城市轨道交通接触轨故障的应急处置

陈 祥

(广州地铁集团有限公司,510700,广州∥助理工程师)



城市轨道交通接触轨故障的应急处置

陈 祥

(广州地铁集团有限公司,510700,广州∥助理工程师)

根据城市轨道交通接触轨的运行特点,基于列车有效取流长度，分析了可能存在的接触轨故障情况,详细描述了应急组织及实施方案,并研究了抢修过程中的难题,初步构建了接触轨故障情况下的应急处置框架,为今后运营出现该类故障的应急处置提供技术支持。

城市轨道交通; 接触轨; 故障; 应急处置

Author′s address Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510700,Guangzhou,China

1 接触轨供电制式的应用

接触轨供电制式是沿线路敷设一条与轨道平行的附加接触轨,通过列车集电靴与接触轨的直接接触,将电能传输给列车的供电方式。接触轨供电系统主要由接触轨、绝缘支架、防护罩、电缆等附件组成[1]。相较于架空接触网,接触轨系统具有结构简单,安装高度低,维修工作量少,城市景观影响小等优势。接触轨供电作为城市轨道交通主要的牵引供电制式之一，广泛应用于国内外城市,在近年研制成功的钢铝复合导电轨用作接触轨后,改善了接触轨受流的技术性能,进一步扩大了接触轨供电制式的应用范围和前景。

由于接触轨在设计和安装上都是无备用的,一旦出现接触轨断轨等大型故障,势必会造成运营中断的严重后果。为了降低故障影响,对接触轨大型故障情况下的应急处置进行分析研究具有重要意义。本文针对接触轨系统的运行特点,对可能存在的接触轨故障情况进行分析,提出应急抢修策略,并研究了应急抢修过程中的难题,为日后接触轨故障的应急处置提供技术支持。

2 接触轨故障应急预案

在集电靴或接触轨部件安装状态不良、车辆附属设备侵限、电客车脱轨、异物侵限、外力破坏等原因造成接触轨出现弯曲、变形甚至断裂等大型故障时,势必造成行车中断,须立即组织应急抢修。

2.1 应急处置原则

在组织接触轨大型故障应急抢修时,在立足安全第一的前提下,以保障运输、兼顾效率为原则,综合考虑接触轨系统主要部件的运输和拆换、列车编组和集电靴的布置方式,研究“先通后复”的可行性。在此基础上有效地组织和实施应急处置方案,设法先行恢复供电,必要时调整牵引变电所向接触轨供电的运行方式,采取单边供电或越区供电等措施,尽量缩短事故影响时间,以最快的速度恢复运营。在保证运营安全的情况下,对遗留问题,在运营结束后再行处理。

2.2 确认故障范围

基于接触轨断口的设置、列车编组和集电靴的布置方式,接触轨的故障抢修组织考虑了如下两种情况:故障范围不高于列车有效取流长度、故障范围大于列车有效取流长度。

广州地铁6号线采用4节编组直线电机车辆,由2个单元车组成(A车+B车组成1个单元)。列车采用4组集电靴(X1、X2、X3、X4)、2个取流单元、低压电气(辅助电气)连通。列车集电靴的分布位置如图1所示。

图1 广州地铁6号线一期工程列车集电靴分布示意图

列车有效取流长度是根据列车编组和两集电靴的距离(含集电靴长度)确定的,在一些特殊区段(如道岔、人防门、车站换边等位置),还需要兼顾接触轨连续断口的设置导致列车间电气不连通的情况。结合广州地铁6号线列车集电靴的布置情况,其列车有效取流长度为lX4-lX1=65.34 m(列车首尾集电靴X1与X4的间距),同时也是接触轨所能允许的最大单断口长度,一旦超出这个长度,便形成供电盲区,无法满足列车连续可靠取流,造成列车整车失电,使行车运营存在一定风险。

