城市軌道交通與干線鐵路銜接段的 接觸網(wǎng)設計方案研究*

余 韜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 102600， 北京∥高級工程師)

如果城市軌道交通與干線鐵路在1個車站內能無縫連接，則乘客有可能只需乘坐1趟列車，就能到達市區(qū)、郊區(qū)及相鄰城市的各站點。因此，建立一體化的軌道交通系統(tǒng)不但便于城市向郊區(qū)延伸，帶動周邊區(qū)域的快速發(fā)展，同時也使軌道交通更加舒適、方便和快捷。特別是將既有的城市軌道交通系統(tǒng)與既有的干線鐵路系統(tǒng)相連，只需要在2個系統(tǒng)間新建銜接段，即可節(jié)省大額的建設費用。

要實現(xiàn)城市軌道交通與干線鐵路的銜接，供電系統(tǒng)的順利過渡是其中關鍵的因素之一。本文對牽引供電制式、懸掛方式、接觸線高度、設備限界、回流網(wǎng)、接觸網(wǎng)開關設備、機車高壓設備等進行重點探討，提出城市軌道交通與干線鐵路2個系統(tǒng)銜接段的接觸網(wǎng)設計方案。

1 2個系統(tǒng)接觸網(wǎng)的差異

1.1 牽引供電制式

牽引供電制式有直流和交流2種。其中：直流制式的電壓一般為750 V或1 500 V，具有牽引電流大、絕緣等級低、對隧道凈空要求小的優(yōu)點，但牽引所數(shù)量多、電能損耗較大，多適用于城市軌道交通系統(tǒng)；交流制式的電壓為25 kV，具有牽引所數(shù)量少、牽引網(wǎng)截面小、結構簡單的優(yōu)點，但絕緣等級高、對隧道凈空要求高，多適用于干線鐵路系統(tǒng)。

由于我國干線鐵路發(fā)展已經較為成熟，大中型城市均連入干線鐵路系統(tǒng)。如果將城市軌道交通系統(tǒng)與既有的干線鐵路系統(tǒng)連接，利用干線鐵路系統(tǒng)富余的客運能力，組成一體化軌道交通，將節(jié)省巨額的軌道交通建設費用。這其中最核心的問題就是要解決不同供電制式在接觸網(wǎng)上的銜接。

1.2 授流方式

接觸網(wǎng)的授流方式體現(xiàn)了載流能力和機械接觸的特點[1]。授流方式分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌2種，其中，架空接觸網(wǎng)又可分為柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)。

干線鐵路系統(tǒng)的列車最高運行速度可達到350 km/h，受電弓與接觸線高速摩擦，弓網(wǎng)電弧對功率因素、受電弓滑板和接觸導線使用壽命等方面均會產生不良影響，因此宜采用弓網(wǎng)載流性能好的柔性架空接觸網(wǎng)。在隧道凈空低的低速區(qū)段，在考慮造價等因素時，可采用剛性架空接觸網(wǎng)。

城市軌道交通系統(tǒng)的列車最高運行速度不大于120 km/h，與干線鐵路系統(tǒng)相比，其弓網(wǎng)接觸的要求較低，柔性架空接觸網(wǎng)、剛性架空接觸網(wǎng)和接觸軌這3種授流方式在城市軌道交通系統(tǒng)中均有應用案例。其中，在城市軌道交通線路的地下區(qū)段因為降低凈空可以減少開挖投資，其接觸網(wǎng)大多采用接觸軌或剛性架空接觸網(wǎng)，在地上區(qū)段則大多采用接觸軌或柔性架空接觸網(wǎng)。

1.3 接觸線高度

在城市軌道交通系統(tǒng)中，受電弓的工作高度為3 980～5 800 mm。在干線鐵路系統(tǒng)中，受電弓的工作高度為5 200～6 500 mm。

由于城市中心區(qū)的軌道線路以地下線居多，受隧道凈空限制，宜采用受電弓高度較低的城市軌道交通系統(tǒng)。而郊區(qū)的軌道線路則多為地上線或地面線，接觸線高度不受凈空限制。因此，郊區(qū)線路便于設置2個系統(tǒng)的銜接段，導線高度應采用2個系統(tǒng)受電弓均滿足的5 200～5 800 mm。

1.4 設備限界

接觸網(wǎng)支柱、接觸軌等設備的安裝應符合軌道車輛橫斷面輪廓尺寸的限界要求。城市軌道交通系統(tǒng)接觸軌設備的限界為1 470 mm，架空接觸網(wǎng)的限界為1 670 mm。干線鐵路系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)的限界為2 440 mm。

地下區(qū)段線路的架空接觸網(wǎng)采用吊柱或匯流排懸掛，不存在限界要求。當?shù)叵露尾捎媒佑|軌時，其限界按照1 470 mm控制。

地上區(qū)段線路為了接觸網(wǎng)支柱布置的統(tǒng)一性，銜接段優(yōu)先采用尺寸較大的干線鐵路限界要求。

1.5 回流網(wǎng)

