地鐵隧道內(nèi)160km/h剛性接觸網(wǎng)技術(shù)研究

牛景露

摘? 要：對于鐵路牽引供電系統(tǒng)，電客車速度是一個重要指標(biāo)。對地鐵接觸網(wǎng)而言，剛性接觸網(wǎng)具有隧道內(nèi)占用空間小，土建費用低，懸掛裝置結(jié)構(gòu)簡單，零部件較少，接觸線抗拉強(qiáng)度要求低，安裝方便，運營維護(hù)較少，無需下錨等優(yōu)良特性。由于地鐵提速對城市發(fā)展很重要，且剛性接觸網(wǎng)在地鐵應(yīng)用中具有諸多優(yōu)良特性，因此，針對地鐵隧道內(nèi)160km/h剛性接觸網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，為高速度剛性接觸網(wǎng)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;隧道;剛性接觸網(wǎng);懸掛裝置

中圖分類號：U225? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0143-03

1 概述

隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，地鐵列車提速受到越來越多的重視。目前全世界城市的高速電氣化鐵路建設(shè)日新月異，接觸網(wǎng)作為鐵路電氣化工程的重要組成部分，是牽引動力供電系統(tǒng)為地鐵列車提供電能的接口環(huán)節(jié)，目前常應(yīng)用在國鐵，城市軌道交通，有軌電車等領(lǐng)域。接觸網(wǎng)能夠直接影響到高速列車受流質(zhì)量，因此，進(jìn)一步研究隧道內(nèi)供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)相關(guān)技術(shù)很有必要。

架空接觸網(wǎng)按照懸掛裝置類型不同可分為柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)[1]。柔性接觸網(wǎng)懸掛裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，接觸線抗拉強(qiáng)度要求高，零部件較多，鋪設(shè)時錨段端部需要設(shè)置下錨部件，散熱效應(yīng)一般，斷線事故影響較大，對地下盾構(gòu)隧道空間要求大，土建費用高。與柔性接觸網(wǎng)相比，剛性接觸網(wǎng)的接觸線夾持在匯流排中，機(jī)車通過受電弓從軌道頂部取流，進(jìn)而為機(jī)車的電力牽引單元提供電能。剛性接觸網(wǎng)具有懸掛裝置結(jié)構(gòu)簡單，線材抗拉強(qiáng)度要求低，零部件較少，斷線可能性低，安裝方便，運營維護(hù)較少，錨段端部無需下錨，地下盾構(gòu)隧道空間要求小，土建費用低等諸多優(yōu)點，在我國的城市軌道交通中得到了廣泛應(yīng)用。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，對于一些郊區(qū)線路，提高車輛的運行速度，供電免維護(hù)狀態(tài)修成為現(xiàn)實需要，對剛性接觸網(wǎng)的速度、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實用等方面提出了更高要求[2]。剛性接觸網(wǎng)在北京、上海、深圳、廣州、南京等諸多城市地鐵線路中應(yīng)用廣泛。目前，在國內(nèi)中剛性接觸網(wǎng)普遍應(yīng)用于80km/h的中低速城市軌道交通線路，技術(shù)成熟可靠，運營維護(hù)經(jīng)驗豐富。隨著軌道交通技術(shù)的進(jìn)步，對地鐵運行速度提出了更高的要求，因此，開展160km/h地鐵剛性接觸網(wǎng)分析研究很有必要。

2 剛性接觸網(wǎng)平面布置研究

2.1 懸掛裝置

普通地鐵供電系統(tǒng)剛性懸掛接觸網(wǎng)一般為直流1500V、直流750V，常采用垂直懸掛定位方式，安裝結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。交流25kV鐵路剛性懸掛接觸網(wǎng)可以采用懸臂懸掛定位安裝方式，具體需要根據(jù)實際線路速度、空間等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。

（1）垂直懸掛安裝方式：此安裝方式中懸掛點懸吊于隧道頂部，一般用2根或4根化學(xué)錨栓進(jìn)行錨固，通過螺栓調(diào)整接觸線的空間位置，可適用于一定隧道凈空高度，此安裝方式技術(shù)條件成熟，懸掛點自身剛度較大，在高速度條件下，易出現(xiàn)硬點等問題，目前在國內(nèi)地鐵線路中應(yīng)用廣泛，能夠滿足地鐵線路拉出值要求，常用于中低速普通地鐵線路，例如廣州2號線、南昌4號線、深圳9號線、廣佛地鐵線等。

（2）腕臂懸掛安裝方式：此懸掛裝置安裝方式一般使用強(qiáng)度高、剛度大的瓷絕緣子或復(fù)合材料棒式絕緣子以及傾斜式鋼吊柱結(jié)構(gòu)。懸掛點腕臂支撐結(jié)構(gòu)需要具備穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)安裝形式以保證地鐵線路接觸網(wǎng)的安全可靠性，腕臂懸掛裝置支撐結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性很值得重視，可適用一定凈空高度的隧道。腕臂懸掛裝置具有一定的靈活性和彈性適應(yīng)性且精度更高，能夠具有柔性接觸網(wǎng)的一部分特征，弓網(wǎng)關(guān)系更好。通過腕臂偏離垂直受電弓方向安裝，能夠適應(yīng)拉出值在合理范圍變化的需要，有利于改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量，滿足城市軌道交通更高速度的需求。

