電氣化鐵路運行軌與接觸軌的關(guān)系

電氣化鐵路運行軌與接觸軌的關(guān)系

1電氣化鐵路系統(tǒng)“接觸板”是指沿電氣化路運行軌道，設(shè)置剛性電氣導(dǎo)入，將電氣路發(fā)送給機(jī)車的傳輸渠道。由于它通常位于兩條或兩條運營軌道的兩側(cè)，因此也被稱為“第三軌道”和“電路軌”。如圖1所示。圖1表明了運行軌與接觸軌的基本關(guān)系。接觸軌系統(tǒng)是以鋼鋁復(fù)合接觸軌為主,配以魚尾板,電纜連接板,端部彎頭,錨結(jié)等部件形成的輸電系統(tǒng)。世界上最早開始使用接觸軌的系統(tǒng),是由Volk’sElectricRailway于1883年在英國著名旅游勝地布萊頓為游人建設(shè)的游覽車供電系統(tǒng),第三軌布置在運行軌中間。第三軌的頂部一般設(shè)有防護(hù)罩,最早的防護(hù)罩采用木板制造,現(xiàn)在一般由玻璃鋼制成。世界上使用接觸軌的第一條電氣化鐵路是1885年在愛爾蘭運營的Bessbrook&Newry有軌電車。從19世紀(jì)80年代開始,接觸軌開始廣泛用于城市有軌交通。不過,那時的接觸軌系統(tǒng)為地下管道式結(jié)構(gòu),叫做“管道電流收集系統(tǒng)”。世界上第一條接觸軌動力地下鐵路是1890年建成的“倫敦市區(qū)-倫敦南”地鐵線(目前為倫敦地鐵北線的一部分)。通常,有軌電車及地鐵的第三軌系統(tǒng)采用600V或750V電壓,出于安全考慮,相比頂部接觸網(wǎng)系統(tǒng)常采用的1500、3000V或超高壓電壓較低。西班牙巴塞羅那曾采用過直流1500V接觸軌,但目前已經(jīng)停止運營。電壓越高,變電站的間距可以越大,但系統(tǒng)要求更大的安全間距。因此,系統(tǒng)電壓的選擇要綜合輸電距離、安全距離、施工量及機(jī)車配套性等幾個方面。倫敦地鐵是世界上少數(shù)幾個采用第四軌系統(tǒng)的,運行軌外側(cè)是+420V的第三軌,中間是-210V的第四軌,兩者合作提供了630V的直流動力。第四軌是第三軌的回路,因此,運行軌在某些路段仍可作為第三軌或頂部受流網(wǎng)的回路,這樣,該線路就可以兼容多種不同制式的列車運行。起初,第四軌的采用源于無法處理的一些回流問題,回流不是流經(jīng)接地的運行軌,而是流經(jīng)隧道中的鋼鐵內(nèi)襯,在襯套間相互連接不緊密時,便產(chǎn)生電解及電弧,從而造成損害。更為嚴(yán)重的是,回流更傾向于流經(jīng)附近的自來水管道或煤氣管道,有些管道,如維多利亞干線早于倫敦地鐵而建,第四軌的采用解決了該問題。盡管第四軌并未與地完全絕緣,但其支撐部分的電阻已經(jīng)足以使得其對地部分的支流處于可接受的范圍之內(nèi)。倫敦地鐵的露天部分采用第四軌的原因,一半是為了使其與地下部分匹配,另外就是為了與其它軌道交通車輛的線路兼容。英國東南查塔姆鐵路公司在1920年左右提出了一套1500V第四軌方案(但未得到實施),其建議采用+750VDC第三軌及-750VDC第四軌,看上去地極為其中級。這或許就是其后750VDC第三軌系統(tǒng)的起源。目前我國使用的導(dǎo)電軌技術(shù)基本上來自國外,具體有如下3種表現(xiàn)形式。(1)產(chǎn)品進(jìn)口量整體進(jìn)口國外產(chǎn)品。