地鐵快線接觸網饋電方案分析

田廣輝

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地鐵快線接觸網饋電方案分析

田廣輝

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

地鐵快線；接觸網；接觸軌；剛性；柔性

0 引言

傳統地鐵通常采用的系統技術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用。按照我國地鐵建設的3個標準（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地鐵。隨著城市化進程的加快，城市數量和規模不斷擴大，大部分城市都在向周邊的一些衛星城市擴展，為有效解決城市交通擁堵、緩解城市環境承載壓力，大多城市在空間形態布局上已呈組團式發展特征。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、經濟和社會效應。

目前國內已經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。國內部分一、二線城市正在設計和規劃的線路也采用了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，對應新的供電制式和更高速度要求，地鐵線路中接觸網通常采用的饋電方案已經不能完全滿足系統的功能性要求，本文將結合已開通線路的運營經驗，對接觸網饋電方案進行分析，以確定合理可行的地鐵快線接觸網饋電技術方案。

1 接觸網饋電方式

地鐵牽引供電系統是由電網輸入線路、牽引變電站、饋電線、牽引接觸網和回流線等構成的供電網絡。接觸網的饋電形式主要有接觸軌和架空接觸網，其中架空接觸網又分為柔性架空接觸網和剛性架空接觸網；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，接觸軌系統是沿軌道線路敷設專為電動車輛授電的系統。接觸軌系統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、中心錨結等組成。電力機車從轉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）和側部授流方式。接觸軌一般采用鋼鋁復合材料等低電阻率產品，國內設計的接觸軌線路供電制式一般為DC 750 V或DC 1 500 V，新設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

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

簡單懸掛方式結構簡單，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，調節吊弦可使接觸線對軌面高度保持一致，使接觸網彈性均勻。

圖4 鏈形懸掛例圖

1.3 剛性架空接觸網

剛性架空接觸網（圖5）是將接觸導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，使接觸懸掛系統具備最小的結構高度，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的關鍵部件，既是接觸線的懸掛支持體，也是接觸網的主要載流導體，一般采用鋁材質。匯流排有“T”型和“П”型2種形式。“T”型匯流排采用長夾板和螺栓固定接觸線，結構比較復雜，不易安裝和維修，當需要更換接觸線時，必須松開所有與其相關的螺栓，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特殊設計的工作導槽，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，因此國內剛性架空接觸網通常都采用“Π”型匯流排。

圖5 剛性架空接觸網例圖

2 接觸網饋電方案分析

為了保證電動車組良好的供電質量，接觸網應順直平滑，在高速行車中能始終保持正常穩定的接觸授流，接觸網應具有足夠的耐磨性與良好的導電性，使用壽命盡量長，并力求結構簡單，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（或靴軌）的動態匹配關系要求不高，接觸軌和架空接觸網均可滿足系統的性能要求。由于采用鏈形懸掛的柔性架空接觸網結構高度較高，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，地上線路則大多采用柔性架空接觸網。

國內已經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設計，其中上海地鐵16號線采用接觸軌系統，其余線路地下區段均采用剛性架空接觸網系統。這些線路在運營初期由于調整精度不足等原因導致頻繁的拉弧放電、跳閘等事故，尤其是在膨脹接頭位置，經過多次精細調整后已可滿足系統要求。蘭武線烏鞘嶺隧道段是國內第一條在160 km/h線路上采用剛性架空接觸網的線路，運營初期供電質量及受流關系并不理想，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，受電弓拉弧非常明顯，運營期間導致為其供電的深溝牽引變電所213、214開關頻繁跳閘（2007年度：213開關跳閘44次、214開關跳閘48次，累計停時148 min，跳閘原因91%為受流關系；2008年度：213開關跳閘36次、214開關跳閘41次，累計停時112 min，跳閘原因85%為受流關系；2009年度：213開關跳閘33次、214開關跳閘37次，累計停時97 min，跳閘原因84%為受流關系），3年間共發生跳閘237次，重合成功133次，累計停時357 min，對行車安全產生較大影響。前期安裝精度不足及后期線路沉降引起導線高差變化較大是產生拉弧跳閘的主要原因，后期通過對膨脹接頭、關節、中錨、剛柔過渡等位置進行定位補強及精細調整導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（或接觸軌）之間的動態配合關系是最關鍵的控制因素。運營實踐表明，當運營速度未超過120 km/h時，只需滿足相應的精度要求保證導線（或接觸軌）的平直度，確保弓網（或靴軌）的動態可靠接觸，接觸軌和架空接觸網系統即可滿足運行速度要求。由于接觸軌和剛性架空接觸網低彈性的特性，對其安裝和調整的精度要求極高，尤其在接觸軌的膨脹接頭及斷軌處，剛性架空接觸網膨脹接頭（或關節）、中錨及剛柔過渡等位置的安裝和調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之間的動態跟隨性，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。當運營速度超過 120 km/h以后，接觸軌已經不能滿足系統要求，增加彈性后的剛性架空接觸網理論上可以滿足更高的運行速度要求，國內有些鐵路項目已經采用了160 km/h的剛性架空接觸網，瑞士采用剛性架空接觸網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，由于其具有較好的彈性，受電弓高速運行時動態跟隨性好，弓網關系匹配良好，理論上可以滿足更高的運營速度，目前國內已經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缺點對比見表1。

表1 各種饋電方案優劣對比表

3 結語

通過上述分析并結合實際運營經驗，運營速度在120 km/h及以下時，采用接觸軌和架空接觸網均能夠滿足系統需求，地下區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，但在速度超過100 km/h的線路上，必須嚴格控制導線高度的變化、嚴格控制施工精度，剛性架空接觸網還需要增加懸掛點的彈性。當速度超過120 km/h時，只適宜采用帶彈性支撐裝置的剛性架空接觸網或柔性架空接觸網，采用剛性架空接觸網時必須要合理選擇膨脹接頭（或關節）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均能夠滿足系統要求，但在設計中還需要根據具體運營速度并結合隧道斷面、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，發車密度高，對系統的載流能力、穩定性、可靠性、安全性等方面要求更高，鑒于剛性架空接觸網具備載流量大、結構簡單、事故影響范圍小、維護工作量小等優點，地下區段在滿足動態弓網匹配關系的前提下宜優先采用剛性架空接觸網饋電方式。

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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任公司，高級工程師，電話：18011301681。