成都轨道交通13号线电分相段平纵断面设计研究*

张 浩 周虎利 吴明超

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)， 710043， 西安； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)， 710043， 西安∥第一作者， 高级工程师)

为适应城市空间结构的优化提升，城市轨道交通涌现出越来越多的市域轨道交通快线(以下简称“市域快线”)。线路等级速度为100 km/h或120 km/h的线路采用直流供电方式，不涉及电分相。当速度等级进一步提高到140 km/h及以上时，交流供电相比直流供电更能适应线路运营的需求，采用交流供电方式的市域快线必须设置电分相。

电分相在国铁线路中应用广泛且成熟。国铁线路采用统一的单向工频交流25 kV供电方式，站间距大，列车的运行速度高。在电分相区段内列车需断电惰行，由此产生速度损失，对运营有较大影响。与国铁线路相比，市域快线的站间距一般较小，列车运行速度较低，电分相无电区长度占整个区间的比例较大，其对运营的影响更为严重。因此，本文依托成都轨道交通13号线项目，着重研究如何选择合理的区间位置设置电分相，并结合设置条件优化调整线路的平纵断面，使列车可以较高的速度通过，减少对运营的影响[1-2]。

1 成都轨道交通13号线工程项目概况

1.1 线路概况

13号线是成都市“中心穿越、全局覆盖、远景预留、互联互通”的市域快线网的重要组成部分，全长99.7 km，设站39座。该线采用8节编组的A型车，线路等级速度为140 km/h。牵引供电系统采用单相工频25 kV交流制、带回流线的直接供电方式，接触网采用架空柔性接触网[3-4]。

13号线分两期进行建设，其中：一期工程位于城区，长度29.1 km，设站21座，全为地下线路，因平均站间距较小，为1.39 km，故线路等级速度定为100 km/h；二期工程位于两端的郊区，平均站间距为3.92 km，线路等级速度定为140 km/h。

1.2 供电方案

根据牵引供电需要，在13号线一期工程两端设置培风和龙泉2座牵引所，牵引所间设置新南门分区所，实现越区支援供电。13号线一期线路的供电范围如图1所示。

图1 成都轨道交通13号线一期正线供电范围示意图

在交流25 kV供电制式下，供电臂可以满足15～20 km的供电需求。由于三相交流电的相位不同，因此，必须在2个变电所及分区所出口处设置电分相装置，实现不同相位电压的隔离，所设置的电分相分别位于老马堰站—培风站区间、新南门站—望江路站区间、公园大道站—龙华寺站区间[5-6]。

2 电分相设置

2.1 电分相设置形式

从减少列车速度损失、降低工程投资等角度考虑，推荐采用带中性段的6跨关节式电分相，中性段长度一般为120 m，无电区长度不大于60 m，如图2所示。

注：1—隔离开关；2—支柱；3—下锚补偿装置；4—绝缘子。图2 6跨关节式电分相示意图

图3为电分相按TG/01—2014《铁路技术管理规程》、TB/T 3197—2018《车载控制自动过分相系统技术条件》的规定设置标识牌和地面磁感应器。图3中，a为中性段两端垂直投射到钢轨上的位置至第1个磁感应器G2(或G3)的距离为a；b为第1个磁感应器G2(或G3)至第2个磁感应器G1(或G4)的距离[7-8]。

如图3所示，列车运行至中性段前G1磁感应器处时，由右侧接收设备接收到的定点信号判定为预告信号，列车控制系统进入预告模式；牵引控制系统控制牵引电机电流平稳下降至0，断开辅助供电系统，然后断开主断路器。列车运行至中性段前G2磁感应器处时，若列车仍未完成断电，则强迫断电信号起作用，牵引控制系统立即封锁牵引电机电流，并断开主断路器。

图3 电分相处电磁枕设置示意图

参照TB/T 3197—2018《车载控制自动过分相系统技术条件》的规定，本文取a=35 m，b=170 m进行检算[9]。

2.2 信号系统设置

在适当位置设置信号机，使列车能在分相区防护信号机前加速，列车在进入无电区前具有足够的动能，可以较高的速度惰行通过分相区。电分相处信号系统设置如图4所示，其中：L2=2a+2b+L中性段(L中性段为中性段的长度)。

图4 电分相处信号系统设置

以上是结合电分相设置形式，在适当位置安装信号装置，从设备功能方面，为列车能够以适合的速度通过电分相创造条件。下面通过优化线路平纵并结合牵引计算从设计方面，改善列车行驶条件，使列车可以较高速度通过，以减少对运营的影响。

3 线路平纵断面的优化设计

3.1 不同坡度对速度、距离、时间的核算

考虑到列车在区间停车及恢复自启时，若驶入分相区速度较小，就可能会在分相区内停车或驶出速度较小，对运营产生较大影响。为保证列车驶入分相区的速度较高，需针对分相区内不同坡度情况下列车的速度、距离、时间进行核算，如表1所示。

