地鐵剛性接觸網(wǎng)分段絕緣器改絕緣錨段關(guān)節(jié)方案研究

鄧雪明，楊樹(shù)恒，王溢斐，張 煜

0 引言

城市軌道交通是大容量公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，是城市引導(dǎo)承載綠色低碳出行的骨干交通方式，經(jīng)過(guò)二十多年的高速發(fā)展，我國(guó)已建成世界上最為龐大的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。接觸網(wǎng)是地鐵車輛無(wú)備用的供電載體和基礎(chǔ)設(shè)施，主要分為架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)，其中架空剛性接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝空間小、無(wú)斷線隱患、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)維工作量小等優(yōu)點(diǎn)，盡管結(jié)構(gòu)形式與柔性接觸網(wǎng)差異較大，但兩者滿足弓網(wǎng)受流功能無(wú)異，線路網(wǎng)絡(luò)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)可互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接[1]。自2003年廣州地鐵2號(hào)線成功應(yīng)用架空剛性懸掛后，剛性接觸網(wǎng)在我國(guó)城市軌道交通中得到廣泛應(yīng)用，已成為隧道內(nèi)架空接觸網(wǎng)的主要型式。

作為一種特殊的供電線路，為保證供電的可靠性和靈活性，確保故障情況下能夠縮小故障范圍，接觸網(wǎng)系統(tǒng)需要設(shè)置電分段。剛性接觸網(wǎng)電分段有分段絕緣器和絕緣錨段關(guān)節(jié)兩種結(jié)構(gòu)型式，其作用是在正常供電情況下將兩個(gè)供電分區(qū)進(jìn)行電氣隔離，且保證受電弓機(jī)械滑動(dòng)連續(xù)性。

1 剛性接觸網(wǎng)電分段

剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，不同供電分區(qū)間通常采用分段絕緣器或絕緣錨段關(guān)節(jié)作為電分段。基于適應(yīng)速度和受流質(zhì)量考慮，一般情況在正線接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)處設(shè)置絕緣錨段關(guān)節(jié)，在渡線、聯(lián)絡(luò)線、折返線中設(shè)置分段絕緣器。

分段絕緣器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備電氣斷開(kāi)，同時(shí)不影響受電弓與接觸線正常摩擦取流的重要電氣設(shè)備，一般由主絕緣、銅滑靴及輔助滑道組成，含消弧裝置。由于受電弓經(jīng)過(guò)時(shí)要求碳滑板同時(shí)接觸的部件在一個(gè)平面內(nèi)，且與軌面平行，運(yùn)行條件較為苛刻，安裝及檢修工藝要求高，而分段絕緣器與接觸線連接處存在受力硬點(diǎn)，容易出現(xiàn)受電弓離線及拉弧現(xiàn)象，影響弓網(wǎng)關(guān)系，因此分段絕緣器一般用于不同供電臂末端有一定電位差需進(jìn)行電氣分段且運(yùn)行速度較低的位置，如渡線、聯(lián)絡(luò)線、折返線等。分段絕緣器優(yōu)點(diǎn)是可保證受電弓平滑通過(guò)，可滿足快速搶修的需求，具有消弧作用；缺點(diǎn)是安裝工藝較為復(fù)雜，調(diào)整難度大，檢修周期短，檢修維護(hù)工作量大，受電弓經(jīng)過(guò)時(shí)易產(chǎn)生硬點(diǎn)導(dǎo)致碳滑板與分段絕緣器之間發(fā)生撞擊，從而影響受電弓碳滑板及分段絕緣器銅滑靴使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)成本，嚴(yán)重時(shí)對(duì)車輛受電弓及接觸網(wǎng)設(shè)備造成損傷甚至中斷行車引發(fā)弓網(wǎng)故障。

絕緣錨段關(guān)節(jié)采用兩段匯流排平行重疊形成關(guān)節(jié)的布置方式，無(wú)需額外增加設(shè)備，錨段兩端設(shè)置匯流排終端，錨段關(guān)節(jié)重疊長(zhǎng)度一般為6.6 m，實(shí)現(xiàn)受電弓平滑過(guò)渡，匯流排水平間距一般為260～300 mm，實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。絕緣錨段關(guān)節(jié)處接觸線平行、重疊、等高，既能實(shí)現(xiàn)機(jī)械分段，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣分段，基本消除受電弓高速通過(guò)時(shí)的拉弧現(xiàn)象，保證列車受流質(zhì)量，適用于空間條件好、行車速度高的區(qū)域，一般應(yīng)用于正線需進(jìn)行電氣分段的位置，如車站牽引所接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)處。剛性接觸網(wǎng)絕緣錨段關(guān)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝工藝簡(jiǎn)單、檢修周期短、檢修維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，能夠最大限度地保證正線接觸網(wǎng)系統(tǒng)的相對(duì)連續(xù)性，有效提高系統(tǒng)安全性、可靠性。

