任务一 接触轨类型的认知

任务描述：

       本任务是对接触轨系统的主要设备和零件的整体介绍，通过本任务的完成，能完成对接触轨整体作用的认知，为后续任务的执行奠定基础。

      

      接触轨，又称第三轨，或简称三轨。接触轨系统是地铁牵引供电系统的重要子系统，它直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运营。自1965年北京建造我国第一条地铁线以来，伴随着我国地铁建设事业的发展，接触轨技术也走过了40多年的发展历程。这期间接触轨技术不断发展，其主要表现为:安装方式由以上部接触授流方式为主导发展成上部接触授流方式与下部接触授流方式并存，导电轨由低碳钢材料发展成钢铝复合材料；防护罩及支架由木板材料发展成玻璃钢材料；绝缘子材料除电瓷外，还开发出环氧树脂材料及硅橡胶材料。相应地，一些施工安装方法也有所改进。

    接触轨系统主要由钢铝复合轨(包括铝轨本体和不锈钢带)、膨胀接头、端部弯头等相关部件及绝缘支撑装置组成，为电力机车组提供电能。绝缘支撑装置包括绝缘支架和支架底座及其连接零部件组成，绝缘支撑装置可以安装在提术、混凝土轨枕、整体道床或者其它基座上。接触轨、绝缘支架(成绝缘子)、防护罩是接触轨系统中送电、支撑、防护的三大件，这里的接触轨是指包括钢铝复合轨、膨胀接头、端部弯头、防爬器和中间接头的总称。

      牵引动力电的输送是通过集电靴与钢铝复合轨的接触来实现的。钢铝复合轨山高导电性的铝材料和一层耐磨的不锈钢带机械复合而成的。接触轨系统完全由绝缘支撑装置支撑，绝缘支撑装置与木枕、混凝上轨枕或者其它基座相连。

    钢铝复合轨通过中间接头(包括普通中间接头和电连接用中间接头)、螺母和螺栓连接在一起形成一种机电连接系统。中间接头拆卸方便，便于更换。钢铝复合轨磨耗过大需要更换时，可以通过拆卸中间接头来更换损坏或磨损的钢铝复合轨。

    钢铝复合轨会由于周围温度和流经其中的电流产生的热量的变化而发生伸缩，为了克服钢铝复合轨的伸缩所产生的不良影响，采用安装膨胀接头以允许这种变化，从而保证集电靴和钢铝复合轨接触连续，保证提供可靠、优良的奉引动力电。为了防止钢铝复合轨在发生热胀冷缩时导致绝缘支撑装置发生变形，平衡膨胀接头、端部弯头和钢铝复合轨的运动，需要在钢铝复合轨的中心安装中心错结，即防爬器。

    钢铝复合轨在岔道、站台尽头等位置不能连续安装，需做分段处理，安装端部弯头以引导集电靴脱离钢铝复合轨，适当距离后又滑上钢铝复合轨。端部弯头分为高速端部弯头(主要应用于正线)和低速端部弯头(主要应用于车站、车辆段和停车场)两种。

（一）接触轨系统的技术特征

    接触轨系统，其技术特征有三个，一是电压等级，二是安装方式，三是导电轨材料。

    1、电压等级

    目前世界上城市轨道交通中的直流牵引网电压等级繁多，接触轨系统的电压等级有600V、630V、700V、750V、825V、900V、1000 1200V等；国外接触轨系统的标称电压一般在1000 V以下，西班牙巴塞罗那采用直流1500 V及1200 V接触轨，美国旧金山BART系统为直流1000V接触轨。目前国内接触轨系统标称电压为直流750V和1500V。

    2.安装方式

    按触轨系统根据授流位置的不同，可分为上部授流接触轨(图1)、下部授流接触轨(图2)和侧部授流接触轨(图3)三种形式。

                                                      图1      上部授流接触轨

                                                          图2   下部授流接触轨

                                                        图3    侧部授流接触轨

      我国早期的接触轨系统基本上是采用上部授流方式，比如北京地铁。随着技术工艺和材料开发的发展，越来越多的城市轨道交通接触轨系统采用了下部授流方式。下部授流接触轨主要由导电轨、绝缘支架、防护罩等构成。绝缘支架由顶部支架、中部支架、下部支架三部分组成，并共同构成悬臂结构型式；导电轨通过项部、中部支架，悬往在下部支架上；下部支架则根据线路情况固定在整体道床上或碎石道床的轨枕上:防护罩靠自身弹性及支撑垫块固定在导电轨上。

