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跨越时空的城市轨道交通
来源: | 作者:gzslx8 | 发布时间: 2017-08-25 | 4575 次浏览 | 分享到:

广州市老科技工作者协会副会长
               广州市科普作家协会常务理事       廖秀华
教授级高级工程师 

1、    什么是城市轨道交通?其怎样分类?
轨道交通是车辆行驶在轨道上的交通方式,因一般行驶在城市的市区或市郊,故称之“城市轨道交通”,下面简称“城轨交通”。
城轨交通种类繁多,世界各国分类标准不一,不同的分类方法便有不同的分类结果。如按运能范围、车辆类型及主要技术特征可分为:有轨电车、地下铁道、轻轨交通、市郊铁路、单轨交通、新交通系统、磁悬浮交通共7类。
2、    为什么要发展城市轨道交通?
由于城市轨道交通有适应城市发展和节能环保的特点,所以是大城市交通的发展方向
(1) 具有较大的运输能力
单向高峰每小时的运输能力最大:市郊铁路可达到6万~8万人次;地铁达到3万~6万人次,甚至8万人次,轻轨能达到1万~3万人次,有轨电车能达到1万人次。其运力远远超过公共汽车。
(2) 准时性、速达性、安全性、舒适性都好。
(3) 充分利用地下、地上空间,且改善城市景观。
(4) 运行费用较低
采用电力牵引,轮轨摩擦阻力较小,与有轨电车,公共汽车相比节省能源和降低运行费用。
(5) 环境低污染
由于采用电力牵引,减少公共汽车的废气污染(包括其不排废气的污染和减少公共汽车后所减少的污染)。据2008年联合国环境规划署的文件称:去8公里的地方乘坐轨道交通必成坐汽车减少1700克的碳排放量。由于在线路和车辆上采取了各种降噪措施,一般不会对城市环境产生严重的噪声污染。
3、城市轨道交通如何划分技术等级?包括哪些内容?
根据线路、站台、车辆、供电、信号、运营6个项目共划分分成V级,详见以下技术等级表:
               

城市轨道交通技术等级表

项目/等级

Ⅰ级

Ⅱ级

Ⅲ级

Ⅳ级

Ⅴ级

系统类型

高运量地铁

大运量地铁

中运量轻轨

次中量轻轨

低运量轻轨

使用车辆类型

A型车

B型车

CⅠ、CⅡ型车

CⅡ型车

现代有轨电车

最大客运量(单向万人次/h

 

4.57.5

3.055.5

1.053.0

0.82.5

0.651.0

线路

线路形态

隧道为主

隧道为主

地面或高架

地面为主

地面

路用情况

专用

专用

专用

隔离或小量混用

混用为主

站台

平均站距/m

8001500

8001200

6001000

6001000

600308

站台长度/m

200

200

120

100

60

站台高低

低(高)

车辆

车辆宽度/m

3.0

2.8

2.6

2.6

2.6

车辆定员/

310

240

320

220

104220

最大轴距/t

16

14

11

10

9

最大时速/km

80100

80

80

70

4560

平均运行速度/km

3440

3240

3040

2535

1525

轨距/mm

1435

1435

1435

1435

1435

供电

额定电压/V

DC1500

DC750

DC750

DC750(600)_

DC750(600)_

受电方式

架空线

第三轨

架空线/第三轨

架空线

架空线

信号

列车自动保护

/

列车运行方式

ATO/司机驾驶

ATO/司机驾驶

ATO/司机驾驶

司机驾驶

司机驾驶

行车控制技术

ATV

ATC

ATP/ATS

ATP/ATS

ATS/CTC

运营

列车最大车辆编组

68

68

46

24

2

列车最小行车间隔/s

120

120

120

150

300

         


