一种有轨电车第三轨供电结构的制作方法

本发明是将高速动车空中架设供电电缆变为地面铺设电缆的一种设计结构，也是对目前地铁等有轨电车“第三轨”供电系统的改良、改进。

背景技术：

动车组是一种带动力的列车（简称动车）和不带动力的车辆(拖车)组成的、在正常使用寿命周期内始终以固定编组运行、不能随意更改编组的一组列车。动车组按动力类型分为：内燃动车组和电力动车组。在中国将时速300以上的动车组跑的线路叫高铁，即：高速铁路。中国铁道部将所有引进国外技术、联合设计生产的中国铁路高速（crh）车辆均命名为“和谐号”。

按技术继承关系，我国高速动车组列车有三条主要的发展脉络:四方庞巴迪(bst)高速动车组系列、中车四方股份高速动车组系列以及中车长客、唐车高速动车组系列。

根据技术发展脉络，我国crh动车组列车可以分为三代：国外技术直接引进生产的第一代；国外技术经消化、吸收再创新后生产的第二代；自主正向研发、拥有完全知识产权的第三代高速动车组列车。第三代高速动车组列车：是由中国铁路总公司主导，中国铁道科学研究院技术牵头，中国中车联合高校科研单位以中国标准，自主正向研发的高速动车组，又称为“中国标准动车组”，主要包括中车四方股份研发的cr400af系列和中车长客股份、唐车公司研发的cr400bf系列。

正值我国经济高速发展的时期，为了满足我国日益增长的运力需求，我国制定了铁路电气化的中长计划，新建电气化铁路、旧有线路电气化改造数量巨大。电气化铁路虽然一次投资较大，但是电气化后完成的运量大，运输收入多，运输成本低。运输成本的降低，主要是电力机车动车直接利用外部电源、构造简单、摩擦件少、购置费低、使用寿命长，因而包括能源费、维修费、折旧费的机务成本低；机车车辆周转快，设备利用率高；客运电力机车动轴少、轴重轻，由提速而增加的工务成本也较少；空调客车、冷藏车日起触网供电，较加挂发电车节省费用和运力。

高铁目前使用集电弓构造与高架电缆保持轻度的接触给高铁供电。当列车停驶时，集电弓可以收下来。集电弓是从较为简单的集电杆发展出来的，不少电动巴士（无轨电车）和有轨路面电车，仍然使用集电杆。电气化铁路车辆另一种集电的方式是使用第三轨，此种方式多于用地下铁路。地铁采用直流电作供电，高铁车身和架空电缆需要较高的交流电作供电。新材料、自动化控制技术广泛应用于高铁等高端制造，为电车的供电系统提供更好的技术支持。

目前新建的高速车电气化线路一般需要有高架线——即将列车供电电缆悬挂于空中，这种供电构造需要耗用巨量钢材作为电线支架。低速地铁安装于轨道外侧的集电靴，连接电缆在地铁铁轨外部侧面，体积较大，对连接杆的技术要求较高，对地面基质硬度等要求比较高，建设工程量也不小，另外还需要轨道以外额外的占地面积。为什么没有将高速列车的供电电缆没有像一些地铁置于轨道侧面呢。高铁的高速度对连接杆和供电电缆的布置要求很高，以及安全原因、技术原因、材料原因，工程造价等等都制约着新技术的发展、应用。

现在已有一些类似的技术方案，但是，考虑到制造工艺、工程施工难度、铺设后的安全性，目前依旧没有成熟方案实施。

裸露的电缆具有极大危险性，在地面的裸露电缆可以用于实验线路，但是在正式运营的线路，电缆可能的漏电情况会对检修人员、行人，甚至一些动物造成危害，树枝杂物等因风吹等原因搭在裸露电缆上面也会导致短路、火灾等事故。本发明就高速列车供电电缆变为地表铺设的可能性进了一种设计尝试，如果设计能够变为现实，将会创造巨大的经济效益，造福社会。

