地铁快线接触网馈电方案分析

田广辉



地铁快线接触网馈电方案分析

田广辉

通过对接触轨和架空接触网馈电方案的分析比选，并结合已开通线路的运营经验，确定了地铁快线不同速度目标值时的接触网馈电方案。

地铁快线；接触网；接触轨；刚性；柔性

0 引言

传统地铁通常采用的系统技术最高允许运行速度为80～100 km/h，在京沪广深等中心城市已广泛应用。按照我国地铁建设的3个标准（城市人口300万以上，GDP达到1 000亿元，地方财政收入100亿元），全国约有50座城市可以申请建设地铁。随着城市化进程的加快，城市数量和规模不断扩大，大部分城市都在向周边的一些卫星城市扩展，为有效解决城市交通拥堵、缓解城市环境承载压力，大多城市在空间形态布局上已呈组团式发展特征。为满足乘客中、长距离出行需求，一些向周边辐射的地铁线路最高运行速度目标值须提高到120 km/h甚至140 km/h或160 km/h，方可达到最佳技术、经济和社会效应。

目前国内已经开通的东莞市城市快速轨道交通2号线、广州地铁3号线、上海地铁16号线、深圳地铁11号线等最高运行速度均为120 km/h，采用DC 1 500 V供电制式。国内部分一、二线城市正在设计和规划的线路也采用了120 km/h的最高运营速度和DC 1 500 V供电制式。正在设计的地铁线路如成都17号线、18号线将最高运行速度提高到140 km/h，北京新机场线则提高到 160 km/h。采用超过120 km/h的更高运行速度时，受车辆选型、站间距加大等因素影响，一般都采用AC 25 kV供电制式。地铁线路运行速度提高后，对应新的供电制式和更高速度要求，地铁线路中接触网通常采用的馈电方案已经不能完全满足系统的功能性要求，本文将结合已开通线路的运营经验，对接触网馈电方案进行分析，以确定合理可行的地铁快线接触网馈电技术方案。

1 接触网馈电方式

地铁牵引供电系统是由电网输入线路、牵引变电站、馈电线、牵引接触网和回流线等构成的供电网络。接触网的馈电形式主要有接触轨和架空接触网，其中架空接触网又分为柔性架空接触网和刚性架空接触网；接触轨一般仅用于隧道地铁与封闭的城市铁路和轻轨。除此之外架空接触网还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路等。

1.1 接触轨

接触轨又称第三轨或简称三轨，接触轨系统是沿轨道线路敷设专为电动车辆授电的系统。接触轨系统接触授流部分由接触轨、弯头、连接板、膨胀接头、绝缘支架或绝缘子、绝缘防护罩、中心锚结等组成。电力机车从转向架伸出受流器通过滑靴与接触轨接触而取得电能。接触轨按接触授流位置的不同分为上部授流方式（图1）、下部授流方式（图2）和侧部授流方式。接触轨一般采用钢铝复合材料等低电阻率产品，国内设计的接触轨线路供电制式一般为DC 750 V或DC 1 500 V，新设计采用接触轨的线路大多采用的是DC 1 500 V下部授流方式。

图1 上接触式接触轨例图

图2 下接触式接触轨例图

1.2 柔性架空接触网

柔性架空接触网由带张力的柔性金属导线组成，在运行过程中受电弓与接触线保持可靠的弓网压力，并进行取流。按承力索的设置情况，柔性架空接触网又分为简单悬挂（图3）和链形悬挂（图4）2种类型。

简单悬挂方式结构简单，支柱高度低，支持装置承受的负荷较轻，但是弛度大、弹性不均匀，接触网取流效果差。为改善这一状况，一般在悬挂点处增加一个倒“V”形的弹性吊索即弹性简单悬挂，可以相应改善悬挂点处的弹性和运行状况。

图3 简单悬挂例图

链形悬挂是接触线通过吊弦悬挂到承力索上。链形悬挂通过吊弦使接触线增加了悬挂点，调节吊弦可使接触线对轨面高度保持一致，使接触网弹性均匀。

图4 链形悬挂例图

1.3 刚性架空接触网

刚性架空接触网（图5）是将接触导线夹装在汇流排上的一种悬挂方式，依靠汇流排自身的刚性使接触线保持在同一安装高度，从而取消链形悬挂承力索，使接触悬挂系统具备最小的结构高度，最大程度利用有限的悬挂空间。汇流排是地下线路刚性架空接触网的关键部件，既是接触线的悬挂支持体，也是接触网的主要载流导体，一般采用铝材质。汇流排有“T”型和“П”型2种形式。“T”型汇流排采用长夹板和螺栓固定接触线，结构比较复杂，不易安装和维修，当需要更换接触线时，必须松开所有与其相关的螺栓，既费工又费时；“Π”型汇流排利用其自身的弹性固定接触线，汇流排底部装配了经特殊设计的工作导槽，便于专用的、弹性钳口可张开的放线小车沿汇流排运行，大大提高了放、换接触线速度，因此国内刚性架空接触网通常都采用“Π”型汇流排。