2 深圳地鐵剛性分段絕緣器運(yùn)行情況分析

圖1 深圳地鐵采用的分段絕緣器

通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各型號(hào)分段絕緣器存在不同程度的問(wèn)題：運(yùn)行過(guò)程存在輕微拉??；引弧棒脫落；輔助滑板斷裂；滑板磨損嚴(yán)重；滑板脫落等。從剛性接觸網(wǎng)分段絕緣器運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的問(wèn)題分析，導(dǎo)致分段絕緣器故障的主要原因如下：

（1）分段絕緣器本體具有一定的剛度，由于本體質(zhì)量較大，分段絕緣器處的剛性接觸網(wǎng)弛度大、彈性低，容易形成硬點(diǎn)。

（2）分段絕緣器應(yīng)處于負(fù)弛度狀態(tài)，由于安裝調(diào)整不當(dāng)，現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)處于正弛度狀態(tài)，造成分段絕緣器打弓。

（3）分段絕緣器出現(xiàn)問(wèn)題的線路，通常列車受電弓碳滑板也會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的不均勻磨耗情況，碳滑板長(zhǎng)時(shí)間磨耗出現(xiàn)凹槽，受電弓運(yùn)行至分段絕緣器處時(shí)不能平滑接觸，受電弓對(duì)導(dǎo)流板產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的離線拉弧[2]。

（4）分段絕緣器兩端存在電壓差，列車在渡線、聯(lián)絡(luò)線、折返線運(yùn)行時(shí)速度普遍偏低，受電弓與分段絕緣器接觸、分離的時(shí)間較長(zhǎng)，加劇了拉弧現(xiàn)象[3]。

（5）分段絕緣器結(jié)構(gòu)形式較多，部分結(jié)構(gòu)存在缺陷，某型號(hào)分段絕緣器兩側(cè)導(dǎo)流板絕緣間距偏大，過(guò)渡時(shí)受電弓在單支長(zhǎng)導(dǎo)流板滑行距離更長(zhǎng)，由于受電弓的抬升力，分段絕緣器間隙側(cè)受電弓抬高，高于即將過(guò)渡到的對(duì)側(cè)長(zhǎng)導(dǎo)流板，過(guò)渡時(shí)導(dǎo)致一定程度的碰撞，由于頻繁的碰撞振動(dòng)，導(dǎo)流板與分段絕緣器本體固定螺栓松動(dòng)，致使導(dǎo)流板導(dǎo)高降低，出現(xiàn)打弓事故。

各類分段絕緣器問(wèn)題對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系造成較大影響，為地鐵車輛安全運(yùn)行埋下了隱患。較為嚴(yán)重的問(wèn)題，如深圳地鐵10號(hào)線試運(yùn)行期間分段絕緣器滑板技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化，受電弓通過(guò)時(shí)碰撞分段絕緣器滑板，導(dǎo)致滑板松脫下垂侵入受電弓運(yùn)行范圍，造成2起嚴(yán)重弓網(wǎng)故障，32列電客車受電弓及滑板出現(xiàn)不同程度損傷，直接經(jīng)濟(jì)損失較大。此外，分段絕緣器主絕緣竄電是深圳地鐵目前較為普遍的現(xiàn)象，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，分段絕緣器主絕緣吸附大量灰塵，造成絕緣性能下降。分段絕緣器檢修工作量大幅增加，增大了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本[4-5]。

因此，逐步減少剛性懸掛接觸網(wǎng)分段絕緣器的應(yīng)用對(duì)于保障地鐵安全運(yùn)行具有較強(qiáng)的必要性。

“法官，按我的理解，你的意思是，當(dāng)著我和我那幾個(gè)小孩子的面，無(wú)緣無(wú)故地殺害我丈夫的這個(gè)人是無(wú)罪的？法律對(duì)他只能這樣了？”“沒(méi)錯(cuò)，兩種說(shuō)法都一樣?！蔽一卮稹?/p>

3 調(diào)整剛性懸掛電分段形式研究

3.1 研究路線

結(jié)合以上情況分析，開(kāi)展對(duì)調(diào)整剛性懸掛電分段形式的研究，按照運(yùn)營(yíng)調(diào)研-理論研究-線路試驗(yàn)-建設(shè)應(yīng)用-行業(yè)推廣的思路開(kāi)展研究和應(yīng)用工作：（1）對(duì)深圳地鐵已開(kāi)通線路的分段絕緣器、絕緣錨段關(guān)節(jié)進(jìn)行使用情況及問(wèn)題調(diào)研；（2）組織深圳地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)單位對(duì)調(diào)整方案進(jìn)行可行性分析論證；（3）選取具備條件的新建線路某處進(jìn)行分段絕緣器改為絕緣錨段關(guān)節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證；（4）試驗(yàn)取得良好效果后，在后續(xù)深圳地鐵新建線路中推廣絕緣錨段關(guān)節(jié)替代分段絕緣器方案；（5）總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析分段絕緣器與絕緣錨段關(guān)節(jié)的運(yùn)行效果，在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用，提高接觸網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，減少建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 可行性及經(jīng)濟(jì)性分析

