地鐵快線接觸網(wǎng)饋電方案分析

田廣輝

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地鐵快線接觸網(wǎng)饋電方案分析

田廣輝

通過對接觸軌和架空接觸網(wǎng)饋電方案的分析比選，并結(jié)合已開通線路的運營經(jīng)驗，確定了地鐵快線不同速度目標(biāo)值時的接觸網(wǎng)饋電方案。

地鐵快線；接觸網(wǎng)；接觸軌；剛性；柔性

0 引言

傳統(tǒng)地鐵通常采用的系統(tǒng)技術(shù)最高允許運行速度為80～100 km/h，在京滬廣深等中心城市已廣泛應(yīng)用。按照我國地鐵建設(shè)的3個標(biāo)準(zhǔn)（城市人口300萬以上，GDP達到1 000億元，地方財政收入100億元），全國約有50座城市可以申請建設(shè)地鐵。隨著城市化進程的加快，城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴大，大部分城市都在向周邊的一些衛(wèi)星城市擴展，為有效解決城市交通擁堵、緩解城市環(huán)境承載壓力，大多城市在空間形態(tài)布局上已呈組團式發(fā)展特征。為滿足乘客中、長距離出行需求，一些向周邊輻射的地鐵線路最高運行速度目標(biāo)值須提高到120 km/h甚至140 km/h或160 km/h，方可達到最佳技術(shù)、經(jīng)濟和社會效應(yīng)。

目前國內(nèi)已經(jīng)開通的東莞市城市快速軌道交通2號線、廣州地鐵3號線、上海地鐵16號線、深圳地鐵11號線等最高運行速度均為120 km/h，采用DC 1 500 V供電制式。國內(nèi)部分一、二線城市正在設(shè)計和規(guī)劃的線路也采用了120 km/h的最高運營速度和DC 1 500 V供電制式。正在設(shè)計的地鐵線路如成都17號線、18號線將最高運行速度提高到140 km/h，北京新機場線則提高到 160 km/h。采用超過120 km/h的更高運行速度時，受車輛選型、站間距加大等因素影響，一般都采用AC 25 kV供電制式。地鐵線路運行速度提高后，對應(yīng)新的供電制式和更高速度要求，地鐵線路中接觸網(wǎng)通常采用的饋電方案已經(jīng)不能完全滿足系統(tǒng)的功能性要求，本文將結(jié)合已開通線路的運營經(jīng)驗，對接觸網(wǎng)饋電方案進行分析，以確定合理可行的地鐵快線接觸網(wǎng)饋電技術(shù)方案。

1 接觸網(wǎng)饋電方式

地鐵牽引供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網(wǎng)和回流線等構(gòu)成的供電網(wǎng)絡(luò)。接觸網(wǎng)的饋電形式主要有接觸軌和架空接觸網(wǎng)，其中架空接觸網(wǎng)又分為柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)；接觸軌一般僅用于隧道地鐵與封閉的城市鐵路和輕軌。除此之外架空接觸網(wǎng)還可用于鐵路干線、城市地面和工礦電機車電力牽引線路等。

1.1 接觸軌

接觸軌又稱第三軌或簡稱三軌，接觸軌系統(tǒng)是沿軌道線路敷設(shè)專為電動車輛授電的系統(tǒng)。接觸軌系統(tǒng)接觸授流部分由接觸軌、彎頭、連接板、膨脹接頭、絕緣支架或絕緣子、絕緣防護罩、中心錨結(jié)等組成。電力機車從轉(zhuǎn)向架伸出受流器通過滑靴與接觸軌接觸而取得電能。接觸軌按接觸授流位置的不同分為上部授流方式（圖1）、下部授流方式（圖2）和側(cè)部授流方式。接觸軌一般采用鋼鋁復(fù)合材料等低電阻率產(chǎn)品，國內(nèi)設(shè)計的接觸軌線路供電制式一般為DC 750 V或DC 1 500 V，新設(shè)計采用接觸軌的線路大多采用的是DC 1 500 V下部授流方式。

圖1 上接觸式接觸軌例圖

圖2 下接觸式接觸軌例圖

1.2 柔性架空接觸網(wǎng)

柔性架空接觸網(wǎng)由帶張力的柔性金屬導(dǎo)線組成，在運行過程中受電弓與接觸線保持可靠的弓網(wǎng)壓力，并進行取流。按承力索的設(shè)置情況，柔性架空接觸網(wǎng)又分為簡單懸掛（圖3）和鏈形懸掛（圖4）2種類型。

