應用於城市軌道交通的dc1500v四軌安裝結構的製作方法

2023-06-06 16:48:11 2

專利名稱：應用於城市軌道交通的dc1500v四軌安裝結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及城市軌道交通中為電力機車提供牽引動力的供電系統，特別是一 種應用於城市軌道交通的DC1500V四軌(回流軌)安裝結構。
背景技術：
城市軌道交通供電系統牽引網是為電力機車提供牽引動力的供電系統，它由接觸 網和回流網組成，接觸網為正極，回流網為負極，分別與牽引變電所連接。接觸網按安裝位 置和接觸導線的不同分為接觸軌和架空接觸網。目前世界上城市軌道交通線路的回流網大 部分均利用走行軌作為回流軌。現階段我國城市軌道交通不論採用DC1500V或DC750V電 壓制式，均通過架空接觸網或接觸軌(也稱「三軌」)向車輛供電，並通過鋼軌流回牽引變電 所，形成供電迴路。在這種供電制式下，雖要求鋼軌作為回流軌與道床絕緣安裝，但由於工程實施及 運營條件，鋼軌不可能完全絕緣於道床，導致牽引回流通過鋼軌洩漏阻抗流出鋼軌，洩漏形 成雜散電流。雜散電流對鋼軌、整體道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋以及城市軌道交通沿線的 金屬設備都將產生腐蝕，影響城市軌道交通鋼軌、隧道結構鋼筋和金屬設備的使用壽命，關 繫到隧道的綜合使用壽命，後果非常嚴重。雖然在以往的城市軌道交通供電制式中考慮在 整體道床內設置雜散電流收集網來減少雜散電流對金屬結構的腐蝕，但雜散電流腐蝕防護 措施只能減少雜散電流對金屬腐蝕程度，不能夠完全解決雜散電流的腐蝕影響，隨著運營 年代的增加，雜散電流洩漏量將逐步增大。同時牽引回流通過鋼軌時在鋼軌上產生電位差， 通過車輪傳導到車廂內，對旅客的人身安全產生威脅，需要在車站上設置鋼軌電位限制裝 置，這種方案雖然能夠解決鋼軌電位對旅客的影響，但頻繁的動作又將可能影響到供電系 統運行的可靠性。目前世界上城市軌道交通的直流牽引網電壓等級繁多，主要有DC600V、DC750V、 DC825V、DC1200V、DC1500V等幾種，其中後期建成的線路多採用DC750V和DC1500V電壓制 式，也是國際電工委員會(IEC)推薦採用的電壓等級。DC1500V電壓制式具有供電距離長、 電壓損失小、可承受客流量大、雜散電流影響小等優點，我國目前建設的城市軌道交通多採 用DC1500V的牽引供電電壓制式。另外，接觸軌具有不影響城市景觀、使用壽命長、維護量 小等優點。我國多個城市軌道交通中也採用了接觸軌的牽引網系統。發明內容基於上述情況，本實用新型提出一種應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結 構，實現將四軌回流的優越性與DC1500V供電制式的優越性有效地結合起來，用以消除城 市軌道交通中的雜散電流。本實用新型所採用的技術方案一種應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結 構，包括牽引軌、回流軌和兩列走行軌，所述走行軌的一側安裝有絕緣支架，所述牽引軌和 回流軌夾持在絕緣支架的絕緣塊內。[0007]上述牽引軌和回流軌的軌道接觸面為向上設置，與機車上的集電靴通過同側上部 受流方式接觸，形成供電迴路。上述牽引軌和回流軌的軌道接觸面為向下設置，與機車上的集電靴通過同側下部 受流方式接觸，形成供電迴路。上述牽引軌和回流軌的軌道接觸面朝向走行軌的一側設置，與機車上的集電靴通 過同側側面受流方式接觸，形成供電迴路。上述牽引軌的上方設有防護罩。上述牽引軌和回流軌在車站站臺處，布置在站臺的對側。所述牽引軌和回流軌在 區間設置疏散平臺時，設置在疏散平臺的對側。本實用新型所述城市軌道交通直流牽引四軌供電系統，由於四軌(回流軌)徹底 與道床等其他設施絕緣，不存在雜散電流，也就不再考慮防雜散電流的措施和設施。其最大 的優點是保護了車站、隧道等結構鋼筋和金屬管線不被雜散電流腐蝕，提高了軌道交通中 隧道、橋梁、管線等的使用壽命，保證了城市軌道交通系統的安全。
