馮 超

市域快線隧道內(nèi)接觸網(wǎng)選型研究

馮 超

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010）

市域快線介于國鐵和地鐵之間，具有國鐵快速、站間距大的特點，也具有地鐵客流量大、公交化運營的特點。作為軌道交通列車受流的關(guān)鍵設(shè)備，合理的接觸網(wǎng)選型是保證軌道交通安全、可靠運行的重要前提之一。本文假設(shè)最高運行時速160km/h，結(jié)合市域快線的運行特征，對比架空柔性接觸網(wǎng)及架空剛性接觸網(wǎng)兩種方案的優(yōu)缺點，最終給出了接觸網(wǎng)選型建議，推薦市域快線隧道內(nèi)采用架空剛性接觸網(wǎng)。

城市軌道交通；牽引供電系統(tǒng)；接觸網(wǎng)選型；架空剛性接觸網(wǎng)；架空柔性接觸網(wǎng)

0 引言

市域快線跨越中心城區(qū)和城郊，介于國鐵和地鐵之間，總體而言兼顧了高速和高密度的特點，速度快、站間距大、客流量大和運行服務(wù)等級高。

市域快線，其建設(shè)目的是連接新發(fā)展城區(qū)和核心城區(qū)，縮短城區(qū)間的間距，時空目標(biāo)要求高，速度目標(biāo)達(dá)到160km/h，客流密度大。新發(fā)展城區(qū)一般距離核心城區(qū)較遠(yuǎn)，所以市域快線距離較長，跨越郊區(qū)，車站數(shù)較少，站間距大。

由于速度等級高，供電制式選型一般為AC 25kV牽引供電方式。

以廣州市軌道交通18號線和22號線為例，兩條線跨越廣州市天河區(qū)、海珠區(qū)、荔灣區(qū)、番禺區(qū)和新發(fā)展南沙區(qū)，時空目標(biāo)從南沙到廣州東站30min，最高時速160km/h，平均站間距7.6km，全地下敷設(shè)，牽引供電系統(tǒng)采用AC 25kV。

1 接觸網(wǎng)形式的發(fā)展和現(xiàn)狀調(diào)查

就接觸網(wǎng)形式而言，主要有架空柔性接觸網(wǎng)、架空剛性接觸網(wǎng)和接觸軌3種形式。3種形式皆有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟，目前架空柔性接觸網(wǎng)國內(nèi)高速客運專線設(shè)計時速已達(dá)到350km/h，國外最高試驗速度已達(dá)到500km/h；架空剛性接觸網(wǎng)目前最高運營速度250km/h，最高試驗速度已超過300km/h；而接觸軌系統(tǒng)最高運營速度可達(dá)160km/h。市域快線最大運營速度160km/h，由于國內(nèi)目前還沒有適用于接觸軌的車輛選型，僅針對架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)展開研究。

表1 接觸網(wǎng)形式調(diào)查表

從表１[1]統(tǒng)計可以看出，無論是架空柔性接觸網(wǎng)還是架空剛性接觸網(wǎng)在國內(nèi)外均有應(yīng)用，具有相關(guān)建設(shè)及運營經(jīng)驗。

2 架空柔性接觸網(wǎng)方案

2.1 懸掛類型及導(dǎo)線組成

架空柔性接觸網(wǎng)示意圖如圖1所示，線材包括接觸線、承力索、輔助饋線和回流線等。正線采用全補償簡單鏈形懸掛方式。載流截面由行車密度、供電方式等因素確定，一般每條正線需架設(shè)4到5根導(dǎo)線。支持結(jié)構(gòu)采用絕緣旋轉(zhuǎn)腕臂[2]。

圖1 架空柔性接觸網(wǎng)示意圖

全線采用簡單鏈形懸掛，正線采用承力索+接觸線+加強線+回流線組合；正線配線采用承力索+接觸線組合。

2.2 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

接觸線高度的選擇應(yīng)根據(jù)機車受電弓的工作高度范圍、最佳工作狀態(tài)和對地的絕緣距離等因素綜合確定。接觸線懸掛點高度不宜小于5 300mm，最低導(dǎo)高不得小于5 150mm。

架空柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為950～1 200mm，需根據(jù)隧道凈空而定[3]。

跨距的選擇，需滿足最大允許風(fēng)偏，隧道內(nèi)主要是活塞風(fēng)，最大允許風(fēng)偏不大于450mm，直線段最大跨距55m，曲線段跨距需結(jié)合曲線半徑而定，市域快線由于速度等級高，線路曲線最小半徑一般大于600m，對應(yīng)跨距最大可選擇45m。

