成都軌道交通13號(hào)線電分相段平縱斷面設(shè)計(jì)研究*

張 浩 周虎利 吳明超

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)， 710043， 西安； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)， 710043， 西安∥第一作者， 高級(jí)工程師)

為適應(yīng)城市空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升，城市軌道交通涌現(xiàn)出越來越多的市域軌道交通快線(以下簡(jiǎn)稱“市域快線”)。線路等級(jí)速度為100 km/h或120 km/h的線路采用直流供電方式，不涉及電分相。當(dāng)速度等級(jí)進(jìn)一步提高到140 km/h及以上時(shí)，交流供電相比直流供電更能適應(yīng)線路運(yùn)營(yíng)的需求，采用交流供電方式的市域快線必須設(shè)置電分相。

電分相在國(guó)鐵線路中應(yīng)用廣泛且成熟。國(guó)鐵線路采用統(tǒng)一的單向工頻交流25 kV供電方式，站間距大，列車的運(yùn)行速度高。在電分相區(qū)段內(nèi)列車需斷電惰行，由此產(chǎn)生速度損失，對(duì)運(yùn)營(yíng)有較大影響。與國(guó)鐵線路相比，市域快線的站間距一般較小，列車運(yùn)行速度較低，電分相無電區(qū)長(zhǎng)度占整個(gè)區(qū)間的比例較大，其對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響更為嚴(yán)重。因此，本文依托成都軌道交通13號(hào)線項(xiàng)目，著重研究如何選擇合理的區(qū)間位置設(shè)置電分相，并結(jié)合設(shè)置條件優(yōu)化調(diào)整線路的平縱斷面，使列車可以較高的速度通過，減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響[1-2]。

1 成都軌道交通13號(hào)線工程項(xiàng)目概況

1.1 線路概況

13號(hào)線是成都市“中心穿越、全局覆蓋、遠(yuǎn)景預(yù)留、互聯(lián)互通”的市域快線網(wǎng)的重要組成部分，全長(zhǎng)99.7 km，設(shè)站39座。該線采用8節(jié)編組的A型車，線路等級(jí)速度為140 km/h。牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻25 kV交流制、帶回流線的直接供電方式，接觸網(wǎng)采用架空柔性接觸網(wǎng)[3-4]。

13號(hào)線分兩期進(jìn)行建設(shè)，其中：一期工程位于城區(qū)，長(zhǎng)度29.1 km，設(shè)站21座，全為地下線路，因平均站間距較小，為1.39 km，故線路等級(jí)速度定為100 km/h；二期工程位于兩端的郊區(qū)，平均站間距為3.92 km，線路等級(jí)速度定為140 km/h。

1.2 供電方案

根據(jù)牽引供電需要，在13號(hào)線一期工程兩端設(shè)置培風(fēng)和龍泉2座牽引所，牽引所間設(shè)置新南門分區(qū)所，實(shí)現(xiàn)越區(qū)支援供電。13號(hào)線一期線路的供電范圍如圖1所示。

圖1 成都軌道交通13號(hào)線一期正線供電范圍示意圖

在交流25 kV供電制式下，供電臂可以滿足15～20 km的供電需求。由于三相交流電的相位不同，因此，必須在2個(gè)變電所及分區(qū)所出口處設(shè)置電分相裝置，實(shí)現(xiàn)不同相位電壓的隔離，所設(shè)置的電分相分別位于老馬堰站—培風(fēng)站區(qū)間、新南門站—望江路站區(qū)間、公園大道站—龍華寺站區(qū)間[5-6]。

2 電分相設(shè)置

2.1 電分相設(shè)置形式

從減少列車速度損失、降低工程投資等角度考慮，推薦采用帶中性段的6跨關(guān)節(jié)式電分相，中性段長(zhǎng)度一般為120 m，無電區(qū)長(zhǎng)度不大于60 m，如圖2所示。

注：1—隔離開關(guān)；2—支柱；3—下錨補(bǔ)償裝置；4—絕緣子。圖2 6跨關(guān)節(jié)式電分相示意圖

圖3為電分相按TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、TB/T 3197—2018《車載控制自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》的規(guī)定設(shè)置標(biāo)識(shí)牌和地面磁感應(yīng)器。圖3中，a為中性段兩端垂直投射到鋼軌上的位置至第1個(gè)磁感應(yīng)器G2(或G3)的距離為a；b為第1個(gè)磁感應(yīng)器G2(或G3)至第2個(gè)磁感應(yīng)器G1(或G4)的距離[7-8]。