圖1為列車在兩牽引所之間運行時鋼軌的電位示意圖；圖2為本實用新型所述牽引軌和回流軌同側上部受流方式的安裝結構示意圖；圖3為本實用新型所述牽引軌和回流軌同側下部受流方式的安裝結構示意圖；圖4為本實用新型所述牽引軌和回流軌同側側面受流方式的安裝結構示意圖；圖5為本實用新型所述接觸軌在車站站臺處的安裝結構示意圖。圖中1-防護罩，2-牽引軌，3-回流軌，4-防護罩，5-走行軌，6_絕緣支架，10-接 觸軌。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的作進一步的描述。一、城市軌道交通中雜散電流的產生和傳統防護方法1.雜散電流的產生現有城市軌道交通的牽引供電系統基本是以架空接觸網或接觸軌(三軌)供電、 走行軌為回流通路的直流牽引供電系統。由於運營環境、經濟及其它方面因素的限制，走行 軌不可能完全絕緣於道床結構，因此鋼軌不可避免地向道床及車站、隧道結構洩漏電流，即 雜散電流。在實際工程中鋼軌採用了絕緣法安裝，在每個鋼軌安裝點增加了絕緣墊和絕緣套 管，鋼軌回流系統是一個懸浮系統。採用這種方法安裝完成後鋼軌對地實際上是非絕緣的， 鋼軌對地(整體道床)存在洩漏電阻，不同的國家對鋼軌洩漏電阻的要求不一樣，一般在 5 100Ω 範圍。我國《城市軌道交通雜散電流腐蝕防護技術規程》中規定新建成的城 市軌道交通線路走行軌與隧道主體結構(或大地)之間的過渡電阻值不應小於15 Ω - km, 對於運行線路不應小於3 Ω · km。當列車在兩牽引所間運行時，鋼軌的電位如圖1所示，列車位置處為陽極區，鋼軌 電位為正；牽引所附近為陰極區，鋼軌電位為負。城市軌道交通整體道床或隧道結構為零電位。所以高電位的鋼軌電流通過鋼軌與道床或隧道之間的洩漏電阻流向道床或隧道內的結 構鋼筋形成雜散電流。雜散電流的大小，就是圖1中陰影區段從鋼軌洩漏至地下電流密度 的積分。2.雜散電流對鋼筋的腐蝕及防護原理雜散電流對結構鋼筋的腐蝕為電化學腐蝕，當雜散電流進入結構鋼筋時，對結構 鋼筋不產生腐蝕；而當雜散電流流出結構鋼筋時，對鋼筋產生腐蝕。其腐蝕的原理是鋼筋與 四周的水泥矽酸鹽發生電化學反應，鋼筋釋放鐵離子與周圍電解質反應生成其它化合物。若電流密度小於0. 6mA/dm2，則電化學反應發生後會在鋼筋表面形成一層電阻率 較大的化合物。隨著時間的延續當該化合物厚度達到一定程度時，就會成為包裹鋼筋的一 層外絕緣層，從而阻止鋼筋與外部水泥矽酸鹽電解質的繼續接觸，阻止了雜散電流對鋼筋 的繼續腐蝕，該狀態稱為腐蝕鈍化狀態。當電位繼續升高時，鈍化狀態被破壞，鋼筋正離子 繼續游離出鋼筋從而對鋼筋產生腐蝕。雜散電流對金屬結構的腐蝕有四個方面鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、地 網、城市軌道交通外部其它公共設施。雜散電流從鋼軌流出時，要對鋼軌產生腐蝕。當雜散電流洩漏至地下時，根據城市 軌道交通結構，首先洩漏至道床鋼筋，道床鋼筋若縱向形成電氣通路則為雜散電流向下洩 漏過程中遇到的第一個電氣暢通通路，並沿此通路流向牽引所方向，在牽引所流出鋼筋後 至鋼軌。在陽極區道床鋼筋不可能收集所有的雜散電流，總還有部分繼續洩漏至隧道結構， 同樣若隧道鋼筋縱向形成電氣通路則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通通路，並沿此通 路至牽引所方向，在牽引所區域(陰極區)流回至道床鋼筋，並流回至鋼軌。在陽極區還有 從隧道洩入大地的部分雜散電流在牽引所處經隧道或地網返回鋼軌。雜散電流從隧道結構鋼筋裡流回牽引變電所的同時，還有部分雜散電流流出結構 鋼筋到車站接地網或者隧道外的其他公共設施。這部分雜散電流最後還要回到牽引變電 所，在流出接地網或其他公共設施的同時對接地網或公共設施產生腐蝕。3.防護措施一方面，控制全線雜散電流總量上的減少，另一方面，對城市軌道交通系統內結構 鋼筋而言，儘量減少雜散電流流出金屬結構的電流密度，阻止雜散電流對鋼筋的腐蝕，是雜 散電流防護系統採用的最根本措施。