該方式能保證進(jìn)口產(chǎn)品的質(zhì)量和性能,但進(jìn)口成本很高。(2)進(jìn)的優(yōu)勢是保障產(chǎn)品的研發(fā)國外技術(shù)以獨資或合資的方式引進(jìn)到國內(nèi),在國內(nèi)建立生產(chǎn)基地。技術(shù)引進(jìn)的優(yōu)勢是能夠保證該產(chǎn)品具有良好的歷史沿革及同等的產(chǎn)品質(zhì)量;但需要注意的問題是,進(jìn)口技術(shù)必須在國外是成熟的技術(shù),且有相當(dāng)長的研發(fā)歷史,否則,容易把未在國外經(jīng)過實踐驗證的技術(shù)當(dāng)作成熟技術(shù)來引進(jìn)。(3)建立行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)企業(yè)按照國外的產(chǎn)品進(jìn)行仿制。仿制是發(fā)展中國家必然經(jīng)歷的一個過程。但成功的仿制絕不是簡單的模仿,必須經(jīng)過技術(shù)分析—系統(tǒng)設(shè)計—理論評定—生產(chǎn)過程設(shè)計—試生產(chǎn)—產(chǎn)品試驗—試運行—批量試生產(chǎn)—產(chǎn)品驗證—批量生產(chǎn)這樣一個過程。并且參照國際相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)建立行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)。對于仿制產(chǎn)品,要重點驗證其是否經(jīng)過了嚴(yán)格的上述技術(shù)消化過程,避免在簡單的模仿后,將“試驗品”當(dāng)作“成熟產(chǎn)品”推向市場,從而使原本在試驗過程中應(yīng)當(dāng)解決的技術(shù)問題和工藝問題遺留到實際運營過程中,這是購買方應(yīng)當(dāng)盡力避免的。2接觸軌系統(tǒng)的組成接觸軌系統(tǒng)包括接觸軌,魚尾板,電纜連接板,膨脹接頭,端部彎頭,錨結(jié)等主要部件。其中接觸軌是主要組成部件。2.1氣體保護(hù)自動焊接的結(jié)構(gòu)及工作原理最早的接觸軌材料為普通碳鋼,造成很大的電阻損失,也需要更多的輸電變電站;減少電流損失的一個很好的辦法就是采用鋼鋁復(fù)合接觸軌,其由高導(dǎo)電性鋁型材作為導(dǎo)電主體,用不銹鋼作為接觸軌的頂部耐磨表面。接觸軌由絕緣子或絕緣支架支撐。目前市場上有幾種不同的鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu),最原始的方法是“復(fù)合擠壓成型結(jié)構(gòu)”,即將不銹鋼與鋁合金材料進(jìn)行復(fù)合擠壓。但該結(jié)構(gòu)在個別情況下會產(chǎn)生分層脫離。國際上普遍采用的結(jié)構(gòu)是用2條J型不銹鋼對扣在鋁型材上,用線性焊接方法焊接成不銹鋼帽,由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)大于不銹鋼,所以,使不銹鋼緊扣在鋁合金上,不會出現(xiàn)分層脫離的現(xiàn)象,并且始終保持鋁合金與不銹鋼帽的良好導(dǎo)電率。