如圖3所示，列車運(yùn)行至中性段前G1磁感應(yīng)器處時(shí)，由右側(cè)接收設(shè)備接收到的定點(diǎn)信號(hào)判定為預(yù)告信號(hào)，列車控制系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)告模式；牽引控制系統(tǒng)控制牽引電機(jī)電流平穩(wěn)下降至0，斷開輔助供電系統(tǒng)，然后斷開主斷路器。列車運(yùn)行至中性段前G2磁感應(yīng)器處時(shí)，若列車仍未完成斷電，則強(qiáng)迫斷電信號(hào)起作用，牽引控制系統(tǒng)立即封鎖牽引電機(jī)電流，并斷開主斷路器。

圖3 電分相處電磁枕設(shè)置示意圖

參照TB/T 3197—2018《車載控制自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》的規(guī)定，本文取a=35 m，b=170 m進(jìn)行檢算[9]。

2.2 信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置

在適當(dāng)位置設(shè)置信號(hào)機(jī)，使列車能在分相區(qū)防護(hù)信號(hào)機(jī)前加速，列車在進(jìn)入無電區(qū)前具有足夠的動(dòng)能，可以較高的速度惰行通過分相區(qū)。電分相處信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示，其中：L2=2a+2b+L中性段(L中性段為中性段的長(zhǎng)度)。

圖4 電分相處信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置

以上是結(jié)合電分相設(shè)置形式，在適當(dāng)位置安裝信號(hào)裝置，從設(shè)備功能方面，為列車能夠以適合的速度通過電分相創(chuàng)造條件。下面通過優(yōu)化線路平縱并結(jié)合牽引計(jì)算從設(shè)計(jì)方面，改善列車行駛條件，使列車可以較高速度通過，以減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

3 線路平縱斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 不同坡度對(duì)速度、距離、時(shí)間的核算

考慮到列車在區(qū)間停車及恢復(fù)自啟時(shí)，若駛?cè)敕窒鄥^(qū)速度較小，就可能會(huì)在分相區(qū)內(nèi)停車或駛出速度較小，對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響。為保證列車駛?cè)敕窒鄥^(qū)的速度較高，需針對(duì)分相區(qū)內(nèi)不同坡度情況下列車的速度、距離、時(shí)間進(jìn)行核算，如表1所示。

3.2 電分相設(shè)置原則

根據(jù)表1，本文總結(jié)出電分相所在區(qū)間的線路平面和縱坡設(shè)置原則如下：

1) 線路坡度越緩，列車速度損失量越??；線路坡度越陡，列車速度損失量越大。因此，電分相宜設(shè)置于緩坡段，盡量減少速度損失量。城市軌道交通線路普遍設(shè)計(jì)成“高站位、低區(qū)間”的節(jié)能坡，電分相應(yīng)避免設(shè)置在車站端部陡坡段，而應(yīng)設(shè)置在區(qū)間凹形坡的緩坡段。

表1 不同坡度情況下電分相處行車核算

2) 駛?cè)敕窒鄥^(qū)時(shí)的速度越高，速度損失量越??；駛?cè)敕窒鄥^(qū)時(shí)的速度越低，速度損失量越大。因此，應(yīng)盡量保證列車以較高的速度駛?cè)敕窒鄥^(qū)。

3) 站間距越大，越有利于列車提速；站間距越小，越不利于列車提速。因此，電分相應(yīng)盡量設(shè)置在較大站間距的區(qū)間中部，站間距應(yīng)滿足列車加速距離及制動(dòng)距離的要求。

4) 電分相應(yīng)優(yōu)先選擇在直線段或大半徑曲線段，避免設(shè)置在小半徑曲線限速區(qū)間。

設(shè)計(jì)中依據(jù)上述原則選擇適合的區(qū)間位置設(shè)置電分相，然后再結(jié)合牽引計(jì)算反復(fù)分析驗(yàn)算列車通過電分相區(qū)的駛?cè)胨俣群婉偝鏊俣龋顾俣葥p失降到最低，即是最佳的電分相位置。

3.3 電分相設(shè)置區(qū)間線路平縱斷面的優(yōu)化

3.3.1 老馬堰站—培風(fēng)站區(qū)間

老馬堰站—培風(fēng)站區(qū)間的站間距為1 357 m。培風(fēng)牽引所電分相斷電區(qū)選擇在該區(qū)間中部，分布1組半徑為3 000 m的曲線，不限速；該區(qū)間為凹型節(jié)能坡區(qū)間，縱坡設(shè)計(jì)為5.3‰、5.0‰。老馬堰站出站端原設(shè)計(jì)半徑為450 m曲線，牽引計(jì)算及縱坡如圖5 a)所示。由于半徑為450 m曲線限速，導(dǎo)致列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葹?2 km/h，動(dòng)能闖坡駛出速度為71 km/h，速度損失為13.5%。