在實際工程中採取的防護措施如下(1)減小牽引變電所間距雜散電流產生的大小與牽引變電所的之間的長度的3 次方成正比，牽引變電所間距越小產生的雜散電流就越小。(2)減小鋼軌縱向電阻鋼軌的縱向電阻越小，回流在鋼軌上產生的壓降越小，產 生的雜散電流就越小。(3)增大鋼軌洩漏電阻鋼軌安裝時的絕緣性能越好，鋼軌洩漏電阻越大，從鋼軌 洩漏的雜散電流就越少。(4)在道床內設置排流網根據雜散電流對鋼筋的腐蝕及防護原理，在整體道床 內設置一定截面的鋼筋，全線電氣連通(即排流網)，使得從鋼筋流出的電流密度控制在鈍 化狀態範圍內(0.6mA/dm2)，則儘管有一定數量雜散電流流出鋼筋但卻不會使道床結構鋼 筋受到腐蝕。[0038](5)在牽引變電所增設排流櫃在牽引變電所設置排流櫃，將排流櫃的一端接變 電所直流負母排，另一端接整體道床排流端子、隧道結構排流端子以及接地網，使得在整體 道床和隧道結構排流網以及接地網的中的雜散電流直接流回牽引變電所，防止了雜散電流 對結構鋼筋和公共設施的腐蝕。4.傳統雜散電流防護措施的缺陷由於傳統的直流供電模式決定了雜散電流產生的必然性，雖然採取了各種措施， 但是雜散電流還是會對鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋和其他公共設施產生腐蝕，隨著 運行年代的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌洩漏電阻越來越小，雜散電流會 越來越大。在實際運行的過程中發現這種直流供電模式存在一些無法解決的問題。(1)鋼軌電位高在目前已運行的城市軌道交通線路中，均發現鋼軌的實際電位比設計值高，導致 鋼軌電位限制裝置頻繁動作的現象，為了保證供電系統的安全以及旅客的人身安全，只能 採用對鋼軌電位高的變電所鋼軌電位限制裝置長期合閘的措施，形成了較大的雜散電流。(2)排流櫃增加了雜散電流總量當採用排流法時，鋼軌系統稱之為接地系統，因為在有電流從鋼筋沿排流電纜 (經二極體)流至負母排時，原來負母排的負電位變為接近零電位，從而因鋼軌縱向電壓的 鉗製作用使得兩牽引所間鋼軌的最高對地電位增加了一倍，兩牽引所間幾乎全部成為陽極 區，雜散電流總量增加了近四倍。由於雜散電流的總量增加太多，除牽引所附近鋼筋腐蝕減 少外，在區間的鋼軌的腐蝕量將上升，區間鋼筋有可能腐蝕量上升。(3)排流網增加了軌道和信號的設計難度排流網的設置改變了整體道床內結構鋼筋的布置，結構鋼筋距鋼軌太近，不能滿 足信號專業要求的結構鋼筋和鋼軌的間距。同時結構鋼筋的增多使得整體道床澆注後產生 裂縫，影響整體道床的安全。二、DC1500V四軌系統的安裝結構如圖2 4所示，本實用新型所述四軌系統的接觸軌10主要由牽引軌2、回流軌 3、支持裝置、防護罩1、膨脹接頭、端部彎頭、中心錨結和普通接頭等組成。其中，牽引軌2和 回流軌3採用相同類型的鋼鋁複合軌，牽引軌2負責向機車不間斷地提供電能，回流軌3與 變電所負極櫃相連，形成一個完整的向機車供電的迴路。四軌系統通常採用側面受流方式，其受流方式按照安裝位置的不同，可分為牽引 軌和回流軌分別安裝在線路的兩側、牽引軌和回流軌分別安裝在線路的同側兩種方式。從 經濟性和工程可實行性上考慮，牽引軌和回流軌分別安裝在線路兩側的懸掛方式並不可 取，本實用新型採用牽引軌與回流軌同側安裝的方式。另外，按照懸吊方式的不同，牽引軌和回流軌同側安裝時，又可分為上部受流、下 部受流和側面受流三種方式。三種受流方式的安裝示意圖如圖2、圖3、圖4所示。如圖2所示，同側上部受流方式安裝的牽引軌2和回流軌3均被夾持在絕緣支架6 頂部的絕緣塊內，可以保證牽引軌2和回流軌3均隨著溫度變化自由伸縮。防護罩1連接 覆蓋在牽引軌之上，使得牽引軌和回流軌均自軌頂面以上全部受到保護。其中，牽引軌2和 回流軌3相對安裝於走行軌5 (鋼軌)的同一側，列車通過集電靴從上面與牽引軌、回流軌 接觸受流。[0052]該方案的優點是安裝方便，零部件相對成熟，在原有上部受流模式三軌零件的基 礎上稍加修改即可滿足使用。