图5 刚性架空接触网例图

2 接触网馈电方案分析

为了保证电动车组良好的供电质量，接触网应顺直平滑，在高速行车中能始终保持正常稳定的接触授流，接触网应具有足够的耐磨性与良好的导电性，使用寿命尽量长，并力求结构简单，易于施工、维护及维修。对于普通速度（时速低于100 km）的城市轨道交通线路，电力机车取流时对弓网（或靴轨）的动态匹配关系要求不高，接触轨和架空接触网均可满足系统的性能要求。由于采用链形悬挂的柔性架空接触网结构高度较高，且载流能力小，同时需要配套1～4根辅助馈线和较大的隧道断面尺寸才能满足安装条件，另外柔性架空接触网带有张力，虽然两端的下锚处具备断线制动功能，但是一旦发生钻弓、烧融、受电弓故障等引起断线事故，其事故影响范围、维护和抢修工作量都相对较大。因此，城市轨道交通地下线路大部分采用接触轨或刚性架空接触网，地上线路则大多采用柔性架空接触网。

国内已经开通运营的东莞市城市快速轨道交通2号线、广州地铁3号线、上海地铁16号线、深圳地铁11号线等项目均按120 km/h设计，其中上海地铁16号线采用接触轨系统，其余线路地下区段均采用刚性架空接触网系统。这些线路在运营初期由于调整精度不足等原因导致频繁的拉弧放电、跳闸等事故，尤其是在膨胀接头位置，经过多次精细调整后已可满足系统要求。兰武线乌鞘岭隧道段是国内第一条在160 km/h线路上采用刚性架空接触网的线路，运营初期供电质量及受流关系并不理想，列车高速通过时尤为突出，硬点多且冲击力大，机车受电弓离线情况频发，受电弓拉弧非常明显，运营期间导致为其供电的深沟牵引变电所213、214开关频繁跳闸（2007年度：213开关跳闸44次、214开关跳闸48次，累计停时148 min，跳闸原因91%为受流关系；2008年度：213开关跳闸36次、214开关跳闸41次，累计停时112 min，跳闸原因85%为受流关系；2009年度：213开关跳闸33次、214开关跳闸37次，累计停时97 min，跳闸原因84%为受流关系），3年间共发生跳闸237次，重合成功133次，累计停时357 min，对行车安全产生较大影响。前期安装精度不足及后期线路沉降引起导线高差变化较大是产生拉弧跳闸的主要原因，后期通过对膨胀接头、关节、中锚、刚柔过渡等位置进行定位补强及精细调整导线高差后方能满足正常的运营要求。

地铁快线运行速度超过100 km/h以后，高速运行的受电弓（或集电靴）与架空接触网（或接触轨）之间的动态配合关系是最关键的控制因素。运营实践表明，当运营速度未超过120 km/h时，只需满足相应的精度要求保证导线（或接触轨）的平直度，确保弓网（或靴轨）的动态可靠接触，接触轨和架空接触网系统即可满足运行速度要求。由于接触轨和刚性架空接触网低弹性的特性，对其安装和调整的精度要求极高，尤其在接触轨的膨胀接头及断轨处，刚性架空接触网膨胀接头（或关节）、中锚及刚柔过渡等位置的安装和调整精度均有极高的要求。为了增强高速运行时受电弓与刚性架空接触网之间的动态跟随性，减少接触线和碳滑板的磨耗，在运营速度超过100 km/h地铁快线的悬挂点处都采用了弹性支撑装置。当运营速度超过 120 km/h以后，接触轨已经不能满足系统要求，增加弹性后的刚性架空接触网理论上可以满足更高的运行速度要求，国内有些铁路项目已经采用了160 km/h的刚性架空接触网，瑞士采用刚性架空接触网的线路运营速度已达到250 km/h。采用链形悬挂的柔性架空接触网，由于其具有较好的弹性，受电弓高速运行时动态跟随性好，弓网关系匹配良好，理论上可以满足更高的运营速度，目前国内已经开通了多条最高运营速度达350 km/h的线路。

各种馈电方案的主要优缺点对比见表1。

表1 各种馈电方案优劣对比表

3 结语

通过上述分析并结合实际运营经验，运营速度在120 km/h及以下时，采用接触轨和架空接触网均能够满足系统需求，地下区段受隧道断面影响等原因一般宜采用接触轨或刚性架空接触网，但在速度超过100 km/h的线路上，必须严格控制导线高度的变化、严格控制施工精度，刚性架空接触网还需要增加悬挂点的弹性。当速度超过120 km/h时，只适宜采用带弹性支撑装置的刚性架空接触网或柔性架空接触网，采用刚性架空接触网时必须要合理选择膨胀接头（或关节）的类型，并精确控制施工误差。运营速度超过120 km/h的地铁快线刚性和柔性架空接触网均能够满足系统要求，但在设计中还需要根据具体运营速度并结合隧道断面、工程造价、运营维护等因素综合分析比选确定最终的选型方案。由于地铁客流量大，发车密度高，对系统的载流能力、稳定性、可靠性、安全性等方面要求更高，鉴于刚性架空接触网具备载流量大、结构简单、事故影响范围小、维护工作量小等优点，地下区段在满足动态弓网匹配关系的前提下宜优先采用刚性架空接触网馈电方式。

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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

田广辉.中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师，电话：18011301681。