技术实现要素：

（1）目的：本发明的目的在于，通过一种简单设计，实现有轨电车的供电结构底部安装，实现电力供应系统安装于地面。

（2）技术方案：通过在地面铺设有轨电车的供电电缆的支撑保护结构，实现有轨电车供电电缆从目前的空中架设，改变为地面安装。

结构为将输电电缆嵌于其中的支撑保护结构，或者在电缆外面包裹绝缘层。电缆外壁结构绝缘，供电电缆镶嵌（或者被包裹）于其中，保护结构有一面有开口，裸露部分输电电缆，通过有轨电车、地铁等安装于车辆底部的微型“集电弓”类连结装置结构为有轨电车、地铁供电。

结构安装于枕木或者专门的基座之上，平行于轨道。在保护材料开口裸露输电电缆处形成一定厚度，轨道车辆的连接装置需要探入保护材料一段距离实现供电，保护材料使电缆不直接接触外界，提高使用安全度。

（3）有益效果：

2008年8月，我国第一条高铁——京津城际高铁开通运营，标志着中国高铁时代正式到来。从通车总里程来看，截至2018年底，中国高铁营业里程达到2.9万公里，超过世界高铁总里程的三分之二，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。

我国高铁建设的中长期规划方案为2016年出版的《中长期铁路网规划》。对于中长期高铁建设，规划提出了“八纵八横”建设目标，即构筑纵向和横向分别为8条线路的高速铁路网。据统计，“八纵八横”规划总里程达4.56万公里，截至2018年12月，已开通里程2.9万公里，占比63.64%，预计2019-2020年开通里程分别为3524公里和1737公里。未建规划里程近11596公里，占比25.41%。

地铁、高速动车组供电电缆变为地面铺设同以前的高架线相比较会有明显的优势，其大概可以归结为：

①节约大量钢材等基础建设原材料。

粗略估算，按目前电动列车沿路单侧架设高架线支架，高线支架30米一个，3万公里电气化铁路需支架100万个，按每个支架100公斤，需要钢材10万吨，同时，涉及到钢构架安装、保护用的水泥、油漆等配套、防护材料也会是相当大的数量。新设计可以使高速车供电系统整体的建设成本大大降低。

②节约大量电能。

供电电缆架在空中还额外需要技术结构解决电缆下垂问题，如通过增加重物悬挂拉伸电缆结构解决重力、热膨胀等导致的电缆下垂问题，且电缆粗细、重量都受限制，也增加建设、维护难度。电缆电热计算公式：q=u^2t/r，又因为电阻r与电缆粗细成反比，高架线因自身重量使得电缆线粗受限，电能使用率极低，假设将“落地”铝合金或者铜电缆变粗3倍，仅此或可使原先浪费的电能减少至1/3，电阻r与电缆长度成正比，分段进行电力供应也可以节约大量电能。

③生产工艺大大简化。

设计的结构可以像生产普通电缆一样，采用挤包电缆类似的生产工艺，实现流水化、自动化作业，大大提高生产效率。动车供电系统作为一个应用范围极为广泛的技术，从生产、施工角度，每增加一个部件，增加一个施工工序，都会相应增加技术标准与技术要求，增加相应的检查检验程序，增加相应的维修维护。上述改进型这种结构大大简化相关生产以及存放和运输难度，也就大大降低成本，使得工程造价大大降低，具有推广价值。

④铺设成本低，维护费用低。

高铁的建设包括土建、铺轨、电气化施工、调试、通车。安装、架设高速动车供电电缆高架线支架需要大量的人力，以及相应的运输、起吊设备，在山区、沙漠等特殊地带还要选择（或者修建）合适的地基。改为地面铺设式设计，将使高速列车供电系统的安装、建设成本大大降低，节约大量人力、物力、资金。柔性材料绝缘材料制造的新型“第三轨”，可以将其缠绕滚轮存放运输，也可以像铺设普通电缆线一样，通过滚轴拖拽电缆铺设，大大提高建设效率。新方案维修方便，更换简单，维修因雨、雪，以及泥石流、地震等灾害造成的供电线路的损害成本也将大大降低。从工程施工角度，降低产品复杂程度，减少组成构件，精简优化施工工艺，也是工程施工的改进方向。