但與側面受流方式相比，集電靴從上面和牽引軌和回流軌同 時接觸，取流不穩定。如圖3所示，同側下部受流方式安裝的牽引軌2和回流軌3均被夾持在絕緣支架 6頂部的絕緣塊內，處於「懸掛」狀態，從而可以保證牽引軌2和回流軌3均隨著溫度變化自 由伸縮。防護罩4連接覆蓋在牽引軌之上，使得牽引軌和回流軌均自軌頂面以上全部受到 保護。其中，牽引軌2和回流軌3相對安裝於走行軌5(鋼軌)的同一側，列車通過集電靴 從下面與牽引軌、回流軌接觸受流。該方案的優點是安裝方便，零部件相對成熟，在原有下部受流模式三軌零件的基 礎上稍加修改即可滿足使用。但與側面受流方式相比，集電靴從下面和牽引軌和回流軌同 時接觸，取流不穩定。如圖4所示，同側側面受流方式安裝的牽引軌2和回流軌3均被夾持在絕緣支架 6的側面的絕緣塊內，使受流面朝向走行軌5，牽引軌2和回流軌3均隨著溫度變化可以自 由伸縮。防護罩1連接覆蓋在牽引軌之上，使得牽引軌和回流軌均自軌頂面以上全部受到 保護。其中，牽引軌2和回流軌3相對安裝於走行軌5(鋼軌)的同一側，列車通過集電靴 從側面與牽引軌、回流軌接觸受流。該方案整體結構簡單，安裝方便，集電靴取流更趨穩定。以上所述的三種四軌系統不僅適用於地下隧道中，也適用於地上軌道、高架橋等 線路條件，其安裝結構與地下隧道的安裝類似，在此不再贅述。通過上述三種方案的說明可 以看出，以上受流方案都可滿足四軌供電的要求。總體上來說，三種受流方案的技術和經濟 性能基本相當。下面簡要分析兩種受流方案對其它相關專業的影響。1)對限界專業的影響同側上部受流及同側下部受流方式由於牽引軌和回流軌同側上下安裝，因此絕 緣支架高度增加，接觸網專業需要的限界增大，與DC1500V三軌系統相比，垂直方向淨空 約增加350mm，水平方向限界基本不變；側面受流方式由於牽引軌和回流軌側面安裝，與 DC1500V三軌系統相比，垂直方向淨空增加約200mm，水平方向增加約50mm。2)對車輛專業的影響與傳統供電方式車輛相比，三種方式對車輛專業的影響重大，車輛的牽引供電系 統需徹底改變。但對於三種方式而言，同側上部受流方式和同側下部受流方式要求車輛集 電靴在空間上距離比同側側面受流方式要大，至少多一個軌高，因此對車輛整體構造影響 較大。3)對其它專業的影響對於消防水管和弱電等需要避開強電流幹擾的專業來說，應儘可能安裝在接觸軌 的對側，在接觸軌換邊布置不可避開時，應儘可能抬高敷設，以保證兩者間的安全距離。對 此三種種受流方式的影響一致。通過上述綜合比較，可以得出如下表所示的基本結論。比較項目同側上部受流方式同側下部受流方式同側側面受流方式1維護費用一致2工程投資一致3對車輛專業的影響正負集電靴距離大正負集電靴距離大正負集電靴距離小4接觸軌系統的 穩定性和可靠性較好較好好5受流性能較好較好好6對限界專業的影響較大較大影響較小7安裝簡易性較簡單較簡單簡單從經濟性和工程可實行性上考慮，牽引軌和回流軌分別安裝在線路兩側的懸掛方 式不可取。而牽引軌和回流軌同側安裝方式，由於供電軌(牽引軌)與回流軌同時存在，兩 軌之間絕緣的可靠性以及對車輛構造的影響應重點考慮。若採用同側上部受流或同側下部 受流方式，一方面由於集電靴取流時位於兩根軌之間，為滿足絕緣距離要求，兩根軌之間距 離較大，增加四軌系統安裝的空間要求；另一方面，又增大正負集電靴在豎直方向的距離要 求，從而影響到機車的整體構造。因此，DC1500V四軌系統在牽引軌和回流軌同時存在的模 式下，最佳方案可採用同側側面受流方式。如圖5所示，在車站站臺處，接觸軌10(包括牽引軌、回流軌等)布置在站臺的對 側；在區間設置疏散平臺時，設置在疏散平臺的對側，以使接觸軌遠離旅客，減少旅客跌落 線路或運營人員發生電擊事故的可能性。本實用新型的主要目的是解決雜散電流的腐蝕問題，而在城市軌道交通，隧道內 及高架橋上雜散電流的防護是技術重點。因此，在考慮DC1500V四軌系統工程適用性時，需 要突出考慮其雜散電流防護方面的技術優勢。