成都軌道交通13號線電分相段平縱斷面設計研究*

張 浩 周虎利 吳明超

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)， 710043， 西安； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 710043， 西安∥第一作者， 高級工程師)

為適應城市空間結構的優化提升，城市軌道交通涌現出越來越多的市域軌道交通快線(以下簡稱“市域快線”)。線路等級速度為100 km/h或120 km/h的線路采用直流供電方式，不涉及電分相。當速度等級進一步提高到140 km/h及以上時，交流供電相比直流供電更能適應線路運營的需求，采用交流供電方式的市域快線必須設置電分相。

電分相在國鐵線路中應用廣泛且成熟。國鐵線路采用統一的單向工頻交流25 kV供電方式，站間距大，列車的運行速度高。在電分相區段內列車需斷電惰行，由此產生速度損失，對運營有較大影響。與國鐵線路相比，市域快線的站間距一般較小，列車運行速度較低，電分相無電區長度占整個區間的比例較大，其對運營的影響更為嚴重。因此，本文依托成都軌道交通13號線項目，著重研究如何選擇合理的區間位置設置電分相，并結合設置條件優化調整線路的平縱斷面，使列車可以較高的速度通過，減少對運營的影響[1-2]。

1 成都軌道交通13號線工程項目概況

1.1 線路概況

13號線是成都市“中心穿越、全局覆蓋、遠景預留、互聯互通”的市域快線網的重要組成部分，全長99.7 km，設站39座。該線采用8節編組的A型車，線路等級速度為140 km/h。牽引供電系統采用單相工頻25 kV交流制、帶回流線的直接供電方式，接觸網采用架空柔性接觸網[3-4]。

13號線分兩期進行建設，其中：一期工程位于城區，長度29.1 km，設站21座，全為地下線路，因平均站間距較小，為1.39 km，故線路等級速度定為100 km/h；二期工程位于兩端的郊區，平均站間距為3.92 km，線路等級速度定為140 km/h。

1.2 供電方案

根據牽引供電需要，在13號線一期工程兩端設置培風和龍泉2座牽引所，牽引所間設置新南門分區所，實現越區支援供電。13號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個變電所及分區所出口處設置電分相裝置，實現不同相位電壓的隔離，所設置的電分相分別位于老馬堰站—培風站區間、新南門站—望江路站區間、公園大道站—龍華寺站區間[5-6]。

2 電分相設置

2.1 電分相設置形式

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跨關節式電分相，中性段長度一般為120 m，無電區長度不大于60 m，如圖2所示。

注：1—隔離開關；2—支柱；3—下錨補償裝置；4—絕緣子。圖2 6跨關節式電分相示意圖

圖3為電分相按TG/01—2014《鐵路技術管理規程》、TB/T 3197—2018《車載控制自動過分相系統技術條件》的規定設置標識牌和地面磁感應器。圖3中，a為中性段兩端垂直投射到鋼軌上的位置至第1個磁感應器G2(或G3)的距離為a；b為第1個磁感應器G2(或G3)至第2個磁感應器G1(或G4)的距離[7-8]。

如圖3所示，列車運行至中性段前G1磁感應器處時，由右側接收設備接收到的定點信號判定為預告信號，列車控制系統進入預告模式；牽引控制系統控制牽引電機電流平穩下降至0，斷開輔助供電系統，然后斷開主斷路器。列車運行至中性段前G2磁感應器處時，若列車仍未完成斷電，則強迫斷電信號起作用，牽引控制系統立即封鎖牽引電機電流，并斷開主斷路器。

圖3 電分相處電磁枕設置示意圖

參照TB/T 3197—2018《車載控制自動過分相系統技術條件》的規定，本文取a=35 m，b=170 m進行檢算[9]。

2.2 信號系統設置

在適當位置設置信號機，使列車能在分相區防護信號機前加速，列車在進入無電區前具有足夠的動能，可以較高的速度惰行通過分相區。電分相處信號系統設置如圖4所示，其中：L2=2a+2b+L中性段(L中性段為中性段的長度)。

圖4 電分相處信號系統設置

以上是結合電分相設置形式，在適當位置安裝信號裝置，從設備功能方面，為列車能夠以適合的速度通過電分相創造條件。下面通過優化線路平縱并結合牽引計算從設計方面，改善列車行駛條件，使列車可以較高速度通過，以減少對運營的影響。

3 線路平縱斷面的優化設計

3.1 不同坡度對速度、距離、時間的核算

考慮到列車在區間停車及恢復自啟時，若駛入分相區速度較小，就可能會在分相區內停車或駛出速度較小，對運營產生較大影響。為保證列車駛入分相區的速度較高，需針對分相區內不同坡度情況下列車的速度、距離、時間進行核算，如表1所示。