剛性接觸網(wǎng)中腕臂式懸掛裝置在英國Stanton隧道、瑞士Karenzaberg隧道、南非Gautrain隧道，國內(nèi)中天山、新關(guān)角、烏鞘嶺等隧道中均有應(yīng)用。

2.2 拉出值布置

根據(jù)國內(nèi)外線路運行經(jīng)驗，架空剛性接觸網(wǎng)匯流排平面布置方案一般包括正弦波布置，半正弦波布置、之字形布置。其中之字形布置能夠使車輛受電弓碳滑板磨耗更趨于均勻，且在施工安裝上沒有困難，利于施工單位現(xiàn)場施工。從技術(shù)角度分析，沿線路方向選用“之”字形拉出值布置更合理。在考慮拉出值設(shè)計時，在結(jié)合GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》、TCRSC0101-2016《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮車輛受電弓碳滑板工作可用寬度和橫向擺動量，對拉出值進(jìn)行仿真計算及優(yōu)化布置，從而保證拉出值布置的準(zhǔn)確度及合理性。

2.3 錨段長度

剛性接觸網(wǎng)錨段長度根據(jù)運行環(huán)境溫度變化范圍、導(dǎo)體載流溫升、導(dǎo)體的溫度膨脹系數(shù)等條件確定，需要結(jié)合線路條件和實際現(xiàn)場情況而定。中心錨結(jié)裝置布置在單個錨段中間位置，能夠起到防止匯流排沿著軌道方向竄動的作用，中心錨結(jié)可以使用“V”型拉索絕緣子進(jìn)行錨固。

2.4 錨段關(guān)節(jié)

錨段關(guān)節(jié)是接觸網(wǎng)相鄰不同錨段的端部接口環(huán)節(jié)，是接觸網(wǎng)的關(guān)鍵構(gòu)成組件。接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其質(zhì)量和狀態(tài)的好壞將直接影響到電動列車的受流質(zhì)量和接觸網(wǎng)的供電質(zhì)量。對錨段關(guān)節(jié)的常用評價標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)?shù)罔F列車駛過時，列車受電弓可以平穩(wěn)流暢地從一個錨段滑行到相鄰錨段，同時列車受流質(zhì)量良好。

普通中低速地鐵線路剛性接觸網(wǎng)中，電客車運行通過時，錨段關(guān)節(jié)一般采用機(jī)械關(guān)節(jié)形式。列車高速度運行時，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)式機(jī)械分段處的接觸力波動增大，為提升該處的弓網(wǎng)動態(tài)性能，需調(diào)整錨段關(guān)節(jié)自身形式，采用膨脹元器件形式的貫通式錨段關(guān)節(jié)，將兩個相鄰錨段從機(jī)械上連接起來，使得關(guān)節(jié)平滑過渡時，受電弓在相鄰錨段接觸線接口處能夠平順過渡。

若采用膨脹元器件關(guān)節(jié)，需要對膨脹元器件進(jìn)行選型。一般情況下，需要結(jié)合剛性接觸網(wǎng)匯流排電氣和機(jī)械性能、溫升曲線，對地鐵隧道剛性接觸網(wǎng)匯流排膨脹量進(jìn)行計算，在考慮到膨脹接頭選型能滿足相應(yīng)需求條件下，應(yīng)盡量增加錨段長度，減少錨段關(guān)節(jié)的數(shù)量，以節(jié)約成本。單個錨段最大膨脹量用k表示，整條線路最大溫差為？駐t，匯流排自身線性膨脹系數(shù)為f，單個錨段長度為m，錨段最大膨脹量k由？駐t、f、m共同決定。

3 剛性接觸網(wǎng)中面臨的問題

考慮到普通地鐵80km/h剛性接觸網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不能很好的適應(yīng)于160km/h高速地鐵列車，且地鐵客運列車對安全的重視程度，對剛性接觸網(wǎng)技術(shù)面臨的問題進(jìn)行充分的研究分析是很有必要的。

3.1 匯流排和接觸線

地下區(qū)段隧道內(nèi)環(huán)境較復(fù)雜，最為常見的是污水成分高，易出現(xiàn)隧道頂部漏水、潮濕等現(xiàn)象。剛性接觸網(wǎng)中匯流排作為導(dǎo)電截面的一部分，底部嵌口處能夠夾持接觸線。當(dāng)污水滴落到接觸網(wǎng)部件上，易引起匯流排與接觸線腐蝕問題，且列車運行時接觸網(wǎng)一定會帶有電流，易引起電化學(xué)腐蝕，造成匯流排機(jī)械性能降低、夾緊力不足，引起定位線夾脫落，接觸線脫槽等問題。

