市域快线隧道内接触网选型研究

冯 超

市域快线隧道内接触网选型研究

冯 超

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

市域快线介于国铁和地铁之间，具有国铁快速、站间距大的特点，也具有地铁客流量大、公交化运营的特点。作为轨道交通列车受流的关键设备，合理的接触网选型是保证轨道交通安全、可靠运行的重要前提之一。本文假设最高运行时速160km/h，结合市域快线的运行特征，对比架空柔性接触网及架空刚性接触网两种方案的优缺点，最终给出了接触网选型建议，推荐市域快线隧道内采用架空刚性接触网。

城市轨道交通；牵引供电系统；接触网选型；架空刚性接触网；架空柔性接触网

0 引言

市域快线跨越中心城区和城郊，介于国铁和地铁之间，总体而言兼顾了高速和高密度的特点，速度快、站间距大、客流量大和运行服务等级高。

市域快线，其建设目的是连接新发展城区和核心城区，缩短城区间的间距，时空目标要求高，速度目标达到160km/h，客流密度大。新发展城区一般距离核心城区较远，所以市域快线距离较长，跨越郊区，车站数较少，站间距大。

由于速度等级高，供电制式选型一般为AC 25kV牵引供电方式。

以广州市轨道交通18号线和22号线为例，两条线跨越广州市天河区、海珠区、荔湾区、番禺区和新发展南沙区，时空目标从南沙到广州东站30min，最高时速160km/h，平均站间距7.6km，全地下敷设，牵引供电系统采用AC 25kV。

1 接触网形式的发展和现状调查

就接触网形式而言，主要有架空柔性接触网、架空刚性接触网和接触轨3种形式。3种形式皆有广泛的应用，技术成熟，目前架空柔性接触网国内高速客运专线设计时速已达到350km/h，国外最高试验速度已达到500km/h；架空刚性接触网目前最高运营速度250km/h，最高试验速度已超过300km/h；而接触轨系统最高运营速度可达160km/h。市域快线最大运营速度160km/h，由于国内目前还没有适用于接触轨的车辆选型，仅针对架空柔性接触网和架空刚性接触网展开研究。

表1 接触网形式调查表

从表１[1]统计可以看出，无论是架空柔性接触网还是架空刚性接触网在国内外均有应用，具有相关建设及运营经验。

2 架空柔性接触网方案

2.1 悬挂类型及导线组成

架空柔性接触网示意图如图1所示，线材包括接触线、承力索、辅助馈线和回流线等。正线采用全补偿简单链形悬挂方式。载流截面由行车密度、供电方式等因素确定，一般每条正线需架设4到5根导线。支持结构采用绝缘旋转腕臂[2]。

图1 架空柔性接触网示意图

全线采用简单链形悬挂，正线采用承力索+接触线+加强线+回流线组合；正线配线采用承力索+接触线组合。

2.2 主要技术数据

接触线高度的选择应根据机车受电弓的工作高度范围、最佳工作状态和对地的绝缘距离等因素综合确定。接触线悬挂点高度不宜小于5 300mm，最低导高不得小于5 150mm。

架空柔性接触网结构高度一般为950～1 200mm，需根据隧道净空而定[3]。

跨距的选择，需满足最大允许风偏，隧道内主要是活塞风，最大允许风偏不大于450mm，直线段最大跨距55m，曲线段跨距需结合曲线半径而定，市域快线由于速度等级高，线路曲线最小半径一般大于600m，对应跨距最大可选择45m。

拉出值的选择，应结合受电弓碳滑板宽度确 定[4]。经调研，AC 25kV受电弓碳滑板宽度一般大于1 500mm，考虑到最大允许风偏量和车辆横向振动量，最大拉出值可选择300mm。曲线上拉出值的选取尽量保证导线与受电弓运动轨迹相割[5]。