另外，将铺设在地面的供电电缆包裹（或者内嵌）于绝缘保护层内，可以最大限度的减少电缆与外界接触的可能，增加电缆使用过程中的安全性。

新设计在使用安全性、生产工艺的自动化流水化、生产成本，以及铺设、维修维护、使用成本等方面比已有技术具有飞跃的巨大进步！

（4）附图说明：

图1是目前地铁等陆地供电“集电靴”结构示意图。

图2是“集电靴”沿电缆接线剖面结构示意图。

图3是本发明一个应用具备固定基座结构横剖面结构示意图。

图4是本发明一个应用有可拆解固定卡座结构横剖面结构示意图。

图5是本发明一种可拆解z型固定卡座主视侧视示意图。

图6是本发明一个应用安装后俯视示意图。

图7是本发明一个应用卷成卷存放状态示意图。

图8是本发明一个应用安放于滚轮的电缆卷铺设示意图。

（5）具体实施方式：

目前地面供电装置结构是集电靴结构，由防护罩体1，绝缘座3，基座4，电缆5，触头6，连电接杆7组成，见图1，图2。集电靴安装于铁轨的外侧，有一面裸露的方形导线条。地铁侧向有连电接杆7，通过触头6与电缆连接，接受供电。

新的设计，连电接杆7和触头6这类输电装置安装于有轨电车车体底部，向下伸向电缆5。在电缆5外面包裹一层或多层绝缘保护层2，如图4，也可以将电缆嵌入有u型槽的成型绝缘保护结构如图3。绝缘保护层2平行于火车轨道9，铺设在两条铁轨9中间，如图6。与绝缘保护层2一体的固定基座11（如图3）或者单独的固定卡座12（如图4、图5），可以通过固定螺栓孔13将绝缘保护层2和包裹（或者镶嵌）其中的电缆5铺设在铁道枕梁10之上。整个结构的建设，可以类似于轨道9的铺设，新建项目可以在轨道9建设时一起施工。整个结构的保护装置材料，需绝缘、可以有一定的柔韧性，需要坚固耐用。

电缆5包裹在绝缘保护材料构成的绝缘保护层2之中。如果绝缘保护层2是柔性材料，电缆5也设计成可以弯曲的，那么，整个结构可以像普通电缆一样卷成卷保存，如图7。施工时可以像铺设电缆一样铺设。如图8。

可以通过垫片或者专用的调整座来调整设计的高度使得电缆5距地面高度适宜。绝缘保护层2有一面有平行于铁轨9的长条形u型开口槽8，嵌入式的该类设计，u型开口槽也是电缆嵌入绝缘保护层2的入口。开口槽可以裸露部分电缆5，触头6需要在开口槽8处探入电绝缘保护层2一部分才能连接电缆5，此结构能够部分防止人或者动物误触电缆5。绝缘保护层2在开口槽8处有横向漏水孔或者漏水槽14，避免在开口槽8内积雨积水。

列车设计也要做相应的改动。新方案要求高速列车需要通过车底探出连电接杆7，通过电缆接触体6与供电电缆5相接触。连电接杆7、电缆接触体6连接轨道车辆和供电电缆5实现给电车供电。

考虑到金属电缆的热膨胀，两段电缆的接头可以是平滑的斜面结构，两根电缆接头不固定搭接在一起，热膨胀后接头处电缆可以自由移动。采用分段供电，每段电缆可以分别独立供电，各段电缆可以是断开的非接触形式。在火车站路段，可以采用低压供电确保旅客及地面工作人员安全。如果地铁、高速车自带备用动力，在部分线路断电的情况下，机车依然可以正常运行。对于岔道，也可以通过地下电缆将被铁轨分隔开的电缆相连。系统应该有短路、断电保护装置，各个路段安装监控设备可以随时监测电压、路况等情况，以求最快发现异常状况，及时进行维修，防止长时间断电、停电情况的出现。