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，是城市引導承載綠色低碳出行的骨干交通方式，經(jīng)過二十多年的高速發(fā)展，我國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)簡單、安裝空間小、無斷線隱患、使用壽命長、運維工作量小等優(yōu)點，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)受流功能無異，線路網(wǎng)絡(luò)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)可互聯(lián)互通，實現(xiàn)無縫銜接[1]。自2003年廣州地鐵2號線成功應用架空剛性懸掛后，剛性接觸網(wǎng)在我國城市軌道交通中得到廣泛應用，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供電分區(qū)進行電氣隔離，且保證受電弓機械滑動連續(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，同時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)過時要求碳滑板同時接觸的部件在一個平面內(nèi)，且與軌面平行，運行條件較為苛刻，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，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行電氣分段且運行速度較低的位置，如渡線、聯(lián)絡(luò)線、折返線等。分段絕緣器優(yōu)點是可保證受電弓平滑通過，可滿足快速搶修的需求，具有消弧作用；缺點是安裝工藝較為復雜，調(diào)整難度大，檢修周期短，檢修維護工作量大，受電弓經(jīng)過時易產(chǎn)生硬點導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，增加運營成本，嚴重時對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)重疊長度一般為6.6 m，實現(xiàn)受電弓平滑過渡，匯流排水平間距一般為260～300 mm，實現(xiàn)電氣絕緣。絕緣錨段關(guān)節(jié)處接觸線平行、重疊、等高，既能實現(xiàn)機械分段，同時實現(xiàn)電氣分段，基本消除受電弓高速通過時的拉弧現(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，一般應用于正線需進行電氣分段的位置，如車站牽引所接觸網(wǎng)上網(wǎng)點處。剛性接觸網(wǎng)絕緣錨段關(guān)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝工藝簡單、檢修周期短、檢修維護量小的優(yōu)點，能夠最大限度地保證正線接觸網(wǎng)系統(tǒng)的相對連續(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行情況分析

圖1 深圳地鐵采用的分段絕緣器

通過長期運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，各型號分段絕緣器存在不同程度的問題：運行過程存在輕微拉弧；引弧棒脫落；輔助滑板斷裂；滑板磨損嚴重；滑板脫落等。從剛性接觸網(wǎng)分段絕緣器運營中出現(xiàn)的問題分析，導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。

（2）分段絕緣器應處于負弛度狀態(tài)，由于安裝調(diào)整不當，現(xiàn)場大多數(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)問題的線路，通常列車受電弓碳滑板也會出現(xiàn)較為嚴重的不均勻磨耗情況，碳滑板長時間磨耗出現(xiàn)凹槽，受電弓運行至分段絕緣器處時不能平滑接觸，受電弓對導流板產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)較為嚴重的離線拉弧[2]。

（4）分段絕緣器兩端存在電壓差，列車在渡線、聯(lián)絡(luò)線、折返線運行時速度普遍偏低，受電弓與分段絕緣器接觸、分離的時間較長，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，某型號分段絕緣器兩側(cè)導流板絕緣間距偏大，過渡時受電弓在單支長導流板滑行距離更長，由于受電弓的抬升力，分段絕緣器間隙側(cè)受電弓抬高，高于即將過渡到的對側(cè)長導流板，過渡時導致一定程度的碰撞，由于頻繁的碰撞振動，導流板與分段絕緣器本體固定螺栓松動，致使導流板導高降低，出現(xiàn)打弓事故。

各類分段絕緣器問題對弓網(wǎng)關(guān)系造成較大影響，為地鐵車輛安全運行埋下了隱患。較為嚴重的問題，如深圳地鐵10號線試運行期間分段絕緣器滑板技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化，受電弓通過時碰撞分段絕緣器滑板，導致滑板松脫下垂侵入受電弓運行范圍，造成2起嚴重弓網(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，隨著運營時間增長，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，增大了運營維護成本[4-5]。

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

“法官，按我的理解，你的意思是，當著我和我那幾個小孩子的面，無緣無故地殺害我丈夫的這個人是無罪的？法律對他只能這樣了？”“沒錯，兩種說法都一樣。”我回答。

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，開展對調(diào)整剛性懸掛電分段形式的研究，按照運營調(diào)研-理論研究-線路試驗-建設(shè)應用-行業(yè)推廣的思路開展研究和應用工作：（1）對深圳地鐵已開通線路的分段絕緣器、絕緣錨段關(guān)節(jié)進行使用情況及問題調(diào)研；（2）組織深圳地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計、施工和運營單位對調(diào)整方案進行可行性分析論證；（3）選取具備條件的新建線路某處進行分段絕緣器改為絕緣錨段關(guān)節(jié)試驗驗證；（4）試驗取得良好效果后，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)運行經(jīng)驗，對比分析分段絕緣器與絕緣錨段關(guān)節(jié)的運行效果，在行業(yè)內(nèi)進行推廣應用，提高接觸網(wǎng)運行的可靠性，減少建設(shè)及運營成本。

3.2 可行性及經(jīng)濟性分析

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)饋線來自同一牽引變電所的同一母線，且上網(wǎng)點距離較近，理論上電分段兩側(cè)電位差很小，受電弓通過絕緣錨段關(guān)節(jié)等高點時的瞬間兩供電臂短路，不易產(chǎn)生電弧，對牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行影響不大，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時產(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、運行強度低的部分渡線、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營需求，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號線一期鹽田路站下行折返線為例，原設(shè)計剛性分段絕緣器設(shè)備安裝費為67 665元（其中設(shè)備費65 000元，安裝費2 665元）。絕緣錨段關(guān)節(jié)的估算費用見表1。