    防护罩对带电接触轨的防护性能好，带电接触轨不容易被无意识地触碰到，能确保人身安全:另外，下部授流方式的遮挡雨雪条件也优于上部授流方式，能确保牵引网系统的安全可靠运行。

      接触轨可采用低碳钢材料或钢铝复合材料，本节接下来以钢铝复合材料下部授流式为例进行讲解。

(二)钢铝复合轨

    1.功能

    钢铝复合轨由轻质的导电铝轨本体和非常耐磨的不锈钢接触面构成，主体由高强度耐腐蚀铝合金(6101-T6) 挤压而成，授流接触面是连续的6 mm厚的不锈钢带。不锈钢带同导电留轨机械复合，以确保它们之间的金属结合，从而保证铝轨和不锈钢带间的较小的接触电阻。 

    钢铝复合轨是接触轨的主要构成部件，其自身阻值很小，导电性能好，一般单独的钢铝复合轨为15m。接触轨就是由数量众多的钢铝复合轨连接而成的，在钢铝复合轨的连接处要涂抹适量的导电油脂，以改善接触轨断口处的导电性能，保证接触轨向电力机车输送高质量的DC1500V动力电。

                                                                               图4

     2.设备材料

    钢铝复合轨中铝轨本体、钢带分别选用材料6101 (T6)和0Cr18Ni9 (304)。铝轨采用标准为6101 (T6)的铝合金坯料挤压成型，并符合GB/T6892 20000《工业用铝及铝合金热挤压型材》美国材料试验学会ASTMB317的要求，尺寸偏差等符合GB/T14846-1993《铝及铝合金挤压型材尺寸偏差》高精级要求。钢带采用牌号为0Cr18Ni9 (304)的不锈钢板加工成型，其化学成份、机械性能符合GB/T4237-1992《不锈钢热扎钢板的钢号和化学成份》的要求。6101 (T6)符合ASTM B317《公共汽车导体》规定的化学成分和机械性能(表2-1-1 )。

    3.技术参数

    1)钢们复合轨的参数表(表2-1-3)

    表2-1-3钢铝复合物的参数

    2)钢铝复合轨的结构断面(图5)

                                                                              图5

(三)普通中间接头

    普通中间接头(图6)通过采用不锈钢紧固件将两根3000A的钢铝复合轨或钢铝复合轨和其他附件连接起来，形成钢性连接，构成电气通路。每对普通接头由4套M16不锈钢紧固件连接，每套螺栓包括一根螺栓， 两个螺帽，-个平垫和一个弹性垫片组成。

                                                                                图6

       钢铝复合轨的连接孔和普通中间接头都有最小的公差，这样在相互配合时可以保证只有很小的或者儿乎没有任何相互移动。

    普通中间接头的材质与铝轨的材质相同，均为6101(T6)。本体毛坯采用挤压成型，表面强度高，粗糙度低，外形尺寸准确。加工时只需根据需要长度锯断，并打孔即可。因此，它具有足够的强度来满足连接牢固的机械要求，同时它的截面积足够大、可以承载3000A电流。接头本体的轮廓与接触轨腰面紧密相贴。确保了电流续接的要求。通过计算，持续载流量达到4142A满足正常牵引动力电导通的要求。

    每一套普通中间接头配有紧固件4套，每套包括螺栓、碟形弹垫各一个，螺母、平垫各两个。螺栓螺母材质分别为0Cr18Ni9和1Cr18Ni9.规格为M16，平垫材质为不锈钢1Crl8Ni9,碟形弹垫材质为1CrI8Ni9。普通接头的螺栓防松是通过采用碟形弹垫保证的，这种碟形弹垫弹性特好，是世界上先进的防松弹垫，既能防松，又因为有良好的弹性而具有很好抗振作用。

(四)膨胀接头

    由于环境温度的变化或运行中电流产生的热量都会造成接触轨温度的变化而产生一定的位移，膨胀接头的设计使得钢铝复合接触轨可以适应这已位移变化，从而满足接触轨系统的机械特性和电气特性。