拉出值的選擇，應(yīng)結(jié)合受電弓碳滑板寬度確 定[4]。經(jīng)調(diào)研，AC 25kV受電弓碳滑板寬度一般大于1 500mm，考慮到最大允許風(fēng)偏量和車輛橫向振動量，最大拉出值可選擇300mm。曲線上拉出值的選取盡量保證導(dǎo)線與受電弓運動軌跡相割[5]。

架空柔性接觸網(wǎng)錨段長度，一般情況下不大于1 400m，困難情況下不大于1 600m[6]。

3 架空剛性接觸網(wǎng)方案

3.1 懸掛類型及導(dǎo)線組成

架空剛性接觸網(wǎng)示意圖如圖2所示。線材主要包括接觸線和回流線等。由于匯流排本體可以承載電流，因此，可以取消柔性懸掛中的承力索和輔助饋線，使接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變得簡單緊湊，極大地方便運營管理和維修。

圖2 架空剛性接觸網(wǎng)示意圖

3.2 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

接觸線高度同架空柔性接觸網(wǎng)，接觸線懸掛點高度不宜小于5 300mm，最低導(dǎo)高不得小于5 150mm。

架空剛性接觸網(wǎng)安裝空間不大于1m。

跨距的選擇，相比較于架空柔性接觸網(wǎng)，剛性接觸網(wǎng)跨距較小，一般為8m。

弓網(wǎng)運行過程中，剛性接觸網(wǎng)的偏移忽略不計，拉出值的選擇僅考慮車輛橫向振動和碳滑板寬度，理論上剛性接觸網(wǎng)的拉出值比柔性更大，最大可選擇450mm，實際工程中考慮到受電弓的平衡性，一般選擇300mm。

錨段關(guān)節(jié)處，關(guān)鍵點在于兩支間距和兩支高差，間距越小、合理穩(wěn)定的高差是追求目標(biāo)，推薦采用膨脹元件，縮短兩支間距，僅有40mm，兩支高差也可以保證。

架空剛性接觸網(wǎng)錨段長度，主要取決于膨脹元件的補償量和錨段的伸縮量，采用1m補償量膨脹元件時，錨段長度可選取624m[8]。

4 方案比選

4.1 運行可靠性

由表2可知，架空柔性接觸網(wǎng)零部件種類和數(shù)量更多，組成復(fù)雜，相比而言架空剛性接觸網(wǎng)零部件種類和數(shù)量較少。

表2 剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)對比表

架空柔性接觸網(wǎng)通過下錨裝置使接觸線和承力索帶張力，架空剛性接觸網(wǎng)不帶張力。

架空剛性接觸網(wǎng)接觸線卡在匯流排內(nèi)，由于匯流排和接觸線無軸向力，斷排或斷線概率極小，運行可靠性較高。

架空柔性接觸網(wǎng)，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有可能出現(xiàn)鉆弓、燒融、不均勻磨耗以及受電弓故障造成斷線故障，所以柔性接觸網(wǎng)的可靠性相對較低。

4.2 弓網(wǎng)質(zhì)量

弓網(wǎng)受流質(zhì)量是衡量接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，架空柔性接觸網(wǎng)跨距長，接觸線馳度大，與受電弓的機械匹配性較強，適用于高速運行線路；架空剛性接觸網(wǎng)跨距小，接觸線卡在匯流排內(nèi)，受電弓滑過時上抬量很小，在列車運行達(dá)到一定速度時受電弓波動強度大，遇到硬點易發(fā)生燃弧[9]。

架空柔性接觸網(wǎng)國外采用鏈形懸掛時列車的最高試驗速度已達(dá)到500km/h，國內(nèi)高速客運專線設(shè)計時速已達(dá)到350km/h；架空剛性接觸網(wǎng)國外最高運行速度為250km/h，國內(nèi)中天山、關(guān)角等隧道采用架空剛性懸掛設(shè)計最高時速160km/h，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高運行速度為140km/h，目前受流質(zhì)量良好[10]。

對兩種形式的接觸網(wǎng)進(jìn)行仿真實驗，最高運行時速160km/h，架空柔性接觸網(wǎng)按承力索截面積95mm2、張力12 000N，接觸線截面積120mm2、張力12 000N，得到以下結(jié)果，如圖3和表3所示。