注:信号中ATO和ATC的含义
ATO:列车自动驾驶系统,可取代人操作列车
ATC:列车运行控制系统,包括三个子系统:
列车自动监控系统:可自动计算出最合理的列车运行时刻表,列车晚点时,进行时刻表调整等。
列车超速保护系统:监视和干预列车超速运行。
自动驾驶系统:按照节能、舒适,正点的标准娴熟地“驾驶”列车。
4、试简述国内有轨电车的昨天和今天。
有轨电车是使用电力牵引、轻轨导向,1-3辆编组运行在城市路面线路上的低运量轨道交通系统,可在城市中心穿街走巷运行,具有上下车方便的特点。1906年,我国第一条有轨电车在天津建成通车,随后在上海、北京、抚顺、大连、长春等城市相继修建通车,在当时的城市公共交通中发挥了重要的作用。
旧式有轨电车单向运能一般在1万人次/h以下,在地面与其他车辆混合运行,车速一般为10~20km/h。由于运能低、挤占道路、噪声等问题,20世纪六七十年代,世界各大城市纷纷拆除有轨电车线路。我国的有轨电车在20世纪五十年代末已拆剩无己,仅大连、长春两城市保留,而且大连还对旧式有轨电车进行了改造。
旧式有轨电车已基本上完成了历史使命,被改造后的现代有轨电车所取代。现代有轨电车与轻轨交通已很接近,运营速度接近20km/h,单向运能可达2万人次/h。车辆尺寸较小。
5、地铁列车都运行在隧道吗?其运行参数包括哪些?
地道交通是由电力牵引,轮轴导向,轴重较重,具有一定规模运量,按运行图行车的快速轨道交通系统,以隧道运行为主,也有根据城市的具体情况,运行在地面或高架线路的路轨上。
地铁的运行参数包括:单向运能,通常为3万人次/h,最高可达6万~8万人次/h;平均运行速度40km/h以上,最高可达90km/h;由4-10辆列车编组,车辆运行最小间隔可低于1.5min。
6、   地铁运输有什么特殊性?应遵循哪些地铁运输的客观规律?
地铁列车运行线路大部分在地下或高架,对可靠性、安全性和技术水平要求较高。
在运输体系的构成上,是集多专业、多工种于一身的复杂系统。因此应从运输组织、功能实现、安全保障三个方面去遵循轨道交通的客观规律。在运输组织方面,要实行集中调度、统一指挥、按运行图组织行车;在功能实现方面,在相关专业,如线路、车站、隧道、车辆、供电、通信、信号、机电设备及消防系统均应保障状态良好,运行正常;在安全保障方面,主要依靠行车组织和设备正常运行来保障必要的行车间隔和正确的行车路线。列车有时晚点或临时停车就是由于运输系统中一个或多个环节异常,待排除后,才能恢复正常行驶。
7、   地铁交通的造价有多高?国内地铁修建动态如何?
地铁造价昂贵,每千米投资在3亿~6亿元人民币。地铁虽有建设成本高、建设周期长的弊端,但同时又具有运量大、速度快、安全、准时、节省能源、不污染环境、节省城市用地的许多优点、因此,地铁适用于出行距离较长,客运量需求大的城市中心区域。一般认为,人口超过百万的大城市就应该考虑修建地铁,但也有个别例外的情况。
我国第一条地铁,1969年10月在北京建成通车,西起苹果园,东至北京站,全长24km。至2013年5月止,除北京、天津、上海、广州、深圳、香港、台北等19个城市建设有地铁外,哈尔滨、青岛、石家庄、郑州、长沙、兰州等35个城市也在建设、筹建、规划中。
8、   什么是轻轨交通?它的系统组成如何?有几种修建模式?
轻轨是行驶在轨道上的荷载相对于铁路和地铁的荷载较轻的一种交通系统,我国相关的建设标准中,把每小时单向客流量为0.6万-3.0万人次的轨道交通定义为中运量轨道交通。
轻轨交通的组成系统与地铁相同,即包括线网、轨道、车站、车辆、信号、通信等,所不同的是路轨是铺设在地面和高架路为主,所以轻轨交通投资较地铁交通少得多,每km造价约在0.6~1.8万元人民币。
轻轨有以下三类修建模式:一是改造旧式有轨电车转为现代化的轻轨,如我国大连轻轨,二是利用废弃的铁路线路建成轻轨线路,如我国上海5号线、武汉轨道交通1号线的一期工程,三是建设轻轨新线路,如中国香港。
9、悬浮列车是怎样工作的?列车有那几个系统组成?
悬浮列车是靠磁力作用,悬浮在空中运行的列车,按悬浮原理可分为吸力悬浮和斥力悬浮,前者称电磁悬浮,后者称电动悬浮。
电磁悬浮是将列车的电磁铁置于悬浮轨下方,列车两侧安置有电磁铁,当对电磁铁线圈通电时,该电磁铁与浮轨磁铁相互吸引,将列车向上吸起悬浮于轨道上,悬浮磁铁和悬浮轨悬浮面间的距离一般为10~15mm。通过控制线圈电流来控制悬浮间隙。
电动悬浮即电动斥力悬浮,列车置于悬浮轨上方,当对列车的电磁铁线圈通电时,电流的交变磁场与安装在线路上的悬浮线圈相互作用,在线圈中产生感应电流,该电流产生的磁场与列车上的电磁铁磁场相互作用产生一个向上的电动推斥力,将列车托起一定的高度(一般为100-150㎜)。
悬浮列车前进的驱动力也是电磁力,是按直线电动机原理工作的。其中分长定子同步直线电机和短定子异步直线电机。前者的悬浮电磁铁又是电机的动子,装在列车上,而装在地面轨道上的三相绕组便是电机的定子(电枢)。当定子绕组通电时,驱动电机动子运动,实现列车运行。在磁悬浮状态下,列车可以实现非接触的驱动和制动。对短定子的磁浮列车来说,电动机的定子绕组(电枢)是装在列车上的,电动机的动子(即反应板)则与轨道安装成一体。当定子绕组通电时,其移动磁场与反应板磁场相互作用,形成水平推动力驱动列车运行。