此外,集电靴在通过断口时,与接触轨端部弯头的接触仍存在一段空当区域,因此还需要考虑集电靴与端部弯头的始触点位置。根据现场测算,该位置距离端部弯头(长5.2 m,坡度1∶41)末端1.84 m左右,即在设置了接触轨断口的区域,列车集电靴通过断口时无法从接触轨取流的距离要大于接触轨断口设置的实际距离[2]。

因此,为避免列车失电,接触轨设置单断口的最长距离为65.34 m-1.84 m×2=61.66 m。广州地铁采用的钢铝复合接触轨标准长15 m,即现场确认断轨故障范围是否超过4根接触轨,即60 m。

2.3 应急处置方案

在应急处置方案中,应尽量减少故障设备的拆装数量,力争用最少的设备安装来确保电客车恢复运营,满足“先通后复”的应急抢修原则。

2.3.1 故障范围小于等于列车有效取流长度

在图2所示的故障抢修模式下,抢修人员到达现场后,将故障范围内的接触轨整根拆除,在两端各安装1个端部弯头即可恢复运营通车。抢修作业时,从两端开始往中间拆除,以便更快地安装端部弯头,节省抢修时间。拆除的故障部件直接放置在道床两侧水沟内,做好稳固措施,避免侵限。待运营结束后,再运输标准备件至故障点,以恢复接触轨的正常工作状态[3]。

2.3.2 故障范围大于列车有效取流长度

在图3所示的故障抢修模式下,抢修人员到达现场后,现场测算接触轨故障长度,超出列车有效取流长度的部分采用短接触轨来弥补,消除供电盲区,然后在两端安装端部弯头,即可恢复运营通车。

图2 接触轨断轨故障抢修方案1

图3 接触轨断轨故障抢修方案2

在图4所示的故障抢修模式下,在故障两端各安装1个端部弯头后,还需要在中间增加一处短锚段接触轨,该锚段与相邻的接触轨端部弯头采用电缆连接导通。在满足持续载流量要求的前提下,较正常情况可减少电缆连接数量。当断轨范围大大超出列车有效取流长度时,宜选择该方案,以多设置1处断口的方式来避免大量安装接触轨,同时也便于抢修人员全面铺开,多点开工。需要注意的是,短接触轨带来的连续断口容易导致列车的所有集电靴同时处于空当区域,无法与接触轨完好接触取流,造成受流盲区。

图4 接触轨断轨故障抢修方案3

图5为短锚段接触轨及断口长度计算图。由图5可知,列车进入该故障区段时,行车方向第1节动车的集电靴X1离开B区接触轨时,集电靴X2与B区接触轨完好接触取流的必要条件为：

L-2a>lX2-lX1

(1)

末节动车集电靴X4离开A区接触轨时,集电靴X3与B区接触轨完好接触取流的必要条件为:

y1+2a

(2)

图5 短锚段接触轨及断口长度计算图

同样地,在集电靴X2离开B区接触轨时,集电靴X1与C区接触轨完好接触取流的必要条件为：

y2+2a

(3)

集电靴X3离开B区接触轨时,集电靴X4与B区完好接触取流的必要条件为:

L-2a>lX4-lX3

(4)

式(1)～(4)中:

a——接触轨端部弯头无法与集电靴接触的长度;

y1、y2——接触轨间断口的长度;

L——短锚段接触轨长度。

由以上分析可知,在满足式(1)或式(2)的条件下,列车通过断口y1时,才能保证列车至少有1组集电靴能够从A区或B区取流。在满足式(3)或式(4)的条件下,列车通过断口y2时,才能保证列车至少有1组集电靴能够从B区或C区取流。因此,故障现场采用抢修方案3时,务必结合列车编组和集电靴的布置方式,计算中间短锚段接触轨以及两端断口的长度,避免列车所有集电靴同时无法取流的情况。