針對該問題，可采取兩種解決措施。一種是采取物理隔離措施，在匯流排上方加裝匯流排保護(hù)罩，做好防水處理，防止隧道頂部漏水、滴水對匯流排和接觸線產(chǎn)生影響[3]。一種是采取化學(xué)措施，選擇抗腐蝕性強(qiáng)的匯流排和接觸線，對匯流排夾緊力嚴(yán)格要求，接觸線可在純銅導(dǎo)線中添加Mg、Sn、Ag等金屬元素[4]，提高自身的抗腐蝕性，且接觸線表面進(jìn)行鍍錫處理，降低匯流排和接觸線嵌口處發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性。

3.2 絕緣子

綜合考慮不同類型絕緣子的性能特點：

（1）復(fù)合絕緣子重量輕，不宜破碎，有較好的憎水性，與瓷絕緣子相比剛性較小，強(qiáng)度較低，易老化，易龜裂，使用壽命一般約為15年。

（2）瓷絕緣子剛度大，強(qiáng)度高，自潔性好，耐老化，使用壽命一般約為30年，與復(fù)合絕緣子相比重量大，在安裝、運輸過程中操作不當(dāng)易破碎。

對于剛性接觸網(wǎng)AC27.5kV的絕緣子，從全壽命周期考慮，采用高強(qiáng)度瓷絕緣子更合適，由于瓷絕緣子容易在施工運輸過程中破碎，可采取措施加強(qiáng)對瓷絕緣子的保護(hù)，降低操作不當(dāng)引起的相關(guān)破碎及損壞問題。

3.3 膨脹元器件

膨脹元器件在地鐵AC27.5kV剛性接觸網(wǎng)上應(yīng)用較好，膨脹元器件由于自身重量特征，易產(chǎn)生不平順，目前未出現(xiàn)過因膨脹接頭造成的運營事故。在地鐵DC1500V剛性接觸網(wǎng)整體效果良好，深圳、北京、廣州3號線北延段地鐵曾經(jīng)出現(xiàn)因膨脹接頭處不平順，硬點大，電車受流質(zhì)量不良，造成拉弧等現(xiàn)象。

綜合分析剛性接觸網(wǎng)膨脹元器件處產(chǎn)生不平順、拉弧等現(xiàn)象的具體原因，膨脹元器件安裝在相鄰錨段的端部接口位置，弓網(wǎng)關(guān)系比較復(fù)雜。當(dāng)電車經(jīng)過時匯流排因弓網(wǎng)摩擦作用溫度發(fā)生變化，膨脹元件的鋁合金板構(gòu)件在多次熱脹冷縮后，其重心自跨距中間位置向旁邊偏移。膨脹接頭設(shè)備較重，在重心產(chǎn)生偏移后，易受重力作用，導(dǎo)致在離懸掛點位置較遠(yuǎn)的端部位置處產(chǎn)生下偏[5]。此部件向下偏移會壓迫夾持在膨脹接頭嵌口處的接觸線向下彎曲，導(dǎo)致此處凸出變形，產(chǎn)生硬點。同時此位置處接觸線在電力機(jī)車通過時會受到?jīng)_擊力作用，當(dāng)列車滑過時，受電弓撞擊硬點處，進(jìn)而引起弓網(wǎng)受流不良、拉弧和打火等現(xiàn)象。

針對該問題，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析研究，可對膨脹元器件進(jìn)行優(yōu)化，降低設(shè)備重量，減小弓網(wǎng)接觸寬度，對膨脹元件附近懸掛點進(jìn)行加固等措施，進(jìn)而減少硬點，提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量，改善弓網(wǎng)關(guān)系，降低因弓網(wǎng)碰撞而產(chǎn)生的打火和拉弧現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文對160km/h高速地鐵列車剛性接觸網(wǎng)平面布置技術(shù)進(jìn)行了分析研究，歸納總結(jié)了剛性接觸網(wǎng)面臨的問題，針對高速地鐵列車剛性接觸網(wǎng)存在的腐蝕、硬點、拉弧等問題提出了相應(yīng)解決措施。鑒于普通地鐵80km/h剛性接觸網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不能很好的適應(yīng)于高速地鐵列車，針對高速地鐵160km/h剛性接觸網(wǎng)，提出采用精度更高的腕臂式懸掛裝置、具備一定彈性特征的定位線夾、合理的拉出值布置等措施，進(jìn)而改善車輛受電弓碳滑板和接觸網(wǎng)之間的弓網(wǎng)關(guān)系，使磨耗更趨于均勻。在保證列車運行安全可靠前提下，通過采用技術(shù)改進(jìn)后的剛性接觸網(wǎng)方案，地鐵隧道內(nèi)160km/h剛性接觸網(wǎng)技術(shù)可以滿足城市軌道交通提速的需求。

參考文獻(xiàn)：

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