干線鐵路系統(tǒng)的回流網(wǎng)由鋼軌、大地和回流線3部分組成。由于采用交流系統(tǒng)，鋼軌與大地之間不設絕緣，軌道電位較低。

城市軌道交通系統(tǒng)的回流網(wǎng)為鋼軌回流，由于采用直流系統(tǒng)，易產生直流雜散電流[2]。雜散電流會腐蝕地下金屬結構[3]，因此鋼軌與地面需設絕緣。由于鋼軌具有電阻，當回流電流經過時，走行軌的電位將升高，檢修人員易因誤觸鋼軌而發(fā)生電擊事故。因此，在市中心區(qū)采用直流城市軌道交通系統(tǒng)時，需設軌地絕緣和軌電位限制措施。在郊區(qū)若采用交流干線鐵路系統(tǒng)，需要在2個系統(tǒng)銜接段的合適位置設軌道絕緣節(jié)，或在城市軌道交通區(qū)段增加回流軌，以將兩者的回流網(wǎng)分開。

1.6 接觸網(wǎng)開關設備

城市軌道交通系統(tǒng)電壓等級低、載流要求高，干線鐵路系統(tǒng)電壓等級高、載流能力低。在銜接段的接觸網(wǎng)開關設備可以配置25 kV耐壓等級絕緣子，并通過增加電連接來提高載流量，以同時滿足城市軌道交通和干線鐵路2個系統(tǒng)的要求。

1.7 軌道車輛高壓電器設備

軌道車輛高壓電器是指安裝在車輛頂部或側面、工作在高壓環(huán)境下的電器，在電路中主要體現(xiàn)在主電路的原邊部分。軌道車輛高壓電器主要包括受電弓/集電靴、主斷路器、高壓電流互感器、高壓電壓互感器、高壓連接器、高壓隔離開關、避雷器等。國內已有可在城市軌道交通直流系統(tǒng)和干線鐵路交流系統(tǒng)中靈活切換牽引供電制式的市域快軌列車。

2 直流架空接觸網(wǎng)和交流架空接觸網(wǎng)的銜接設計

2.1 牽引供電制式設計

2.1.1 銜接段的接觸網(wǎng)導線配置

城市軌道交通直流系統(tǒng)電壓低、電流大、導線數(shù)量多。干線鐵路交流系統(tǒng)電壓高、電流小、導線數(shù)量少。表1提供了城市軌道交通與干線鐵路2個系統(tǒng)接觸網(wǎng)導線配置方式，以供參考。

導線的截面和具體數(shù)量可根據(jù)工程的實際載流量選定。當軌道車輛載流超過上述配置導線的載流量時，還可以增設適當數(shù)量的加強線。導線的數(shù)量對接觸網(wǎng)工程投資影響較大，可以按市區(qū)線路和郊區(qū)線路分開配置接觸網(wǎng)導線。應在郊區(qū)的地上線路區(qū)間設置2個系統(tǒng)接觸網(wǎng)的銜接段。

表1 城市軌道交通與干線鐵路接觸網(wǎng)導線的參考配置

2.1.2 銜接段的電分相設計

由于城市軌道交通直流系統(tǒng)和干線鐵路交流系統(tǒng)不能在接觸網(wǎng)上共存，因此應在銜接段接觸網(wǎng)設置電分相，中間為無電區(qū)，列車利用慣性沖過無電區(qū)。城市軌道交通系統(tǒng)列車的最高運行速度不大于120 km/h，為了縮小無電區(qū)范圍，可采用器件式電分相，其電分相及相關標志牌的相對位置如圖1所示。

圖1 城市軌道交通與干線鐵路2個系統(tǒng)銜接段的電分相設計Fig.1 Electrical split-phase design in connecting section of two systems of urban rail transit and trunk railway line

由于分相兩側分別為交流、直流2種不同的供電制式，列車通過分相時需要提前打開主斷路器，因此可以在圖2中1#位置至4#位置間的股道上設置自動過分相地面磁感應器。當列車通過分相區(qū)時，可感應到自動過分相磁感應器發(fā)出的信號，車載設備根據(jù)信號切斷或合上主斷路器。

圖2 分相區(qū)內設置自動過分相磁感應器示意圖

2.1.3 絕緣設計

銜接段接觸網(wǎng)的絕緣均按滿足交流25 kV要求進行設計，絕緣爬距不應小于1 200 mm。

2.2 授流方式

若與干線鐵路銜接的城市軌道交通系統(tǒng)為新建項目，該新建線路應優(yōu)先采用架空接觸網(wǎng)。若受隧道凈空等條件限制，城市軌道交通采用接觸軌授流，則可采用同時具有受電弓和集電靴的軌道車輛，以實現(xiàn)2種授流模式的轉換。如深圳軌道交通3號線的正線為接觸軌，車輛段為架空接觸網(wǎng)，車輛可切換授流以適用這2種模式。

2.3 接觸線高度

地下區(qū)段線路的接觸線高度為4 050 mm，地上區(qū)段線路的接觸線高度為5 500 mm。接觸網(wǎng)銜接段設置在地上，在干線鐵路系統(tǒng)側逐漸將接觸線高度提升至5 500 mm，導線的坡度變化不得大于4‰。