3.2 電分相設置原則

根據表1，本文總結出電分相所在區間的線路平面和縱坡設置原則如下：

1) 線路坡度越緩，列車速度損失量越小；線路坡度越陡，列車速度損失量越大。因此，電分相宜設置于緩坡段，盡量減少速度損失量。城市軌道交通線路普遍設計成“高站位、低區間”的節能坡，電分相應避免設置在車站端部陡坡段，而應設置在區間凹形坡的緩坡段。

表1 不同坡度情況下電分相處行車核算

2) 駛入分相區時的速度越高，速度損失量越小；駛入分相區時的速度越低，速度損失量越大。因此，應盡量保證列車以較高的速度駛入分相區。

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，電分相應盡量設置在較大站間距的區間中部，站間距應滿足列車加速距離及制動距離的要求。

4) 電分相應優先選擇在直線段或大半徑曲線段，避免設置在小半徑曲線限速區間。

設計中依據上述原則選擇適合的區間位置設置電分相，然后再結合牽引計算反復分析驗算列車通過電分相區的駛入速度和駛出速度，使速度損失降到最低，即是最佳的電分相位置。

3.3 電分相設置區間線路平縱斷面的優化

3.3.1 老馬堰站—培風站區間

老馬堰站—培風站區間的站間距為1 357 m。培風牽引所電分相斷電區選擇在該區間中部，分布1組半徑為3 000 m的曲線，不限速；該區間為凹型節能坡區間，縱坡設計為5.3‰、5.0‰。老馬堰站出站端原設計半徑為450 m曲線，牽引計算及縱坡如圖5 a)所示。由于半徑為450 m曲線限速，導致列車駛入電分相的速度為82 km/h，動能闖坡駛出速度為71 km/h，速度損失為13.5%。

優化方案為：加大站端曲線半徑至600 m，其牽引計算及縱坡如圖5 b)所示。此時列車駛入電分相的速度為90 km/h，駛出速度為83 km/h，速度損失僅為7.8%。

a) 原設計方案

b) 優化方案

3.3.2 新南門站—望江路站區間

新南門站—望江路站區間的站間距為1 164 m。原設計方案中，新南門站、望江路站2個車站的端部均為大坡度，電分相斷電區部分位于20‰坡段，牽引計算及縱坡如圖6 a)所示。此時列車駛入電分相的速度為81 km/h，駛出速度為71 km/h，速度損失為12.3%。

優化方案為：優化縱坡，新南門分區所電分相斷電區完全位于緩坡段，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，牽引計算及縱坡如圖6 b)所示。此時列車駛入電分相的速度為83 km/h，駛出速度為76 km/h，速度損失僅為8.4%。

a) 原設計方案

b) 優化方案

3.3.3 公園大道站—龍華寺站區間

公園大道站—龍華寺站區間的站間距為1 439 m，分布2組曲線，半徑分別為800 m和1 000 m，不限速；該區間為凹型節能坡區間，緩坡段縱坡設計為8.0‰、14.1‰。龍泉牽引所電分相斷電區選擇在公園大道站—龍華寺站區間中部緩坡段，如圖7所示。該區間站間距較大，利于電分相的設置，列車駛入電分相的速度為90 km/h，動能闖坡駛出速度為84 km/h，速度損失僅為6.7%，電分相位置已為最優，不需再優化。

3.4 牽引計算結果分析

分析牽引計算結果得出，列車在上述3處電分相設置區間的速度損失均小于10%，列車可以保持較高速度通過，不會在電分相區域內停車，且對旅行速度及旅行時間的影響均較小。這3處的電分相位置為最優方案。

圖7 公園大道站—龍華寺站區間的牽引計算及縱坡設計

綜合上述，列車駛入電分相的速度應盡量高，以不低于80 km/h為宜；電分相應設置于緩坡段，坡度以小于15‰為宜。這樣既有利于實現列車以高速通過，也可降低速度損失。

4 結語

本文通過分析市域快線電分相設置對列車速度的影響，以及對線路坡度、站間距的要求，總結出電分相的設置原則。優化了成都軌道交通13號線培風牽引所、新南門分區所和龍泉牽引所3處電分相區間的平縱斷面設計方案，并合理設置電分相位置。結合牽引計算進行驗算后得出結論，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，對運營的影響較小。本文的研究對市域快線的交流供電制式具有一定指導意義，主要結論與建議如下：

1) 電分相宜設置于區間凹形坡的緩坡段，盡量減少速度損失量。

2) 盡量保證列車以較高速度駛入分相區。

3) 電分相應盡量設置在較大站間距的區間中部，以滿足列車加速距離及制動距離的要求。

4) 電分相應優先選擇在直線區段或大半徑曲線段落，避免設置在小半徑曲線限速區間。