在接触轨出现断轨故障时,不可避免地会导致绝缘支架出现扭曲变形、破损断裂等故障。以“先通后复”为原则,运营期间,在处理绝缘支架故障时,应尽可能地减少设备的拆装。除端部弯头处的绝缘支架必须恢复外,其他部分可视具体情况而定。若确认支架破损部位不会侵入行车限界,并且支架的机械性能允许,可暂不处理。若支架破损严重或完全断裂时,并引起接触轨技术参数有较大变化,则须立即进行更换处理。在确保接触轨技术参数符合基本行车要求的前提下,必要时直线段可隔1个定位恢复1个支架,曲线段可每3个定位连续恢复2个支架,保证接触轨达到基本通车条件后,立即开通运营,可采用降速通过的模式,待收车后再完全恢复。

这种抢修策略,其本质都是针对接触轨故障范围设置临时断口,在断口处安装端部弯头来引导列车集电靴通过故障区域,将原有的接触轨双边供电方式转变为非正常情况下的单边供电方式,以此来恢复运营通车。由于设置了新的断口,2个端部弯头处未安装电连接,2个不同供电臂的供电末端存在电压差,列车通过时集电靴与接触轨间易产生拉弧现象,对设备有一定程度的损伤,但不至于影响集电靴与接触轨系统的受流质量,可以满足行车安全要求。

3 故障应急处置的难点

3.1 大型接触轨零部件的运输

接触轨的设计和安装是全刚性的,加之长度过大,需要出动轨道车和平板车来运输抢修材料,势必扩大影响面,增加抢修时间。由于大型抢修物资的运输限制,使其根本无法实现接触轨供电方式在应急抢修情况下的安装简单、快捷的优势。

对于时间紧急、影响重大而又没有冗余功能的突发性故障处置,合理地配置应急备件是提高故障处置效率的关键途径。在配置接触轨应急备件时,考虑维修服务承诺修复时间,根据接触轨故障处置需要,以快速响应为原则,对接触轨、端部弯头、膨胀接头、中间接头、绝缘支架、底座等零部件按班组驻点、设备连锁区、供电分区、车辆段等进行配置,配置数量应符合生产实际情况,做到既能满足应急需要,又不造成闲置浪费。

另一方面,在抢修材料的选取上要善于就地取材,若故障范围内没有合适的接触轨备件,结合现场实际情况,在行车中断区域内,距离故障点最近的渡线、折返线、存车线等辅助线,其接触轨或端部弯头等设备可临时停用,用以紧急恢复正线故障设备。此外,也可考虑将标准长15 m的接触轨切割成5 m甚至更短的短轨进行存放,以化整为零的方式解决大型零部件的运输难题,同时也方便人工搬运至故障点。

3.2 端部弯头的安装限制

接触轨跨距一般为5 m,在端部弯头处跨距会相应减小,5.2 m高速端部弯头的2个绝缘支架间距一般为3.75 m。因此,在采用上述抢修方案时,拆除故障的接触轨后,需要考虑能否在原有的定位处直接安装端部弯头。

根据接触轨的安装跨距要求,正常情况下,端部弯头需要采用2个绝缘支架进行支撑。因端部弯头的耐电弧烧损、耐冲击特性,故要求具有合理的坡度[4]。端部弯头是根据适用的纵向坡度采用整体弯曲的方式而制造成型,这种方式使得端部弯头末端定位处的安装面变成斜面,导致普通的接触轨绝缘支架无法安装。为使定位处的形状与普通接触轨相同,在距离端部挂环0.864 m的末端定位处焊接一段特制的T型材平直段,长度为0.5 m,这样的特殊构造使得端部弯头末端可安装绝缘支架的位置相当局限。