架空柔性接触网锚段长度，一般情况下不大于1 400m，困难情况下不大于1 600m[6]。

3 架空刚性接触网方案

3.1 悬挂类型及导线组成

架空刚性接触网示意图如图2所示。线材主要包括接触线和回流线等。由于汇流排本体可以承载电流，因此，可以取消柔性悬挂中的承力索和辅助馈线，使接触网的结构变得简单紧凑，极大地方便运营管理和维修。

图2 架空刚性接触网示意图

3.2 主要技术数据

接触线高度同架空柔性接触网，接触线悬挂点高度不宜小于5 300mm，最低导高不得小于5 150mm。

架空刚性接触网安装空间不大于1m。

跨距的选择，相比较于架空柔性接触网，刚性接触网跨距较小，一般为8m。

弓网运行过程中，刚性接触网的偏移忽略不计，拉出值的选择仅考虑车辆横向振动和碳滑板宽度，理论上刚性接触网的拉出值比柔性更大，最大可选择450mm，实际工程中考虑到受电弓的平衡性，一般选择300mm。

锚段关节处，关键点在于两支间距和两支高差，间距越小、合理稳定的高差是追求目标，推荐采用膨胀元件，缩短两支间距，仅有40mm，两支高差也可以保证。

架空刚性接触网锚段长度，主要取决于膨胀元件的补偿量和锚段的伸缩量，采用1m补偿量膨胀元件时，锚段长度可选取624m[8]。

4 方案比选

4.1 运行可靠性

由表2可知，架空柔性接触网零部件种类和数量更多，组成复杂，相比而言架空刚性接触网零部件种类和数量较少。

表2 刚性接触网和柔性接触网对比表

架空柔性接触网通过下锚装置使接触线和承力索带张力，架空刚性接触网不带张力。

架空刚性接触网接触线卡在汇流排内，由于汇流排和接触线无轴向力，断排或断线概率极小，运行可靠性较高。

架空柔性接触网，由于结构比较复杂，有可能出现钻弓、烧融、不均匀磨耗以及受电弓故障造成断线故障，所以柔性接触网的可靠性相对较低。

4.2 弓网质量

弓网受流质量是衡量接触网受电弓系统性能的重要指标之一，架空柔性接触网跨距长，接触线驰度大，与受电弓的机械匹配性较强，适用于高速运行线路；架空刚性接触网跨距小，接触线卡在汇流排内，受电弓滑过时上抬量很小，在列车运行达到一定速度时受电弓波动强度大，遇到硬点易发生燃弧[9]。

架空柔性接触网国外采用链形悬挂时列车的最高试验速度已达到500km/h，国内高速客运专线设计时速已达到350km/h；架空刚性接触网国外最高运行速度为250km/h，国内中天山、关角等隧道采用架空刚性悬挂设计最高时速160km/h，已经能够实现最高运行速度为140km/h，目前受流质量良好[10]。

对两种形式的接触网进行仿真实验，最高运行时速160km/h，架空柔性接触网按承力索截面积95mm2、张力12 000N，接触线截面积120mm2、张力12 000N，得到以下结果，如图3和表3所示。

图3 架空柔性接触网仿真结果

表3 架空柔性接触网方案的接触力统计值

架空刚性接触网，按照截面积2 213mm2汇流排+接触线截面积120mm2的组合[11]，得到结果如图4和表4所示。

从表3和表4可以看出，柔性接触网和刚性接触网均能满足受流质量的要求，架空刚性接触网在锚段关节处有较大波动，架空柔性接触网标准差更大。

图4 架空刚性接触网仿真结果

表4 架空刚性接触网方案的接触力统计值

以上的仿真分析均假设受电弓碳滑板是完好无损的，但在实际过程中由于弹性因素的影响，架空刚性接触网更容易导致受电弓碳滑板的磨耗，造成受电弓磨耗不均匀，从而影响弓网受流质量。而架空柔性接触网下受电弓的磨耗更加均匀，有利于保证弓网受流质量。

4.3 对土建的影响

架空柔性接触网结构高度一般为1 200mm，困难时不小于950mm，再加上绝缘距离至少300mm，安装净空要求不低于1 250mm；架空刚性接触网安装结构高度最小为650mm。两种安装形式均能满足隧道净空的条件，架空刚性接触网更节省净空。