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)通常采用直流1 500 V供電制式，一般采用雙邊供電方式，由于相鄰供電臂的上網(wǎng)饋線來(lái)自同一牽引變電所的同一母線，且上網(wǎng)點(diǎn)距離較近，理論上電分段兩側(cè)電位差很小，受電弓通過(guò)絕緣錨段關(guān)節(jié)等高點(diǎn)時(shí)的瞬間兩供電臂短路，不易產(chǎn)生電弧，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響不大，因此在牽引變電所上網(wǎng)位置一般采用絕緣錨段關(guān)節(jié)作為電分段。

絕緣錨段關(guān)節(jié)和分段絕緣器在電氣分段功能上具有一致性，差別主要在于分段絕緣器設(shè)有消弧裝置，在電位差較大處地鐵車輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生較好的消弧作用，且分段絕緣器受安裝空間制約較小。因此，在電位差較小、具備絕緣錨段關(guān)節(jié)安裝空間、運(yùn)行強(qiáng)度低的部分渡線、折返線及聯(lián)絡(luò)線上采用絕緣錨段關(guān)節(jié)形式電分段能夠滿足運(yùn)營(yíng)需求，將分段絕緣器改為絕緣錨段關(guān)節(jié)具有理論可行性。

以深圳地鐵8號(hào)線一期鹽田路站下行折返線為例，原設(shè)計(jì)剛性分段絕緣器設(shè)備安裝費(fèi)為67 665元（其中設(shè)備費(fèi)65 000元，安裝費(fèi)2 665元）。絕緣錨段關(guān)節(jié)的估算費(fèi)用見(jiàn)表1。

表1 絕緣錨段關(guān)節(jié)成本

由此可見(jiàn)，絕緣錨段關(guān)節(jié)相對(duì)分段絕緣器建設(shè)成本更低，同時(shí)還節(jié)約了后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 弓網(wǎng)仿真分析

通過(guò)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真，以要求更為嚴(yán)苛的80 km/h速度等級(jí)條件評(píng)估剛性懸掛絕緣錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能。仿真模型中匯流排采用beam4梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，Π型匯流排高110 mm，寬85 mm，匯流排底部開(kāi)槽，用以?shī)A持接觸線。匯流排并不是連續(xù)結(jié)構(gòu)，匯流排之間通過(guò)中間接頭連接，由于中間接頭質(zhì)量相對(duì)較小，建模分析中忽略中間接頭質(zhì)量，將匯流排等效為連續(xù)的梁結(jié)構(gòu)。受電弓采用三質(zhì)量塊模型，該模型將受電弓分為弓頭、上框架、下框架三級(jí)等效，如圖2所示。

圖2 受電弓等效模型

通過(guò)仿真，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力曲線、弓頭垂向加速度曲線、滑板垂向動(dòng)態(tài)位移曲線見(jiàn)圖3，弓網(wǎng)接觸力的特征統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2。

表2 弓網(wǎng)接觸力特征統(tǒng)計(jì)值（80 km/h時(shí)） N

圖3 弓網(wǎng)仿真結(jié)果

可見(jiàn)，80 km/h速度等級(jí)下弓網(wǎng)接觸力各項(xiàng)特征值滿足規(guī)范要求，前中后受電弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差較為接近，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能相當(dāng)，受電弓通過(guò)絕緣錨段關(guān)節(jié)時(shí)弓網(wǎng)關(guān)系良好。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)選取深圳地鐵8號(hào)線一期鹽田路站下行折返線為試驗(yàn)地點(diǎn)，驗(yàn)證分段絕緣器改絕緣錨段關(guān)節(jié)的可行性與安全性。8號(hào)線一期工程由2號(hào)線三期蓮塘站后折返線接出，終至鹽田路站，折返線路全長(zhǎng)12.34 km，采用架空剛性接觸網(wǎng)。

鹽田路站折返線與正線左、右線之間均設(shè)置連接線，原設(shè)計(jì)方案中在每條連接線上均設(shè)置分段絕緣器作為電分段，并在右線與折返線連接分段絕緣器位置設(shè)置常閉電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，連接分段絕緣器兩側(cè)為折返線供電，在左線與折返線連接分段絕緣器位置設(shè)置常開(kāi)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，連接分段絕緣器兩側(cè)作為備用供電方案。鹽田路站供電示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 鹽田路站供電分段示意圖