簡單懸掛方式結(jié)構(gòu)簡單，支柱高度低，支持裝置承受的負荷較輕，但是弛度大、彈性不均勻，接觸網(wǎng)取流效果差。為改善這一狀況，一般在懸掛點處增加一個倒“V”形的彈性吊索即彈性簡單懸掛，可以相應(yīng)改善懸掛點處的彈性和運行狀況。

圖3 簡單懸掛例圖

鏈形懸掛是接觸線通過吊弦懸掛到承力索上。鏈形懸掛通過吊弦使接觸線增加了懸掛點，調(diào)節(jié)吊弦可使接觸線對軌面高度保持一致，使接觸網(wǎng)彈性均勻。

圖4 鏈形懸掛例圖

1.3 剛性架空接觸網(wǎng)

剛性架空接觸網(wǎng)（圖5）是將接觸導(dǎo)線夾裝在匯流排上的一種懸掛方式，依靠匯流排自身的剛性使接觸線保持在同一安裝高度，從而取消鏈形懸掛承力索，使接觸懸掛系統(tǒng)具備最小的結(jié)構(gòu)高度，最大程度利用有限的懸掛空間。匯流排是地下線路剛性架空接觸網(wǎng)的關(guān)鍵部件，既是接觸線的懸掛支持體，也是接觸網(wǎng)的主要載流導(dǎo)體，一般采用鋁材質(zhì)。匯流排有“T”型和“П”型2種形式?！癟”型匯流排采用長夾板和螺栓固定接觸線，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易安裝和維修，當(dāng)需要更換接觸線時，必須松開所有與其相關(guān)的螺栓，既費工又費時；“Π”型匯流排利用其自身的彈性固定接觸線，匯流排底部裝配了經(jīng)特殊設(shè)計的工作導(dǎo)槽，便于專用的、彈性鉗口可張開的放線小車沿匯流排運行，大大提高了放、換接觸線速度，因此國內(nèi)剛性架空接觸網(wǎng)通常都采用“Π”型匯流排。

圖5 剛性架空接觸網(wǎng)例圖

2 接觸網(wǎng)饋電方案分析

為了保證電動車組良好的供電質(zhì)量，接觸網(wǎng)應(yīng)順直平滑，在高速行車中能始終保持正常穩(wěn)定的接觸授流，接觸網(wǎng)應(yīng)具有足夠的耐磨性與良好的導(dǎo)電性，使用壽命盡量長，并力求結(jié)構(gòu)簡單，易于施工、維護及維修。對于普通速度（時速低于100 km）的城市軌道交通線路，電力機車取流時對弓網(wǎng)（或靴軌）的動態(tài)匹配關(guān)系要求不高，接觸軌和架空接觸網(wǎng)均可滿足系統(tǒng)的性能要求。由于采用鏈形懸掛的柔性架空接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度較高，且載流能力小，同時需要配套1～4根輔助饋線和較大的隧道斷面尺寸才能滿足安裝條件，另外柔性架空接觸網(wǎng)帶有張力，雖然兩端的下錨處具備斷線制動功能，但是一旦發(fā)生鉆弓、燒融、受電弓故障等引起斷線事故，其事故影響范圍、維護和搶修工作量都相對較大。因此，城市軌道交通地下線路大部分采用接觸軌或剛性架空接觸網(wǎng)，地上線路則大多采用柔性架空接觸網(wǎng)。

國內(nèi)已經(jīng)開通運營的東莞市城市快速軌道交通2號線、廣州地鐵3號線、上海地鐵16號線、深圳地鐵11號線等項目均按120 km/h設(shè)計，其中上海地鐵16號線采用接觸軌系統(tǒng)，其余線路地下區(qū)段均采用剛性架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)。這些線路在運營初期由于調(diào)整精度不足等原因?qū)е骂l繁的拉弧放電、跳閘等事故，尤其是在膨脹接頭位置，經(jīng)過多次精細調(diào)整后已可滿足系統(tǒng)要求。蘭武線烏鞘嶺隧道段是國內(nèi)第一條在160 km/h線路上采用剛性架空接觸網(wǎng)的線路，運營初期供電質(zhì)量及受流關(guān)系并不理想，列車高速通過時尤為突出，硬點多且沖擊力大，機車受電弓離線情況頻發(fā)，受電弓拉弧非常明顯，運營期間導(dǎo)致為其供電的深溝牽引變電所213、214開關(guān)頻繁跳閘（2007年度：213開關(guān)跳閘44次、214開關(guān)跳閘48次，累計停時148 min，跳閘原因91%為受流關(guān)系；2008年度：213開關(guān)跳閘36次、214開關(guān)跳閘41次，累計停時112 min，跳閘原因85%為受流關(guān)系；2009年度：213開關(guān)跳閘33次、214開關(guān)跳閘37次，累計停時97 min，跳閘原因84%為受流關(guān)系），3年間共發(fā)生跳閘237次，重合成功133次，累計停時357 min，對行車安全產(chǎn)生較大影響。前期安裝精度不足及后期線路沉降引起導(dǎo)線高差變化較大是產(chǎn)生拉弧跳閘的主要原因，后期通過對膨脹接頭、關(guān)節(jié)、中錨、剛?cè)徇^渡等位置進行定位補強及精細調(diào)整導(dǎo)線高差后方能滿足正常的運營要求。