    膨胀接头(图7)全长1975 mm，距离两端相邻绝缘支撑装置间隔在2500 mm以上。膨胀接头的接触面的设计保证列车集电靴的平滑通过。

                                                                                     图7

       膨胀接头两侧的锚固夹板与接触轨腰面通过螺栓连接，每一套膨胀接头配有紧固3套，每套包括螺栓、碟形弹垫各一个，螺母、平垫各两个。螺栓、螺母材质分别为0Cr18N9和1CrI8Ni9.规格为M16，平垫材质为不锈钢1CrI8Ni9，碟形弹垫材质为1Cr18Ni9膨胀接头的螺栓防松是通过采用碟形弹垫保证的，与普通中间接头相似。

(五)防爬器

    防爬器(图8)安装于每一接触轨锚段中心位置的绝缘支架两端，用于保证接触轨因受到热胀冷缩而向锚段两侧发生均匀移动，其结构和机械性能满足防窜要求。防爬器可以为接触轨提供的锚固力可靠，锚固力与绝缘支架形成作用力与反作用力而保持平衡，保持膨胀区段的中点位置。防爬器外形美观，安装简单，配套合理。防爬器是与膨胀接头是配合使用的。

                                                                           图8

       一套防爬器由 2块铝制结构块组成，安装位置选择在每锚段的中心，在处于锚段中心位置的绝缘支架附近夹持着钢铝复合轨，每处使用两套防爬器。连接方式是通过螺杆将防爬器固定在钢铝复合轨上。

    防爬器果用的村质与铝轨材质一致，为6101( T6)。每套防爬器由对梯形截面错块组虚用2套紧固件连接，每套包括螺栓、碟形弹垫各一个，螺母、平垫各两个。螺栓、螺母材汤分别为0Cr18NI9和1Cr18Ni9、规格为M16，平垫材质为不锈钢1Cr18Ni9,碟形弹垫材质为1Cr18Ni9.防爬器的螺检防松是通过采用碟形弹垫和双螺母保证的。

(六)端部弯头

     端部弯头(图9)分为高速端部弯头和低速端部弯头两种，高速端部弯头全长5.2 m，低速端部弯头全长3.4m。高速端部弯头通常安装在正线上，而低速端部弯头则通常安装于车辆段和停车场内。由于接触轨是临近地面安装的，在有道岔和人行道与钢轨交叉处，接触轨不能连续安装，必须将其断开。在接触轨安装断开处设计端部弯头是为了保证列车在保持一定速度运行时，集电靴能够平滑地接触和脱离接触轨。

                                                                                图9

       端部弯头与钢铝复合轨的连接也是通过普通中间接头连接的。端部弯头的材料与钢铝复合轨相同。

    虽然安装了端部弯头的接触轨与相邻的接触轨有明显的断口，但它们在电气连接上不一定是绝缘的。判断相邻的接触轨是否电气绝缘，要取决于此相邻的接触轨之间是否采用了连接电缆进行连接，形成一个电气通路。

(七)电连接用中间接头

    电连接用中间接头(图10)是连接上网电缆或电连接电缆向接触轨提供DC1500V牵引动力电的零件。电连接用中间接头能安装在接触轨的任何位置，例如，牵引变电所出口、接头、弯头、电分断或道岔处，具体位置由设计图纸确定。

                                                                                图10

它由两片铝合金零件组成，一块是普通接头本体，另-块在普通接头本体上焊有4个电连接板。电连接用中间接头材质与铝轨的材质相同，均为6101(T6)。每个电连接用中间接头可以连接8~ 12根240 mm2的导线。

电连接用中间接头本体及电连接板的截面积足够大，可以承载3000A电流，保证输送满负荷牵引动力额定电流时不过热。接头本体的轮廓与接触轨腰面紧密接触，确保电流续接的要求。通过计算，持续载流量达到4142A，满足正常牵引动力电导通的要求。

每一套电连接用接头配有紧固件4套，每套包括螺栓、碟形弹垫各一个，螺母、平垫各两个。螺栓、螺母材质分别为0Cr18Ni9和1Cr18Ni9， 规格为M16，平垫材质为不锈钢1Cr18Ni9,碟形弹垫材质为1Cr18Ni9。电连接用中间接头的螺栓防松是通过采用碟形弹垫和双螺母保证的。