按照上述供電方案，右線與折返線間分段絕緣器兩側(cè)均由右線供電臂供電，幾乎不存在電位差；左線與折返線間分段絕緣器兩側(cè)分別由左、右線供電臂供電，由于運(yùn)營(yíng)期間左、右線供電臂內(nèi)行車情況不同，理論上在該分段絕緣器兩側(cè)存在電位差，當(dāng)受電弓碳滑板經(jīng)過(guò)該分段絕緣器時(shí)，存在放電現(xiàn)象。基于以上分析，選擇將左線與折返線之間的分段絕緣器改為絕緣錨段關(guān)節(jié)，用于驗(yàn)證在有一定電位差的情況下采用絕緣錨段關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)電分段時(shí)的運(yùn)行狀況和弓網(wǎng)關(guān)系。

折返線原接觸網(wǎng)平面布置圖見(jiàn)圖5（a）。從平面布置圖中可以看出，原設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)拉出值由-200 mm經(jīng)過(guò)19個(gè)定位點(diǎn)過(guò)渡到+200 mm，D1-10、D1-11定位點(diǎn)拉出值為0 mm，D1-10、D1-11定位點(diǎn)之間為原設(shè)計(jì)分段絕緣器的安裝位置，中心錨結(jié)設(shè)置于D1-12定位點(diǎn)處?，F(xiàn)需將D1-10、D1-11之間分段絕緣器調(diào)整為重疊平行布置的絕緣錨段關(guān)節(jié)，新增加的定位點(diǎn)拉出值分別設(shè)置為+100 mm、+130 mm、-130 mm、-95 mm，同時(shí)在D1-06、D1-14處設(shè)置兩個(gè)中心錨結(jié)，詳見(jiàn)圖5（b）。

圖5 折返線接觸網(wǎng)平面布置

3.5 試驗(yàn)結(jié)論

為監(jiān)測(cè)改造后絕緣錨段關(guān)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，在絕緣錨段關(guān)節(jié)處裝設(shè)了高清攝像頭，通過(guò)該攝像頭對(duì)8號(hào)線一期試運(yùn)營(yíng)期間列車受電弓經(jīng)過(guò)該絕緣錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。車載及固定錄像資料顯示，該絕緣錨段關(guān)節(jié)在列車受電弓通過(guò)時(shí)受電弓通過(guò)性良好，無(wú)明顯拉弧現(xiàn)象，弓網(wǎng)關(guān)系無(wú)異常。變電所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行日志顯示，受電弓通過(guò)該絕緣錨段關(guān)節(jié)時(shí)取流正常，數(shù)據(jù)無(wú)異常波動(dòng)。

結(jié)合線路運(yùn)營(yíng)實(shí)際工況分析，試驗(yàn)點(diǎn)絕緣錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)關(guān)系良好。受電弓運(yùn)行狀態(tài)良好的原因主要包括兩個(gè)方面：一是折返線所連接的左、右線兩供電臂均由鹽田路站牽引變電所供電，當(dāng)兩供電臂列車運(yùn)行情況相近時(shí)，電位差相對(duì)較??；二是鹽田路站作為8號(hào)線一期的始發(fā)站，列車從左線進(jìn)入到達(dá)鹽田路站后先進(jìn)行清客，然后再載客，客流量較小，列車經(jīng)過(guò)絕緣錨段關(guān)節(jié)時(shí)處于輕載狀態(tài)，且速度較慢，列車取流很小。

綜上，通過(guò)可行性分析和深圳地鐵8號(hào)線鹽田路站試驗(yàn)驗(yàn)證，架空剛性懸掛絕緣錨段關(guān)節(jié)在存在一定電位差的折返線上能夠滿足列車運(yùn)行和取流要求，且運(yùn)行狀態(tài)良好，具備一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明在電位差較小、具備安裝空間、運(yùn)行強(qiáng)度低的折返線上采用絕緣錨段關(guān)節(jié)形式電分段能夠滿足運(yùn)營(yíng)需求，具有良好的弓網(wǎng)關(guān)系，將分段絕緣器改為絕緣錨段關(guān)節(jié)具有可行性。考慮絕緣錨段關(guān)節(jié)安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量少和成本低的優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)深圳地鐵建設(shè)過(guò)程中，建議逐步推廣在折返線等位置采用絕緣錨段關(guān)節(jié)替代分段絕緣器，并在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中與運(yùn)營(yíng)單位共同跟蹤、記錄運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究分析絕緣錨段關(guān)節(jié)在渡線、聯(lián)絡(luò)線等更加復(fù)雜工況處應(yīng)用的可行性，為該方案在行業(yè)內(nèi)推廣奠定基礎(chǔ)。