架空电缆 (铁路)

铁路上的高架电车线
使用高架电车线供电的地铁列车 (图为杭州地铁1号线列车)

高架电车线(又称电车线),是凭借电杆支撑,架设于电力驱动交通工具行走轨迹上方半空,在与其接触连接时用以向其直接供电的特殊形式的输电路线。在电气化铁路和城市轨道交通系统中,高架电车线一般只有1根接触导线(简称电车线),电力机车动力车通过集电弓取电,再通过金属轮轨回流到电网中;而在无轨电车等使用胶轮的系统中,高架电车线有一正一负2根互相平行的电车线,通过2根集电杆取电并形成通路。

分段绝缘

高架电车线并非是一条完整的闭合线路,而是人为地划分为很多区段,而每一区段则以分段绝缘器(直流电适用;部分地区俗称「龙虾位」)或中性区(交流电适用)隔开。设置分段绝缘的主要用意是:假若某一路段电力供应有故障或因需要进行维修而断电,那么,所影响的范围只是该区域,分段绝缘器后的另一区域则不会受断电影响。车辆在驶经分段绝缘时,集电器会有一瞬间同时接触两个区段之电力,直接把它们短路,但由于集电器驶过区段绝缘器只需很短时间,该直接短路对车辆而言没有影响,只是偶尔在集电器上产生火花,但这属于正常。

中性区

中性区(又称「中性区」)大量存在于交流供电的铁路系统中,例如香港的屯马线和东铁线,不过在交直流分段,或是不同电压分段的路段也会设置中性区。中性区是一段不带电的高架电车线,长度大约是十米。因为电源供应未必只得一个,而是可能由多个馈电网供电。虽然每个电网的供电电压大致相同,但每个电网未必是同相的,它们有可能是异相的。若不设有中性区,集电弓会由异相的电源供电而导致车内一些灵敏性较高的电力设备受损。换句话说,中性区就是一段约十米长,不带电的高架电车线,用以隔开由不同馈电网所供应不同相位的电源。

车辆在进入中性区前,必须把列车装在集电弓前的真空断路器打开,以防止列车突然进入0V时所产生的电弧。真空断路器打开后,列车立即失去外部电力供应,但乘客没有觉得不妥,是因为车内的非动力设备此时由后备电池供电。牵引马达在真空断路器打开后无电力供应,车辆会以惯性冲过中性区。车辆过了中性区后,真空断路器将会闭合,全车的电力装置恢复由高架电车线供电。至于因电源制式不同而设的中性区,除了打开真空断路器外,还必须根据下一路段电压指式按下对应按钮或是扳动手柄切换列车供电电路。

安全距离

基于安全考虑,高架电车线(或相关外露带电装置)必须与邻近人员保持最少安全距离。以港铁的规定为例,安全距离如下:

  • 25千伏工频交流电:2.75米
  • 1500伏/750伏直流电/其他高压电:2米

悬吊类型

简单悬吊
链形悬吊
刚性悬吊

高架电车线的悬吊类型大致为三种:简单悬吊,链形悬吊,刚性悬吊。其中简单悬吊和链形悬吊都是弹性悬吊。

相应的,高架电车线也根据悬吊类型分别称为柔性电车线和刚性电车线。

简单悬吊

简单悬吊只有导线,没有承力线,优点是结构简单、支柱高度低、支撑点承受的负荷较轻、成本较低,一般运用于隧道等低净空的场合。在无轨电车路面电车中,也广泛使用简单悬吊。其缺点是跨度小,悬吊点有硬点,且在运转中导线会上下振荡,不适用于高速铁路

链形悬吊

链形悬吊将导线和承力线之间用悬索连接起来,解决了简单悬吊中跨度小和硬点的问题,因此在都市轨道运输及长距离、高速度、大跨度的电气化铁路中大量使用。

链形悬挂是三种悬挂方式里受到隧道净空限制最大的悬挂方式。

其电阻一般要讨论接触线材质的成分及截面积数值。

刚性悬吊

刚性悬吊是以硬质的金属条(通常是条)代替软质的导线的新型悬吊方式。随着材料科学结构力学的发展,刚性悬吊利用了第三轨供电的接触面积大、电阻少(每公里0.0135 Ω)的优点,而克服了钢轨过重无法悬吊的缺点。都市轨道运输从地下路线开到地上路线时可以直接过渡至链形悬吊,不用更换列车(而部分地面路段亦可使用刚性悬吊电缆,例如港铁屯马线红磡站地面路段);而在一条路线当中,亦可兼容现存链形悬吊及刚性悬吊(例如港铁港岛线西延观塘线延线屯马线显径站红磡站)及东铁线过海段(红磡站金钟站),新建隧道路段使用刚性悬吊电缆,而现存地面及隧道路段仍能使用链形悬吊电缆)。同时,由于刚性悬吊使用集电弓,没有使用集电靴的第三轨容易脱落的缺点,稳定性更高。但缺点是由于金属条与集电弓炭条的接触面积接大,集电弓炭条的损耗也较大。

与第三轨供电的比较

第三轨供电相比,高架电车线受到隧道净空的限制比较大,在城市地铁的运用当中会受到土建成本的压力。因此目前已有的都市轨道运输当中,第三轨供电仍然占有较大的比例。另外,高架电缆可能会使部分人产生视觉上的心理障碍,也会对景观造成一定的负面影响。而当遭遇风灾时,也容易因为高架电缆被风吹倒毁坏而使列车班次发生严重误点或取消,必须花费大量时间进行维修。例如港铁近年的多宗车务延误个案均是由高架电车线导致的。因此自港岛线西延起,近年的新建地底线路高架电车线改以刚性悬挂,提高供电稳定度。

由于第三轨有触电的风险,只能用于封闭路线,因此不适合用于与其他交通路线相交的铁路运输系统中。另一方面,高速铁路为了高速客运和货运重载的需要,会使用更高的电压,如25 kV的供电系统,如果使用轨道供电会形成电弧集电弓在列车高速运转的时候也能更妥善地与高架电车线接触,集电靴则有比较高的机会导致脱离供电轨道。

参考文献

参见