接触轨跨距一般为5 m,平面布置标准如图6所示,中间接头连接位于跨距中部,距两端绝缘支架2.5 m,当拆除某根故障接触轨时,要在跨距5 m的两定位处安装5.2 m端部弯头,存在一段5 m+2.5 m-5.2+0.864 m=3.164 m的空当。考虑T型材有0.5 m的平直段可安装端部弯头末端定位支架,该处需要嵌入一段3 m左右的短接触轨,通过中间接头连接端部弯头和正常接触轨。现场安装示意图如图7所示。

图6 接触轨平面布置标准

图7 端部弯头应急抢修安装示意图

此时,端部弯头仅采用末端一处绝缘支架进行支撑,设备安装稳定性有所下降。在恢复运营后,列车通过故障区段时必须降速通过,避免对该端部弯头造成过大的振荡及冲击。

3.3 支架底座受损处理

底座的标准安装是在道床或轨枕上通过打孔安装锚栓连接固定。在故障现场,支架底座可能出现受损的情况,甚至严重变形、断裂而无法使用,若在抢修现场打孔重新安装,将进一步影响故障处置效率。

在地下整体道床区段,定位处打孔安装膨胀锚栓后,距走行轨轨面连线220 mm且与之平行的平面,采用强度等级不低于C20的混凝土抹成一个安装平台,然后安装支架底座。当底座损坏无法使用时,从底座处切割锚栓,拆除受损底座,然后清除混凝土平台,直接贴着道床面,利用埋在混凝土平台中的锚栓来固定底座,此时绝缘支架调节高度不够,可参照端部弯头支架的安装方法,在底座上安装一个垫块。若故障导致道床面损坏,锚栓整体无法使用时,视现场实际情况,在条件允许的情况下减少相应定位支撑或延长断口设置,同时为提升该极端情况下的应急效率,可自行研制应急抢修底座,直接安装在钢轨底面，通过螺栓连接进行固定,其底座水平距离和安装高度应满足接触轨运行标准。

4 故障处置的注意事项

(1) 本文所提出的应急处置属临时修复,接触轨仍处于非正常工作状态,机械、电气性能以及设备安装稳定性有所下降,为确保行车安全,列车在通过故障区段时必须降速运行,其实际速度要根据故障区段位于正线的位置而定。

(2) 在制定抢修方案时,务必充分考虑集电靴的布置、集电靴与端部弯头的接触空当区域,避免列车运行过程中整车失电,列车只能依靠惯性通过断口,一旦误停在断口内,只能等待救援,从而再次导致运营中断。

(3) 恢复运营后,安排人员进入司机室登乘列车或限速进入区间观察,实时监控应急处置后的接触轨系统运行状态[5]。

5 结语

通过判断故障范围、指明抢修策略、攻关应急处置难点等内容的阐述,初步构建了接触轨故障情况下的应急处置框架,进一步结合现场实际情况,开展应急演练,不断地优化和完善应急预案,确保应急处置更具安全性和高效性,从而保障地铁安全运营。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通接触轨供电系统技术规范:CJJ/T 198—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[2] 赖声钢.接触轨系统在道岔区可能存在列车失电问题的原因分析及解决方案[J].城市轨道交通研究,2015(5):115-119.

[3] 曾斌,曾建.下接触式接触轨的应急抢修[J].都市快轨交通,2013(5):104-107.

[4] 李峰.直流1 500 V接触轨端部弯头的研究[J].城市轨道交通研究,2011(6):83-85.

[5] 黄平.城市轨道交通弓-网及靴-轨关系故障分析处置[J].城市轨道交通研究,2012(7):64-67.

Emergency Disposal of Contact Rail Failures in Urban Rail Transit

CHEN Xiang

According to the operation characteristics of contact rail system, and the effective length of train current-receiving, the possible contact rail failures are analyzed. Then, the emergency organization and the program implementation are described in detail. On this basis, an emergency response framework in case of the contact rail failures is established preliminarily, it is available to give support to the emergency disposal of similar failures in train operation.

urban rail transit; contact rail; failure; emergency disposal

U 231+.8; U 226.1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.035

2016-04-15)