這種接觸軌采用氣體保護(hù)自動焊接是經(jīng)過幾十年生產(chǎn)過程積累下來的典型工藝,對焊接表面及焊透性都有很高的保證性,并且,試驗證明,焊縫強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。將U形不銹鋼鉚接在鋁型材頂部是另一種方案,但由于其側(cè)向鉚接力的作用,接觸軌頂部表面會呈現(xiàn)出波浪起伏的形狀,如不進(jìn)行后續(xù)平整度加工,會影響受流器/集電靴的接觸效果,且在接觸軌安裝階段需要大量的接頭打磨工作,從而造成安裝施工緩慢。結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。2.2魚尾板魚尾板是接觸軌的連接件。通常,一根接觸軌有14m或15m長,通過魚尾板將其相連成幾十公里。2.3銅鋁過渡板結(jié)構(gòu)設(shè)計一套電纜連接板由一塊普通魚尾板和一件通過焊接銅鋁過渡板的魚尾板組成。銅鋁過渡板采用鋁板外層熱壓1.0～1.5mm銅皮工藝,保證銅鋁之間的結(jié)合牢靠而沒有間隙,從而保證電纜與電纜連接板的連接效果。銅鋁過渡板結(jié)構(gòu)如圖4所示。銅鋁之間采用熱壓復(fù)合工藝,達(dá)到分子結(jié)合強(qiáng)度及分子結(jié)合密度,達(dá)到永久性復(fù)合效果。2.4擴(kuò)展連接鋁軌會由于周圍溫度和電流產(chǎn)生的熱量變化而伸縮,所以需要安裝膨脹接頭以允許這種變化,從而可以保證集電靴和導(dǎo)電軌連續(xù)接觸。2.5導(dǎo)電軌1當(dāng)導(dǎo)電軌安裝到岔道、絕緣間隙等處時,需要安裝端部彎頭以引導(dǎo)集電靴一會脫離導(dǎo)電軌一會又滑上導(dǎo)電軌。端部彎頭分為高速端部彎頭(在干線上)和低速端部彎頭(主要是在車站),在絕緣間隙處為了保證導(dǎo)電軌供電連續(xù)可以接電纜。2.6導(dǎo)電軌部件中心錨結(jié)的安裝為了防止導(dǎo)電軌在支撐上移動,而且平衡膨脹接頭之間、端部彎頭之間或膨脹接頭與端部彎頭之間導(dǎo)電軌的運動,需要在膨脹接頭之間和短的導(dǎo)電軌部件的中心安裝中心錨結(jié)。3安裝和使用接觸軌的方法3.1接觸軌的安裝與使用接觸軌的安裝及使用有3種方式,分上接觸式、側(cè)接觸式及下接觸式。上接觸式是最簡單的結(jié)構(gòu),但其缺點是在暴露的部分會有散落的樹葉及雜物,并易受惡劣天氣的影響,如被冰雪覆蓋等。因此,在露天部分使用上接觸式時需要考慮詳盡的維護(hù)方案。側(cè)接觸式對維護(hù)的要求大大降低,一般應(yīng)用在空間受限且不易采用下接觸式結(jié)構(gòu)的條件下。下接觸式最為安全,由于防護(hù)罩可以緊密地罩住接觸軌,且其接觸表面不會存留任何雜物,是目前最為流行的安裝及使用方式。如圖5所示,展示了常見的4種接觸軌安裝及使用方式,并表明了該系統(tǒng)主要部件的關(guān)系,如絕緣體、接觸軌、防護(hù)罩及安裝在機(jī)車上的受流器—集電靴的相互關(guān)系。通常接觸軌安裝在運行軌的外部,偶爾也會布置在兩條運行軌中間,電流通過滑動的“靴子”(集電靴或受流器)傳輸?shù)綑C(jī)車上。多數(shù)情況下接觸軌上面有防護(hù)罩,用以保護(hù)工作在這一區(qū)域的員工。如頂部接觸網(wǎng)一樣,電流回路一般為一條或兩條運行軌,在對地的泄漏不產(chǎn)生危害的條件下使用。