。

作为轨头顶面的异型不锈钢带, 其横截面结构由两部分组成; 即直接与受流器接触并接受磨损的钢带本体,以及潜入铝本体而主要起连接支撑作用的筋条。

钢带本体为宽100 mm、厚6 mm 的矩形,顶面与受电靴接触,其宽度和平直度能够保证可靠供电,厚度能满足寿命要求。

钢带本体与铝本体结合部分有4 条沿纵向通长的立筋条,筋条的横截面也近似为一直角梯形,梯形的两个外角以及与钢带本体相交的两个内角均为圆弧过渡,斜边的根部过渡圆弧向筋的实体内部凹进,形成一内凹圆弧, 使筋条的顶部宽于根部。

筋条顶部的宽度与铝本体上梯形槽的槽底宽度一致, 保证能够较自由地置入铝本体。

复合后, 筋条根部的内凹圆弧被受压变形的铝本体材料填充, 使铝本体上的梯形槽变成槽口窄、槽底宽,从而保证了复合后钢带和铝轨之间的可靠连接, 难以剥离。