DC1500V四軌系統與DC1500V三軌系統相比， 對於土建的要求基本一致，隧道淨空要求可以不變，僅在四軌安裝處安裝空間較大，部分地 段可能需其它綜合管線進行適當調整避讓。城市軌道交通直流牽引四軌供電系統由於四軌(回流軌)徹底與道床等其他設施 絕緣，不存在雜散電流，也就不再考慮防雜散電流的措施和設施。與傳統直流供電模式(如 三軌系統)相比，具有以下優點(1)對軌道的縱向電阻、接頭焊接、鋼軌安裝無要求⑵對道床結構、隧道結構以及高架結構無要求；⑶取消車站鋼軌電位限制裝置；⑷取消排流櫃；(5)取消雜散電流監測系統；(6)取消鋼軌絕緣結；(7)取消盾構區間連接電纜；⑶取消屏蔽門絕緣帶；(9)保證金屬結構不會被腐蝕。[0078] 現有城市軌道交通線路由於利用支撐機車運行的鋼軌回流，不可避免的會產生雜 散電流洩漏，從而腐蝕結構鋼筋、降低隧道或橋梁的使用壽命。而採用本實用新型所述的四 軌回流技術，可以完全避免雜散電流腐蝕的危害，提高了隧道、橋梁、管線等的使用壽命，保 證了城市軌道交通系統的安全。
權利要求1.一種應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結構，其特徵在於包括牽引軌O)、 回流軌( 和兩列走行軌(5)，所述走行軌( 的一側安裝有絕緣支架(6)，所述牽引軌(2) 和回流軌C3)夾持在絕緣支架(6)的絕緣塊內。
2.根據權利要求1所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結構，其特徵在於，所 述牽引軌( 和回流軌(3)的軌道接觸面為向上設置，與機車上的集電靴通過同側上部受 流方式接觸，形成供電迴路。
3.根據權利要求1所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結構，其特徵在於，所 述牽引軌( 和回流軌(3)的軌道接觸面為向下設置，與機車上的集電靴通過同側下部受 流方式接觸，形成供電迴路。
4.根據權利要求1所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結構，其特徵在於，所 述牽引軌⑵和回流軌⑶的軌道接觸面朝向走行軌(5)的一側設置，與機車上的集電靴 通過同側側面受流方式接觸，形成供電迴路。
5.根據權利要求2至4中任一權利要求所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝 結構，其特徵在於，所述牽引軌O)的上方設有防護罩。
6.根據權利要求1至4中任一權利要求所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝 結構，其特徵在於，所述牽引軌(2)和回流軌(3)在車站站臺處，布置在站臺的對側。
7.根據權利要求1至4中任一權利要求所述應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝 結構，其特徵在於，所述牽引軌(2)和回流軌(3)在區間設置疏散平臺時，設置在疏散平臺 的對側。
專利摘要本實用新型公開了一種應用於城市軌道交通的DC1500V四軌安裝結構，包括牽引軌、回流軌和兩列走行軌，所述走行軌的一側安裝有絕緣支架，所述牽引軌和回流軌夾持在絕緣支架的絕緣塊內。本實用新型所述城市軌道交通直流牽引四軌供電系統，由於四軌(回流軌)徹底與道床等其他設施絕緣，不存在雜散電流，也就不再考慮防雜散電流的措施和設施。其最大的優點是保護了車站、隧道等結構鋼筋和金屬管線不被雜散電流腐蝕，提高了軌道交通中隧道、橋梁、管線等的使用壽命，保證了城市軌道交通系統的安全。
文檔編號B60M1/30GK201824902SQ201020572249
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月22日 優先權日2010年10月22日
發明者何治新, 餘忠涼, 張建根, 張彥民, 徐明傑, 程強, 趙海軍, 靳守傑, 韓瑤, 黃德亮 申請人:廣州地鐵設計研究院有限公司, 廣州市地下鐵道總公司