2.4 設備限界

地下區(qū)段線路采用頂部固定懸掛，除保證接觸線高度外，無其他限界要求。

地上區(qū)段線路接觸網(wǎng)設備限界為2 500 mm。

2.5 回流網(wǎng)

在銜接段設置軌道絕緣節(jié)，將城市軌道交通和干線鐵路2個系統(tǒng)的回流網(wǎng)分開。銜接段回流設置的具體步驟如下：

1) 列車正常運行時升雙弓，通過受電弓從接觸網(wǎng)取流，通過輪對從鋼軌回流。在銜接段電分相前約150 m，列車開始降前弓，后弓保持不變。

2) 在列車過電分相時，主斷路器斷開，利用慣性沖過分相區(qū)，此時列車不從接觸網(wǎng)取流，也不通過輪對從鋼軌回流。因此，主斷路器斷開后在列車輪對靠近干線鐵路側須設置1#軌道絕緣節(jié)，如圖3所示。

3) 列車主斷路器閉合前，在靠近干線鐵路側列車第1個輪對后須設置2#軌道絕緣節(jié)。以該絕緣節(jié)為界，城市軌道交通側鋼軌為絕緣設置，干線鐵路側鋼軌為非絕緣設置，如圖4所示。

圖3 銜接段1#軌道絕緣節(jié)的設置Fig.3 Setting of track insulation joint 1# in connection section

圖4 銜接段2#軌道絕緣節(jié)的設置Fig.4 Setting of track insulation joint 2# in connection section

4) 相互銜接的城市軌道交通線路和干線鐵路上如需運行多種不同車型的軌道車輛時，需根據(jù)軌道車輛最外側輪對與受電弓間的距離，計算確定2個軌道絕緣節(jié)的具體位置，以保證回流的兼容性。

2.6 接觸網(wǎng)開關設備

銜接段接觸網(wǎng)開關設備應配置25 kV耐壓等級絕緣子和滿足最大直流載流量的電連接。

3 直流接觸軌與交流架空接觸網(wǎng)的銜接設計

如果將干線鐵路系統(tǒng)與采用接觸軌的城市軌道交通系統(tǒng)相連，銜接段需同時設置接觸軌與架空接觸網(wǎng)，并要求軌道車輛同時具有受電弓和集電靴2種受電功能。

由于接觸軌和架空接觸網(wǎng)相互獨立、互不干擾，因此，除設備限界和回流網(wǎng)需要進行特殊設計外，供電制式、授流方式、接觸線高度、接觸網(wǎng)開關設備等方面只需按相關的規(guī)范要求進行設計即可。

3.1 設備限界

由于干線鐵路無接觸軌，限界未考慮接觸軌尺寸的要求，為了保證干線鐵路車輛能在城市軌道交通的接觸軌區(qū)段正常通過，需將接觸軌外移至距離轉向架中心線水平1 727.5 mm處[4]，機車的受電靴長度也應相應延長。接觸網(wǎng)設備限界采用2 500 mm。

3.2 回流網(wǎng)

干線鐵路系統(tǒng)采用鋼軌、大地和回流線的回流網(wǎng)。城市軌道交通系統(tǒng)為了避免泄漏直流雜散電流，可增加專用回流軌回流。專用回流軌安裝于線路的無接觸軌側，結合設備限界要求回流軌距離轉向架中心線水平1 727.5 mm。

專用回流軌與干線鐵路系統(tǒng)回流互不干擾、相互獨立。與城市軌道交通的鋼軌回流相比，專用回流軌具有明顯的優(yōu)勢。

4 應用實例

目前，國內雖然沒有正式運營的城市軌道交通和干線鐵路共用線路，但是開通了1條既能開行城市軌道交通列車、又能開行干線鐵路機車的試驗線，如圖5所示。該線同時設置了架空接觸網(wǎng)和接觸軌，架空接觸網(wǎng)能滿足直流750 V、l 500 V和交流25 kV 3種牽引供電制式的需求。

圖5 城市軌道交通與干線鐵路共用試驗線的銜接段

由于軌道車輛原因，除回流系統(tǒng)和電分相外，銜接段在其余的懸掛方式、接觸線高度、設備限界等方面均采用上文所述方案進行設計。在該線上先后進行了城市軌道交通直流列車和干線鐵路交流機車的開行試驗，2種軌道車輛均可正常運行。

5 結語

城市軌道交通與干線鐵路2個系統(tǒng)的銜接，對軌道交通的一體化開發(fā)具有積極的意義。本文通過分析城市軌道交通與干線鐵路在接觸網(wǎng)專業(yè)上的不同要求，確定了相關的數(shù)據(jù)和方案，提出了滿足城市軌道交通與干線鐵路2個系統(tǒng)銜接的接觸網(wǎng)設計。目前在我國尚無軌道交通一體化開通的運營案例，雖然線路一體化的接觸網(wǎng)設計方案已在試驗線工程上得以成功運用，但是要付諸實施還需要行車組織、信號調度等專業(yè)開展相關研究。