圖3 架空柔性接觸網(wǎng)仿真結(jié)果

表3 架空柔性接觸網(wǎng)方案的接觸力統(tǒng)計值

架空剛性接觸網(wǎng)，按照截面積2 213mm2匯流排+接觸線截面積120mm2的組合[11]，得到結(jié)果如圖4和表4所示。

從表3和表4可以看出，柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)均能滿足受流質(zhì)量的要求，架空剛性接觸網(wǎng)在錨段關(guān)節(jié)處有較大波動，架空柔性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差更大。

圖4 架空剛性接觸網(wǎng)仿真結(jié)果

表4 架空剛性接觸網(wǎng)方案的接觸力統(tǒng)計值

以上的仿真分析均假設(shè)受電弓碳滑板是完好無損的，但在實際過程中由于彈性因素的影響，架空剛性接觸網(wǎng)更容易導(dǎo)致受電弓碳滑板的磨耗，造成受電弓磨耗不均勻，從而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。而架空柔性接觸網(wǎng)下受電弓的磨耗更加均勻，有利于保證弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

4.3 對土建的影響

架空柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為1 200mm，困難時不小于950mm，再加上絕緣距離至少300mm，安裝凈空要求不低于1 250mm；架空剛性接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)高度最小為650mm。兩種安裝形式均能滿足隧道凈空的條件，架空剛性接觸網(wǎng)更節(jié)省凈空。

架空柔性接觸網(wǎng)特點是下錨補償裝置，為不降低受力性能，土建需要局部擴挖，對土建影響較大。

隧道內(nèi)架空柔性接觸網(wǎng)示意圖如圖5所示。隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)示意圖如圖6所示。

4.4 運營維護(hù)

架空柔性接觸網(wǎng)零部件較多，承力索和接觸線之間用吊弦固定，接觸線直接與受電弓接觸振動較多，承力索相對固定，吊弦位于兩者之間容易散股斷裂。再者，由于導(dǎo)線帶張力，允許磨耗量小，需要重點檢查，故架空柔性接觸網(wǎng)維護(hù)量大，維護(hù)費用高。

架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，接觸線不帶張力，且錨段長度短，事故影響范圍小，且剛性接觸網(wǎng)本身抗事故能力強，剛度大，穩(wěn)定性好，接觸線的允許磨耗量大，接觸懸掛幾乎不會偏移，運營巡檢頻次大大降低，所以架空剛性接觸網(wǎng)維護(hù)量小，維護(hù)費用低。

圖5 隧道內(nèi)架空柔性接觸網(wǎng)示意圖

圖6 隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)示意圖

5 結(jié)論

架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)均能滿足市域快線的功能需求，架空柔性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢在于受電弓磨耗更優(yōu)，架空剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢在于可靠性和免維護(hù)性高。

與架空柔性接觸網(wǎng)相比，架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流質(zhì)量略差，但也滿足要求，通過提高幾何參數(shù)精度也可以保證較高的受流質(zhì)量，從全生命周期的角度考慮，可靠性和免維護(hù)性是更重要的考慮因素，尤其是公交化運營特性的市域快線，推薦市域快線隧道采用架空剛性接觸網(wǎng)。

[1] 何肖, 顧保南. 我國大陸各城市軌道交通線路旅行速度統(tǒng)計分析——基于中國城市軌道交通協(xié)會數(shù)據(jù)分析的研究報告之七[J]. 城市軌道交通研究, 2020, 23(1): 1-5.

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[4] 艾東兵. 城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)拉出值優(yōu)化[J]. 城市軌道交通研究, 2018, 21(7): 50-53, 57.

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Research on type selection of catenary in city express rail tunnel

FENG Chao

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010)

The urban express line, between the national railway and the subway, has the characteristics of fastness and large station spacing, as well as the characteristics of large subway passenger flow and bus operation. As the key equipment for rail transit trains, reasonable catenary selection is one of the important premises to ensure the safe and reliable operation of rail transit. This article assumes a maximum operating speed of 160km/h, combined with the operating characteristics of the urban express line, compares the advantages and disadvantages of the two solutions of overhead flexible and overhead rigid catenary, and finally gives suggestions for contact network selection: Overhead rigid catenary.

urban rail transit; traction power supply system; catenary selection; overhead rigid catenary; overhead flexible catenary

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1201102）

2020-05-27

2020-07-13

馮 超（1988—），男，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通供電設(shè)計工作。