磁悬浮列车由悬浮、驱动和导向三个系统组成。它们的功能均靠磁力来完成。悬浮、驱动的功能如前所述,导向功能工作原理如下。
导向系统的功能是为磁浮列车提供一个横向力,使车体与轨道在横向不接触,实现列车导向。该横向力也分电磁吸引力和电动斥力。利用电磁吸力悬浮时,是通过悬浮电磁铁的电子调整系统去调整导向电磁铁的电磁吸力,采用对中控制方式,保证车辆与轨道之间的横向间隙为10mm。利用电动斥力悬浮时,运动的车载磁铁在非磁性的轨道中感应产生电流,磁铁与电流相互作用,使车辆的两侧与轨道产生斥力,保持车辆与轨道间的横向间隙。
由上所述,悬浮列车的工作全过程都是电生磁,磁生电的过程,基于两磁场相互作用的原理。
10、我国悬浮列车的开发应用情况如何?
我国与德国合作开发了世界第一条磁悬浮商业运营线路在上海建成,西起上海2号线的龙阳路站,东至上海浦东国际机场,全长29.86km。2002年12月31日全线试运行,2003年1月4日正式开始商业运营。列车包括车头的车箱全长27.196m,宽3.7m,中间车厢长24.768m,列车最高速度可达450km/h。从起点到终点打个来回只需要14分钟。
国内自行研发悬浮列车是从20世纪80年代开始。西安交通大学1994年10月建成我国首条43m长,4t悬浮车试验线。2009年,我国首列具有完全自主知识产权的实用型中低速悬浮列车,在中国北车唐山轨道客车有限公司下线。2012年,我国首辆商业用中低速悬浮列车在中国南车株洲电力机车有限公司下线。
11、地铁交通采用哪种电力牵引方式?如何保障供电的安全可靠?
轨道交通的电力牵引方式分交流电力牵引和直流电力牵引。地铁交通采用的是直流电力牵引,驱动车辆的是直流牵引电动机。之所以采用直流电动机是其调速方便且易于实现,如改变其端电压或调节励磁等;其次是直流串激电机具有适合列车牵引性能的特性,运行平稳;再者直流供电的牵引网电压损失和功率损失比交流牵引要小得多。除了节能之外,还保持网压稳定,有利于列车运行速度的保证,最后是城市轨道交通的车站站间距离短(1~3km),直流牵引列车的频繁启动和制动对电网干扰较小,有利于外部电源系统的电压相对维持稳定,反过来又有利于列车运行速度的保证。地铁的交通电力负荷被列为Ⅰ类负荷,即是最重要的负荷那类。为保证供电的安全可靠,采取一系列周密的技术措施和严密的组织措施。这里从供电结构设计角度,简介其保证措施。以下是地铁列车的电力牵引供电流程      从流程图可见,其各级的供电线路和变电设备都是按2套并联配置的,即“双保险”配置组合。当其中的某一线路或设备故障或检修停电时,并联的线路或设备均可以承担正常负荷不影响列车的供电。以直流牵引变电站为例,站内有2套整流设备并列运行,当其中某套设备中的变压器或整流器停电时,控制系统即将其自动解列,转由另一套正常机组供电。再以直流牵引网为例,采用的是“双边供电”方式。正常运行时,各供电区间的正线(接触网线),均由相邻牵引变电所双边供电。(车辆段内接触网另由车辆段牵引变电所供电)。当任一牵引变电所解列(退出)时,自动由相邻变电所“越区”大双边供电。当正端头的牵引变电所解列时,则由相邻的牵引变电所单边供电。可见,供电的结构配置是非常保险的。
12、地铁的钢轨电压有多高?有什么保护人身安全的措施?
钢轨电压即是钢轨电位与地之间的电位差,又称接触电压,该电压取决于钢轨的电阻大小和流过钢轨的电流大小,随着该电阻和电流的变化,该电压是不断的变化的,没有一个固定值。
地铁列车的牵引电流从接触线经车上电机由回流钢轨形成回路,接触网接电源正极,钢轨接电源负极。钢轨对地是半绝缘的,所以有小量杂散电流流入大地返回负极。钢轨的长度远远大于宽度,存在纵向电阻,牵引回流流过钢轨便在沿线路方向产生电压降,特别是在发生短路的情况下,或是供电系统中某牵引变电所解列退出运行其供电区间由相邻变电所越区供电时,再加上若存在多台列车同时启动的话,则钢轨电位会超过最大允许值,威胁人身安全。为了保护旅客和工作人员的人身安全,除装有屏蔽门外,在运输繁忙的区段,都采用了具有短路接地功能的钢轨电位限制装置。
钢轨电位限制装置可记录回流轨对接地级的电位,并钢轨电位过高时,将钢轨与接地极短时间接通,即将钢轨电压降至人身安全允许值,一定时间之后自动断开,实现限制钢轨电位。以某型的钢轨电位限制装置为例,其按电压值大小分段动作的,通常调整范围DC40V~DC120V,恢复开断的时间间隔为0~120S。当设定时间内连续动作3次后,限制装置不再恢复开断,处在常合闸状态,保持钢轨的安全电位。
必须指出的是,绝对不能对以上保护抱着依赖和侥幸的心理去碰触钢轨!这种保护只不过是万一发生意外的“后备防线”,遵守不跨越和不碰触钢轨才是最保险最安全的自我保护措施。
   
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