说说这些年的地铁“电事”

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  到目前为止,接触网供电和第三轨供电都已经走过了100多年的历史。时至今日,它们仍然是传统电气化铁路,以及城市地铁、轻轨和有轨电车系统仅有的两种供电方式。
  2012年12月30日,北京地铁6号线正式开始载客运营。相比于采用6节编组列车的其他线路,8节编组让每一列6号线列车的载客能力骤增1/3。不过,如果您足够细心,或许还会发现这条地铁线路的另一个亮点:它的列车顶部像铁路电力机车一样装有集电弓,从架设在隧道顶部的刚性接触网,也就是一根硬质金属条取得电能,与通过第三轨取电的其他线路判然不同。为什么6号线会如此有“个性”?这要从地铁电气化的时代说起。
  电力机车与地铁“联姻”
  城市地铁的历史,比电力机车要略长一些。1863年1月10日,世界上第一条地铁线路“大都会线”在英国伦敦开通。这条采用蒸汽机车牵引列车的地铁线,为缓解伦敦拥堵的交通立下了汗马功劳。它大约每15分钟一班的发车间隔,在当年已是不可思议的高效率。但蒸汽机车燃煤排出的浓烟,会对乘客健康造成极大的损害,因此这条线路不得不在沿途开启若干个排风口,以免隧道和车站里乌烟瘴气。
  几乎与此同时,以电能驱动交通工具做长途旅行,也成为科学界的研究热点之一。1879年,德国人维尔纳·冯·西门子制成了世界上第一台电力机车。它只有945公斤,体积比今天的微型面包车还小得多,可以拉动3个各装有6个座椅的“车厢”,在长约300米、轨距1000毫米的椭圆形闭合轨道上运行。这个被全世界公认为铁路电力机车,乃至地铁列车和有轨电车“祖师爷”的简陋交通工具,其动力来自行车轨道中间铺设的第三轨。装在车底的取电装置“集电靴”,可以从第三轨上源源不断地取得150伏的直流电。这就是第三轨取电技术在科学史上的首次亮相。两年以后,一条2.45公里长,基于这种供电技术的实验性电气化铁路,在柏林附近的里希特菲尔德建成。
  同样是在1881年,以接触网和集电弓形式供电的轨道交通车辆也在法国诞生。1885年,这一系统也进入实际应用阶段,为英国伦敦的有轨电车所用,与西门子的发明平分秋色。
  随着电气化铁路技术逐渐成熟,城市地铁也找到了新的动力来源。1890年,伦敦建成了第一条电气化地铁线路“都市与南伦敦线”,并在1905年陆续完成了各条旧线路的电气化改造工作。这些线路无一例外使用了第三轨供电的模式,列车通过集电靴取电。
  而在欧洲大陆,第一个拥有电气化地铁的城市是布达佩斯。1896年,为纪念匈牙利人定居布达佩斯1000周年,5公里长、设有11个站点的地铁“黄线”(1号线)作为献礼工程建成通车。用今天的标准来看,这条100多年前的地铁有些像被挪到地下的有轨电车,运力颇为有限。而且,就像人们熟悉的有轨电车一样,它是世界上第一个采用接触网供电的地铁系统。
  京津沪的不同选择
  到了20世纪,世界各地越来越多的城市开始修建地铁。这两种不同的供电系统也扩展到全世界,平分秋色。
  1965年,中国第一个地铁系统在北京开工。这是一项兼顾城市交通的战备工程,旨在预防可能的军事入侵与核战争。1969年国庆节,连接西郊和北京火车站的地铁线路建成通车。
  在北京开始建设地铁的年代,建设成本、工期和可靠性成为选择供电系统的主要影响因素。相比于接触网,第三轨的安装工艺相对简单,集电靴对第三轨的磨损也很小,而且第三轨就设在轨道旁边,断电之后,工作人员只需沿轨道步行即可维护。可以说,从安装和维护两方面来看,北京地铁采用第三轨不仅可以节约成本,而且能让地铁系统保持可靠。再加上当时北京地铁主要参照莫斯科、东柏林等城市的地铁系统采用第三轨供电,因而第三轨就成了北京的选择。
  在北京之后,天津在1970年开始兴建地铁。最初作为战备工程设计的天津地铁也使用了第三轨供电。当进入1990年,上海成为中国大陆第三个开始兴建地铁的城市。此时,国际局势已经趋于缓和,因而缓解交通拥堵取代了战备,成为地铁系统的主要任务。因此,上海地铁选择了地铁列车中最宽的A型车,采用6节编组,并为扩展成8节编组预留了车站空间。
  上海地铁对大编组和高载客量的追求,使接触网供电系统的优势开始显现出来。第三轨供电无法承受太高的电压,因为它距离行车轨道很近,如果电压过高很容易导致两者间的空气被电离,形成电弧。接触网则可以允许更高的电压,从而在电流不变的情况下,使列车可以发挥出更大的功率,并且因为高压输电而节省能源。此外,如果地铁列车在满载时发生故障,带有高压电的第三轨很容易成为乘客逃生的障碍。于是,从提升运能的角度出发,上海地铁选择了接触网供电。
  未来趋势:一山容二虎
  到目前为止,接触网供电和第三轨供电都已经走过了100多年的历史。时至今日,它们仍然是传统电气化铁路,以及城市地铁、轻轨和有轨电车系统仅有的两种供电方式。
  在一个多世纪的时间里,这两种供电方式也在不断地进步。在使用第三轨供电的地铁系统中,以电阻较小的钢铝复合轨取代老式低碳钢轨正成为趋势,改进的集电靴也使列车可以承受的速度稍有提高。而接触网也分化成弹性和刚性两大体系,分别适用于露天、隧道等不同的场合。尺有所短,寸有所长。目前看来,接触网和第三轨这两种供电方式,就技术本身而言无所谓孰优孰劣,成本和服务环境则是主要的筛选标准。在这方面,新近问世的上海地铁16号线列车或许最有发言权。
  从龙阳路到滴水湖风景区的16号线,有相当一部分路段临近东海,因而成为上海地铁中唯一一条以第三轨供电的线路。这样设计也是考虑到台风和冻雨等极端天气对线路的影响。上海地铁目前使用的弹性接触网在狂风中极为脆弱,位于海边的线路就更是如此。不过,16号线的列车也安装了作为备份的集电弓,一旦其他线路运力紧张,就可以转换供电模式成为加车。在实用性面前,两种供电模式终于达成了妥协。
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