優(yōu)化方案為：加大站端曲線半徑至600 m，其牽引計(jì)算及縱坡如圖5 b)所示。此時(shí)列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葹?0 km/h，駛出速度為83 km/h，速度損失僅為7.8%。

a) 原設(shè)計(jì)方案

b) 優(yōu)化方案

3.3.2 新南門站—望江路站區(qū)間

新南門站—望江路站區(qū)間的站間距為1 164 m。原設(shè)計(jì)方案中，新南門站、望江路站2個(gè)車站的端部均為大坡度，電分相斷電區(qū)部分位于20‰坡段，牽引計(jì)算及縱坡如圖6 a)所示。此時(shí)列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葹?1 km/h，駛出速度為71 km/h，速度損失為12.3%。

優(yōu)化方案為：優(yōu)化縱坡，新南門分區(qū)所電分相斷電區(qū)完全位于緩坡段，坡度分別為6.5‰、5.0‰、10.0‰；分布2組曲線，半徑分別為1 200 m和2 000 m，不限速，牽引計(jì)算及縱坡如圖6 b)所示。此時(shí)列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葹?3 km/h，駛出速度為76 km/h，速度損失僅為8.4%。

a) 原設(shè)計(jì)方案

b) 優(yōu)化方案

3.3.3 公園大道站—龍華寺站區(qū)間

公園大道站—龍華寺站區(qū)間的站間距為1 439 m，分布2組曲線，半徑分別為800 m和1 000 m，不限速；該區(qū)間為凹型節(jié)能坡區(qū)間，緩坡段縱坡設(shè)計(jì)為8.0‰、14.1‰。龍泉牽引所電分相斷電區(qū)選擇在公園大道站—龍華寺站區(qū)間中部緩坡段，如圖7所示。該區(qū)間站間距較大，利于電分相的設(shè)置，列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葹?0 km/h，動(dòng)能闖坡駛出速度為84 km/h，速度損失僅為6.7%，電分相位置已為最優(yōu)，不需再優(yōu)化。

3.4 牽引計(jì)算結(jié)果分析

分析牽引計(jì)算結(jié)果得出，列車在上述3處電分相設(shè)置區(qū)間的速度損失均小于10%，列車可以保持較高速度通過，不會(huì)在電分相區(qū)域內(nèi)停車，且對(duì)旅行速度及旅行時(shí)間的影響均較小。這3處的電分相位置為最優(yōu)方案。

圖7 公園大道站—龍華寺站區(qū)間的牽引計(jì)算及縱坡設(shè)計(jì)

綜合上述，列車駛?cè)腚姺窒嗟乃俣葢?yīng)盡量高，以不低于80 km/h為宜；電分相應(yīng)設(shè)置于緩坡段，坡度以小于15‰為宜。這樣既有利于實(shí)現(xiàn)列車以高速通過，也可降低速度損失。

4 結(jié)語

本文通過分析市域快線電分相設(shè)置對(duì)列車速度的影響，以及對(duì)線路坡度、站間距的要求，總結(jié)出電分相的設(shè)置原則。優(yōu)化了成都軌道交通13號(hào)線培風(fēng)牽引所、新南門分區(qū)所和龍泉牽引所3處電分相區(qū)間的平縱斷面設(shè)計(jì)方案，并合理設(shè)置電分相位置。結(jié)合牽引計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)算后得出結(jié)論，列車通過這3處電分相的速度損失均小于10%，可保證列車以較高速度通過，對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響較小。本文的研究對(duì)市域快線的交流供電制式具有一定指導(dǎo)意義，主要結(jié)論與建議如下：

1) 電分相宜設(shè)置于區(qū)間凹形坡的緩坡段，盡量減少速度損失量。

2) 盡量保證列車以較高速度駛?cè)敕窒鄥^(qū)。

3) 電分相應(yīng)盡量設(shè)置在較大站間距的區(qū)間中部，以滿足列車加速距離及制動(dòng)距離的要求。

4) 電分相應(yīng)優(yōu)先選擇在直線區(qū)段或大半徑曲線段落，避免設(shè)置在小半徑曲線限速區(qū)間。