另一種設(shè)計則采用第四軌作為回路。接觸軌作為電氣化鐵路頂部接觸網(wǎng)系統(tǒng)的并行輸電方式,接觸網(wǎng)通過頂部受流器將高達(dá)25kV的交流電壓傳送給機(jī)車,而第三軌一般采用1200V(漢堡S-Bahn線路)以下的直流電壓。一些線路上兩者并用,稱為“折中系統(tǒng)”。3.2安裝方法介紹(1)準(zhǔn)備工作在安裝每根接觸軌之前,應(yīng)進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作。使用不銹鋼絲刷或鋼砂布拋光魚尾板的接觸面,使表面平滑。(2)自接合式將端部彎頭定位到兩個支架上,使帶鉆孔的一端與接觸軌相連接。此時,使用接觸軌檢查尺檢查端部彎頭入口點的位置,檢查接觸軌垂向和橫向的公差,根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。(3)潔根接觸軌的安裝將接觸軌定位到絕緣子上并滑動直到端部與前面安裝的軌接觸。使用不銹鋼絲刷或鋼砂布清潔兩根接觸軌連接端與魚尾板相接觸的區(qū)域,直至清潔干凈。將兩個魚尾板安裝到軌道端部,插入4個螺栓并將4個螺母和墊片放到螺栓上,用手?jǐn)Q上,確保接觸軌端部之間縫隙不超過2mm。根據(jù)力矩擰緊螺母。繼續(xù)下一個部件安裝,不論是軌,還是膨脹接頭等。(4)清潔接觸軸接觸軌在交貨時涂有油膜,以防在海運、運輸和搬運期間可能受到污染。必須在安裝后使用專用溶劑將油膜從不銹鋼帶接觸面去除。(5)接觸軌切分接觸軌可能偶爾需要切割,以制成合龍軌(非標(biāo)準(zhǔn)長度接觸軌)。可使用帶合適的有導(dǎo)向臂的砂輪鋸從接觸軌的任意方向切入切割(6)接觸軌端的鉆孔被切割的接觸軌端部需要鉆孔?？墒褂密壎算@孔工具進(jìn)行鉆孔。將鉆孔工具夾到軌端并鉆孔。去除鉆好的孔中毛刺。(7)安裝互聯(lián)擴(kuò)展接口將膨脹接頭定位到兩個支架上,并向后滑動,直到端部與前面安裝的軌接觸連接。用標(biāo)準(zhǔn)的魚尾板連接膨脹接頭。(8)安裝錨集在前面選擇的錨結(jié)支架組件上,將錨結(jié)放到靠近絕緣子的接觸軌上。插入螺栓并按規(guī)定力矩擰緊。(9)電纜連接板的安裝使用連接板鉆孔夾具在接觸軌上鉆孔,并去除鉆孔的毛刺。按魚尾板安裝相同的方式將電連接用魚尾板固定到軌上。(10)檢查接觸軌的橫向和縱向位置使用接觸軌檢查尺在每個絕緣支架和跨距中點檢查接觸軌的橫向和縱向位置。如果需要,根據(jù)走行軌的位置調(diào)整接觸軌橫向位置,根據(jù)走行軌的頂部位置調(diào)整接觸軌的垂向位置。3.3長絲環(huán)制作的安裝順序由于接觸軌中鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同,采用的加工工藝各不一樣。但無論如何,必須保障接觸軌頂部是一個平整的平面。用兩條J型不銹鋼對扣在鋁型材上,用線性焊接方法焊接成不銹鋼帽的結(jié)構(gòu)沒有方向要求,安裝簡便易行,是國際普遍采用的結(jié)構(gòu)。在采用側(cè)向沖壓鉚合工藝時,由于鉚合點是不連續(xù)的間斷受力,導(dǎo)軌頂部在鉚合點的受力處與非受力處產(chǎn)生了不同的變形,從而易于形成波浪表面。這樣,在接觸軌出廠前必須進(jìn)行首尾連接處的研磨,并且一對一地做好標(biāo)記,這使得接觸軌安裝時具有順序性和方向性。