电连接用中间接头是用来连接柔性供电电缆的，注意接入电缆的长度要足够长，尤其注意对接触轨的纵向移动不能有所影响，即电缆连接时不能给接触轨的连接侧边产生任何额外的应力。导线必须留有足够余量，避免向钢铝复合轨施加额外的拉力，从而阻碍钢铝复合轨在纵向方向上的位移。

(八)绝缘支架及底座

绝缘支架(图11) 是整个接触轨系统的支撑基础，其作用主要有两个，一是为整个接触轨系统提供足够的支撑力，保证接触轨的安装位置相对稳定，确保接触轨授流面与集电靴的接触力度和接触面积，从而保证了电力机车的授流质量；二是使接触轨牵引系统回路与大地保持绝缘，确保DC 1500 v牵引动力电在变电所、接触轨、电力机车和钢轨组成的闭合回路中流动，有效防止直流电进人大地形成杂散电流，对沿途的钢筋结构体产生电腐蚀，减少建筑物的使用寿命。

                                                                                图11

绝缘支架的底座是安装在整体道床或枕木上，底座是由不锈钢材料制成。底座的安装位置由设计图纸确定，在钢轨道床铺设时，预留出底座的安装孔，呈三角形排列，靠近钢轨处有两个安装孔，安装螺栓型号为M16x195。

绝缘支架的材料为玻璃增强热固性塑料( GRP，FRP，Fiberglass Reinfoce Plastic), 俗称玻璃钢。它是一种复合材料，基体是树脂(resin),是一种热固性塑料，包括环氧(EP)、酚醛树脂(PF)等，是一种有机非金属材料；GRP的增强体式玻璃纤维，起增强作用，是一种无机非金属的人造无机纤维。GRP具有良好的电绝緣性能和粘结性能，较高的机械强度和耐热性，可纺织性，耐一般酸碱及有机溶剂，耐霉菌。

通常，两个绝缘支架的安装距离为3~5m,一般不小于3m。地铁三号线绝缘支架的具体设置如下:

1.正线区间

(1)绝緣支架的间距一般为5.0m.最大间距为5.1 m。

 (2)对于高速端部弯头，两个绝缘支架的间距为3.75 m；对于低速端部弯头，两个绝缘支架的间距为2.1 m。

(3)对于膨胀接头，其两侧的绝缘支架间距为3.0m。

2.车辆段及停车场

(1)运用库外，绝缘支架的标准间距一般为4.86m， 最大间距为5.1 m。

(2)运用库内，绝缘支架的标准间距一般为5.0m，最大间距为5.1 m。

(3)对于低速端部弯头，两个绝缘支架的间距为2.1 m。

(4)对于膨胀接头，其丙侧的绝緣支架间距为3.0m。

(九)绝缘防护罩

绝缘防护罩应用于整个接触轨系统，其作用是最大限度地遮盖住接触轨的非授流面，防止人或物触碰接触轨发生触电危险，同时也减少了外界灰尘、雨、雪等对接触轨的影响，起到保持接触轨清洁的作用。绝緣防护罩分为端部弯头防护罩、绝缘支架防护罩、普通防护罩、膨胀接头防护罩(图12)和电缆用中间接头防护罩。

                                                                                   图12

绝缘防护罩的材料与绝缘支架相同，也是GRP。

(十)电缆

电缆是用于将变电所、各独立接触轨段、钢轨及避雷器等连接为一个电气通路。电缆按不同的作用分为送电上网电缆、电连接电缆、均流电缆(图2-1-15)和回流电缆；按安装位置所处的电极性可分为正极电缆和负极电缆。

    目前接触轨用到的电缆型号主要有三种，截面分别为150 ，240 和400 。其中150 电缆通常用于钢轨至避雷器、避雷器至接地极、避雷器至接触轨、接触轨接地扁铝、接地扁铝至变电所接地母排、走行轨道岔及接头处等之间的连接；240 电缆通常用作接触轨的上网电缆和接触轨机械分段处的电连接；400电缆通常用于车辆段运用库内电动隔离开关和正线铜母排与牵引变电所之间的连接。