架空柔性接触网特点是下锚补偿装置，为不降低受力性能，土建需要局部扩挖，对土建影响较大。

隧道内架空柔性接触网示意图如图5所示。隧道内架空刚性接触网示意图如图6所示。

4.4 运营维护

架空柔性接触网零部件较多，承力索和接触线之间用吊弦固定，接触线直接与受电弓接触振动较多，承力索相对固定，吊弦位于两者之间容易散股断裂。再者，由于导线带张力，允许磨耗量小，需要重点检查，故架空柔性接触网维护量大，维护费用高。

架空刚性接触网结构简单，接触线不带张力，且锚段长度短，事故影响范围小，且刚性接触网本身抗事故能力强，刚度大，稳定性好，接触线的允许磨耗量大，接触悬挂几乎不会偏移，运营巡检频次大大降低，所以架空刚性接触网维护量小，维护费用低。

图5 隧道内架空柔性接触网示意图

图6 隧道内架空刚性接触网示意图

5 结论

架空柔性接触网和架空刚性接触网均能满足市域快线的功能需求，架空柔性接触网的优势在于受电弓磨耗更优，架空刚性接触网的优势在于可靠性和免维护性高。

与架空柔性接触网相比，架空刚性接触网弓网受流质量略差，但也满足要求，通过提高几何参数精度也可以保证较高的受流质量，从全生命周期的角度考虑，可靠性和免维护性是更重要的考虑因素，尤其是公交化运营特性的市域快线，推荐市域快线隧道采用架空刚性接触网。

[1] 何肖, 顾保南. 我国大陆各城市轨道交通线路旅行速度统计分析——基于中国城市轨道交通协会数据分析的研究报告之七[J]. 城市轨道交通研究, 2020, 23(1): 1-5.

[2] GB 50157—2013. 地铁设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

[3] 彭晨. AT供电方式在高速电气化铁路中的应用[J]. 电气技术, 2009, 10(9): 76-79, 88.

[4] 艾东兵. 城市轨道交通刚性接触网拉出值优化[J]. 城市轨道交通研究, 2018, 21(7): 50-53, 57.

[5] 胡安晓. 铁道电气化接触网硬点原因和改进方法[J]. 电气技术, 2012, 13(7): 81-83.

[6] 代洪宇. 200km/h交流刚性接触网方案研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2019.

[7] 张勋, 李乾. 直流牵引供电系统短路故障分析[J]. 电气技术, 2013, 14(11): 1-5.

[8] 隆超, 徐海东, 杨嵘春, 等. 雪灾影响下接触网的负载计算[J]. 电气技术, 2009, 10(1): 72-73.

[9] 牛景露. 地铁隧道内160km/h刚性接触网技术研究[J]. 科技创新与应用, 2019(5): 143-145.

[10] 侯应旗, 智强. 弓网故障原因分析与对策[J]. 电气技术, 2008, 9(11): 57-60, 65.

[11] 代洪宇, 史海欧, 冯超, 等. 基于有限元的交流刚性接触网定位点刚度仿真研究[J]. 电气化铁道, 2020, 31(2): 40-44.

Research on type selection of catenary in city express rail tunnel

FENG Chao

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010)

The urban express line, between the national railway and the subway, has the characteristics of fastness and large station spacing, as well as the characteristics of large subway passenger flow and bus operation. As the key equipment for rail transit trains, reasonable catenary selection is one of the important premises to ensure the safe and reliable operation of rail transit. This article assumes a maximum operating speed of 160km/h, combined with the operating characteristics of the urban express line, compares the advantages and disadvantages of the two solutions of overhead flexible and overhead rigid catenary, and finally gives suggestions for contact network selection: Overhead rigid catenary.

urban rail transit; traction power supply system; catenary selection; overhead rigid catenary; overhead flexible catenary

国家重点研发计划（2017YFB1201102）

2020-05-27

2020-07-13

冯 超（1988—），男，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通供电设计工作。