既不能顛倒每根的安裝順序,也不能顛倒每根的安裝方向。在導(dǎo)軌運輸裝卸過程中,由于每次裝卸都會造成上下順序的顛倒,也會由于倉儲面積的不同而打亂出廠時的碼放排序。如果安裝時必須按照順序進(jìn)行,會使安裝工作異常地艱難,耗費大量的時間來確定導(dǎo)電軌的出廠順序,一旦某根錯亂,會造成一連串的問題。特別是遇到需要短軌的時候,根據(jù)實際需要的長度將導(dǎo)軌在任意長度上鋸斷,因此,需要重新進(jìn)行首尾連接處的研磨。接觸軌安裝方向或安裝順序的要求會使安裝工作緩慢而艱苦。4在使用金屬和鋁復(fù)合接觸系統(tǒng)時，應(yīng)考慮以下幾點4.1膨脹接頭檢驗每月對以下項目檢查1次。(1)沿著三軌尋找任何水平和側(cè)向彎曲變形,如果在連續(xù)絕緣支撐上接觸軌的彎曲變形超過20mm,可以斷定那段接觸軌的膨脹接頭卡住了。此時,應(yīng)立即停止這段地鐵,斷開電源,檢查膨脹接頭。(2)接觸軌或支撐可能由于當(dāng)?shù)赝话l(fā)事故受到損壞,如果變形超過3mm,則需要更換相關(guān)的支撐或者切掉受損的接觸軌。(3)觀察是否有螺栓聯(lián)接缺失或損壞的組件。(4)接觸軌局部磨損。注意監(jiān)測接觸軌局部嚴(yán)重磨損的區(qū)域。4.2錨結(jié)的表面形貌每月對以下項目檢查1次。(1)用油漆或其他類似東西標(biāo)記,以確認(rèn)錨結(jié)所在位置的絕緣子是否起作用。(2)觀察錨結(jié)處絕緣子周圍有沒有損壞的部件或缺失的固定裝置。(3)視覺檢查接觸軌沒有任何彎曲段的錨結(jié)是否處于原位。錨結(jié)所在位置的絕緣子的任何損壞都表明有卡住的膨脹接頭。(4)標(biāo)記任何可能有問題的防爬器,以便斷電時徹底檢查和測量。4.3電纜連接板的定期檢查每月對以下項目檢查1次:尋找過熱或防護(hù)套燒壞跡象,這些跡象表明有失效的電路接頭,此時應(yīng)該立即斷電,進(jìn)行更換。4.4段段彎曲的定期檢查每月對以下項目檢查1次。(1)檢查端部彎曲頭，尋找弧跡或過度磨損的跡象電弧濺污可以用一小片磨帶或鋼絲刷清潔,當(dāng)心不要損壞不銹鋼接觸面。(2)更換端部彎頭在端部彎頭接觸點集電靴的碰撞將會引起磨損的部件脫離端部彎頭。當(dāng)不銹鋼接觸面的局部磨損厚度等于或超過1mm時需要更換端部彎頭。不銹鋼的厚度可以通過超聲波測厚儀測出。4.5延長連接的定期檢查4.5.1膨脹接頭的檢查(1)保證從走行軌那面看或從J形鋼那面看在膨脹接頭處都能看到一個間隙。當(dāng)間隙完全閉合時,將在與魚尾板末端結(jié)合J型鋼的一個交接處出現(xiàn)鑿痕。(2)保證最近所有的膨脹接頭都可以移動,這可以由電纜連接板的刻痕、魚尾板或新涂油的表面來顯示。(3)在磨損的膨脹接頭處要從該接頭的一邊到另一邊謹(jǐn)慎檢查接觸軌表面的高差。隨著膨脹接頭磨損,魚尾板也可能會磨損,這樣就會導(dǎo)致一邊高一邊低。如果需要的話,用砂紙(或類似東西)輕輕打磨不銹鋼防護(hù)套以去除劃痕或毛刺。如果要使用金屬直尺,請確保電路不會危機(jī)人身安全。(4)檢查分路器是否有損壞的金屬片。分路器可以單獨更換,而不影響接觸軌段或膨脹接頭處的魚尾板。4.5.25年對以下項目進(jìn)行檢查一次(1)給每個膨脹接頭涂油。(2)在膨脹接頭兩邊的魚尾板的頂面,底