3.2 电分相设置原则

根据表1，本文总结出电分相所在区间的线路平面和纵坡设置原则如下：

1) 线路坡度越缓，列车速度损失量越小；线路坡度越陡，列车速度损失量越大。因此，电分相宜设置于缓坡段，尽量减少速度损失量。城市轨道交通线路普遍设计成“高站位、低区间”的节能坡，电分相应避免设置在车站端部陡坡段，而应设置在区间凹形坡的缓坡段。

表1 不同坡度情况下电分相处行车核算

2) 驶入分相区时的速度越高，速度损失量越小；驶入分相区时的速度越低，速度损失量越大。因此，应尽量保证列车以较高的速度驶入分相区。

3) 站间距越大，越有利于列车提速；站间距越小，越不利于列车提速。因此，电分相应尽量设置在较大站间距的区间中部，站间距应满足列车加速距离及制动距离的要求。

4) 电分相应优先选择在直线段或大半径曲线段，避免设置在小半径曲线限速区间。

设计中依据上述原则选择适合的区间位置设置电分相，然后再结合牵引计算反复分析验算列车通过电分相区的驶入速度和驶出速度，使速度损失降到最低，即是最佳的电分相位置。

3.3 电分相设置区间线路平纵断面的优化

3.3.1 老马堰站—培风站区间

老马堰站—培风站区间的站间距为1 357 m。培风牵引所电分相断电区选择在该区间中部，分布1组半径为3 000 m的曲线，不限速；该区间为凹型节能坡区间，纵坡设计为5.3‰、5.0‰。老马堰站出站端原设计半径为450 m曲线，牵引计算及纵坡如图5 a)所示。由于半径为450 m曲线限速，导致列车驶入电分相的速度为82 km/h，动能闯坡驶出速度为71 km/h，速度损失为13.5%。

优化方案为：加大站端曲线半径至600 m，其牵引计算及纵坡如图5 b)所示。此时列车驶入电分相的速度为90 km/h，驶出速度为83 km/h，速度损失仅为7.8%。

a) 原设计方案

b) 优化方案

3.3.2 新南门站—望江路站区间

新南门站—望江路站区间的站间距为1 164 m。原设计方案中，新南门站、望江路站2个车站的端部均为大坡度，电分相断电区部分位于20‰坡段，牵引计算及纵坡如图6 a)所示。此时列车驶入电分相的速度为81 km/h，驶出速度为71 km/h，速度损失为12.3%。

优化方案为：优化纵坡，新南门分区所电分相断电区完全位于缓坡段，坡度分别为6.5‰、5.0‰、10.0‰；分布2组曲线，半径分别为1 200 m和2 000 m，不限速，牵引计算及纵坡如图6 b)所示。此时列车驶入电分相的速度为83 km/h，驶出速度为76 km/h，速度损失仅为8.4%。

a) 原设计方案

b) 优化方案

3.3.3 公园大道站—龙华寺站区间

公园大道站—龙华寺站区间的站间距为1 439 m，分布2组曲线，半径分别为800 m和1 000 m，不限速；该区间为凹型节能坡区间，缓坡段纵坡设计为8.0‰、14.1‰。龙泉牵引所电分相断电区选择在公园大道站—龙华寺站区间中部缓坡段，如图7所示。该区间站间距较大，利于电分相的设置，列车驶入电分相的速度为90 km/h，动能闯坡驶出速度为84 km/h，速度损失仅为6.7%，电分相位置已为最优，不需再优化。

3.4 牵引计算结果分析

分析牵引计算结果得出，列车在上述3处电分相设置区间的速度损失均小于10%，列车可以保持较高速度通过，不会在电分相区域内停车，且对旅行速度及旅行时间的影响均较小。这3处的电分相位置为最优方案。

图7 公园大道站—龙华寺站区间的牵引计算及纵坡设计

综合上述，列车驶入电分相的速度应尽量高，以不低于80 km/h为宜；电分相应设置于缓坡段，坡度以小于15‰为宜。这样既有利于实现列车以高速通过，也可降低速度损失。

4 结语

本文通过分析市域快线电分相设置对列车速度的影响，以及对线路坡度、站间距的要求，总结出电分相的设置原则。优化了成都轨道交通13号线培风牵引所、新南门分区所和龙泉牵引所3处电分相区间的平纵断面设计方案，并合理设置电分相位置。结合牵引计算进行验算后得出结论，列车通过这3处电分相的速度损失均小于10%，可保证列车以较高速度通过，对运营的影响较小。本文的研究对市域快线的交流供电制式具有一定指导意义，主要结论与建议如下：

1) 电分相宜设置于区间凹形坡的缓坡段，尽量减少速度损失量。

2) 尽量保证列车以较高速度驶入分相区。

3) 电分相应尽量设置在较大站间距的区间中部，以满足列车加速距离及制动距离的要求。

4) 电分相应优先选择在直线区段或大半径曲线段落，避免设置在小半径曲线限速区间。