表1 絕緣錨段關(guān)節(jié)成本

由此可見，絕緣錨段關(guān)節(jié)相對分段絕緣器建設(shè)成本更低，同時還節(jié)約了后期運營維護成本，具有較好的經(jīng)濟性。

3.3 弓網(wǎng)仿真分析

通過弓網(wǎng)動態(tài)相互作用仿真，以要求更為嚴苛的80 km/h速度等級條件評估剛性懸掛絕緣錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)動態(tài)性能。仿真模型中匯流排采用beam4梁單元進行建模，Π型匯流排高110 mm，寬85 mm，匯流排底部開槽，用以夾持接觸線。匯流排并不是連續(xù)結(jié)構(gòu)，匯流排之間通過中間接頭連接，由于中間接頭質(zhì)量相對較小，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、下框架三級等效，如圖2所示。

圖2 受電弓等效模型

通過仿真，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力曲線、弓頭垂向加速度曲線、滑板垂向動態(tài)位移曲線見圖3，弓網(wǎng)接觸力的特征統(tǒng)計值見表2。

表2 弓網(wǎng)接觸力特征統(tǒng)計值（80 km/h時） N

圖3 弓網(wǎng)仿真結(jié)果

可見，80 km/h速度等級下弓網(wǎng)接觸力各項特征值滿足規(guī)范要求，前中后受電弓接觸力標準偏差較為接近，弓網(wǎng)動態(tài)性能相當，受電弓通過絕緣錨段關(guān)節(jié)時弓網(wǎng)關(guān)系良好。

3.4 試驗驗證

本次試驗選取深圳地鐵8號線一期鹽田路站下行折返線為試驗地點，驗證分段絕緣器改絕緣錨段關(guān)節(jié)的可行性與安全性。8號線一期工程由2號線三期蓮塘站后折返線接出，終至鹽田路站，折返線路全長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)置常閉電動隔離開關(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)置常開電動隔離開關(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，由于運營期間左、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，當受電弓碳滑板經(jīng)過該分段絕緣器時，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)，用于驗證在有一定電位差的情況下采用絕緣錨段關(guān)節(jié)實現(xiàn)電分段時的運行狀況和弓網(wǎng)關(guān)系。

折返線原接觸網(wǎng)平面布置圖見圖5（a）。從平面布置圖中可以看出，原設(shè)計接觸網(wǎng)拉出值由-200 mm經(jīng)過19個定位點過渡到+200 mm，D1-10、D1-11定位點拉出值為0 mm，D1-10、D1-11定位點之間為原設(shè)計分段絕緣器的安裝位置，中心錨結(jié)設(shè)置于D1-12定位點處。現(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)，新增加的定位點拉出值分別設(shè)置為+100 mm、+130 mm、-130 mm、-95 mm，同時在D1-06、D1-14處設(shè)置兩個中心錨結(jié)，詳見圖5（b）。

圖5 折返線接觸網(wǎng)平面布置

3.5 試驗結(jié)論

為監(jiān)測改造后絕緣錨段關(guān)節(jié)的運行狀態(tài)，在絕緣錨段關(guān)節(jié)處裝設(shè)了高清攝像頭，通過該攝像頭對8號線一期試運營期間列車受電弓經(jīng)過該絕緣錨段關(guān)節(jié)時的弓網(wǎng)關(guān)系進行實時監(jiān)測。車載及固定錄像資料顯示，該絕緣錨段關(guān)節(jié)在列車受電弓通過時受電弓通過性良好，無明顯拉弧現(xiàn)象，弓網(wǎng)關(guān)系無異常。變電所內(nèi)設(shè)備運行日志顯示，受電弓通過該絕緣錨段關(guān)節(jié)時取流正常，數(shù)據(jù)無異常波動。

結(jié)合線路運營實際工況分析，試驗點絕緣錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)關(guān)系良好。受電弓運行狀態(tài)良好的原因主要包括兩個方面：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，當兩供電臂列車運行情況相近時，電位差相對較小；二是鹽田路站作為8號線一期的始發(fā)站，列車從左線進入到達鹽田路站后先進行清客，然后再載客，客流量較小，列車經(jīng)過絕緣錨段關(guān)節(jié)時處于輕載狀態(tài)，且速度較慢，列車取流很小。

綜上，通過可行性分析和深圳地鐵8號線鹽田路站試驗驗證，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行和取流要求，且運行狀態(tài)良好，具備一定推廣應用價值。

4 結(jié)語

本文通過理論分析及現(xiàn)場試驗，證明在電位差較小、具備安裝空間、運行強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營需求，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)安裝簡單、維護工作量少和成本低的優(yōu)點，在后續(xù)深圳地鐵建設(shè)過程中，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，并在長期運行過程中與運營單位共同跟蹤、記錄運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，進一步研究分析絕緣錨段關(guān)節(jié)在渡線、聯(lián)絡(luò)線等更加復雜工況處應用的可行性，為該方案在行業(yè)內(nèi)推廣奠定基礎(chǔ)。