地鐵快線運行速度超過100 km/h以后，高速運行的受電弓（或集電靴）與架空接觸網(wǎng)（或接觸軌）之間的動態(tài)配合關(guān)系是最關(guān)鍵的控制因素。運營實踐表明，當(dāng)運營速度未超過120 km/h時，只需滿足相應(yīng)的精度要求保證導(dǎo)線（或接觸軌）的平直度，確保弓網(wǎng)（或靴軌）的動態(tài)可靠接觸，接觸軌和架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)即可滿足運行速度要求。由于接觸軌和剛性架空接觸網(wǎng)低彈性的特性，對其安裝和調(diào)整的精度要求極高，尤其在接觸軌的膨脹接頭及斷軌處，剛性架空接觸網(wǎng)膨脹接頭（或關(guān)節(jié)）、中錨及剛?cè)徇^渡等位置的安裝和調(diào)整精度均有極高的要求。為了增強高速運行時受電弓與剛性架空接觸網(wǎng)之間的動態(tài)跟隨性，減少接觸線和碳滑板的磨耗，在運營速度超過100 km/h地鐵快線的懸掛點處都采用了彈性支撐裝置。當(dāng)運營速度超過 120 km/h以后，接觸軌已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求，增加彈性后的剛性架空接觸網(wǎng)理論上可以滿足更高的運行速度要求，國內(nèi)有些鐵路項目已經(jīng)采用了160 km/h的剛性架空接觸網(wǎng)，瑞士采用剛性架空接觸網(wǎng)的線路運營速度已達到250 km/h。采用鏈形懸掛的柔性架空接觸網(wǎng)，由于其具有較好的彈性，受電弓高速運行時動態(tài)跟隨性好，弓網(wǎng)關(guān)系匹配良好，理論上可以滿足更高的運營速度，目前國內(nèi)已經(jīng)開通了多條最高運營速度達350 km/h的線路。

各種饋電方案的主要優(yōu)缺點對比見表1。

表1 各種饋電方案優(yōu)劣對比表

3 結(jié)語

通過上述分析并結(jié)合實際運營經(jīng)驗，運營速度在120 km/h及以下時，采用接觸軌和架空接觸網(wǎng)均能夠滿足系統(tǒng)需求，地下區(qū)段受隧道斷面影響等原因一般宜采用接觸軌或剛性架空接觸網(wǎng)，但在速度超過100 km/h的線路上，必須嚴格控制導(dǎo)線高度的變化、嚴格控制施工精度，剛性架空接觸網(wǎng)還需要增加懸掛點的彈性。當(dāng)速度超過120 km/h時，只適宜采用帶彈性支撐裝置的剛性架空接觸網(wǎng)或柔性架空接觸網(wǎng)，采用剛性架空接觸網(wǎng)時必須要合理選擇膨脹接頭（或關(guān)節(jié)）的類型，并精確控制施工誤差。運營速度超過120 km/h的地鐵快線剛性和柔性架空接觸網(wǎng)均能夠滿足系統(tǒng)要求，但在設(shè)計中還需要根據(jù)具體運營速度并結(jié)合隧道斷面、工程造價、運營維護等因素綜合分析比選確定最終的選型方案。由于地鐵客流量大，發(fā)車密度高，對系統(tǒng)的載流能力、穩(wěn)定性、可靠性、安全性等方面要求更高，鑒于剛性架空接觸網(wǎng)具備載流量大、結(jié)構(gòu)簡單、事故影響范圍小、維護工作量小等優(yōu)點，地下區(qū)段在滿足動態(tài)弓網(wǎng)匹配關(guān)系的前提下宜優(yōu)先采用剛性架空接觸網(wǎng)饋電方式。

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By comparison and selection of power feeding schemes for both contact rail and overhead contact system, with connection of operational experience from the operation lines, the paper finalizes the overhead contact system power feeding schemes for the subway express under different targeted speeds.

Subway express; overhead contact system; contact rail; rigid suspension; flexible suspension

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0010-04

2017-01-03

田廣輝.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，高級工程師，電話：18011301681。