城市轨道交通弓网系统现状分析与建议

关金发，吴积钦

(西南交通大学电气工程学院，成都　610031)



城市轨道交通弓网系统现状分析与建议

关金发，吴积钦

(西南交通大学电气工程学院，成都610031)

摘要：既有城轨受电弓与接触网的类型较多，两者之间的配合问题尤为突出。总结国内外城轨弓网系统标准，存在内容描述较少，刚柔接触网未分开规定，指标参数相差较大，系统性不强等问题。总结国内外相关研究文献，发现弓网设计阶段对弓网接口的设计不足，弓网维修阶段存在机械故障较多，弓网仿真缺少实测数据确认等问题。最后针对城轨弓网系统研究现状的不足，对未来进一步研究工作提出若干建议。

关键词：城市轨道交通；受电弓；接触网；研究现状

截止到2014年12月，全国已开通城市轨道交通线路运营里程已达3173 km。上海地铁6、8、9、10、11号线，广州地铁2、3号线，南京地铁1号线，成都地铁1、2号线，深圳地铁1、11号线，北京地铁14号线等工程均采用受电弓与接触网受流方式。城轨弓网系统的应用越来越广泛。

既有城轨弓网标准及设计、运维技术已有一定的经验积累，但存在一些问题，如：城轨接触网的悬挂类型较多，有刚性悬挂、双承双导简单链型悬挂、弹性吊索简单悬挂，同一条线路上受电弓需要适应一种或几种接触悬挂，弓网接口适配性增加了弓网设计复杂性；弓网标准未成体系，标准对弓网系统的规范细节不足；施工验收阶段未有相应的静态、动态验收标准。设计施工的不足使得弓网动态性能降低，加大运维难度。

首先概述城轨接触网、受电弓的结构及运行特点，对相关标准做归纳与比较，然后调研国内外有关城轨弓网的研究现状，在充分了解现状的基础上，从标准、设计、施工、运维几个阶段总结现有弓网系统存在的问题，并提出解决当前问题的相关建议。

1城轨弓网系统的结构

1.1　城轨接触网

刚性接触网因其接触线无张力，不用设置下锚装置，不会发生断线事故，零部件少，载流量大，安全可靠，维修工作量小等特点，被广泛地应用于隧道内的接触网布置。城轨列车车库段内车速较慢，没有必要使用简单链型悬挂，改用更为经济的弹吊加简单悬挂的方式。城轨接触网的悬挂形式要综合线路条件和运行速度，选择采用刚性、柔性悬挂，不同地段的接触网结构见表1。

表1　接触网悬挂选型及组合方式

1.2　城轨受电弓

城轨受电弓需要同时适应柔性和刚性接触网，故对其结构性能要求比较高，一般隧道内由于净空的限制，受电弓工作在较低的工作高度，不利于受电弓性能的发挥，若与刚性接触网配合，弓网接触刚度较大，滑板与接触线的磨耗比柔性接触网大。对于刚柔过渡、膨胀接头、关节式过渡、道岔段等接触网特殊断面，对于受电弓的服役性能有不可忽视的影响。

城轨受电弓均是单臂受电弓，由于生产厂家不同，受电弓的结构也各不相同，框架结构上有使用上框架为铝合金材料，下框架为钢材的，也有全部框架结构均为钢材；传动结构有弹簧式的，也有气囊式的；弓头及悬架的样式更是多种多样，弓头悬架有弹簧片式、弹簧盒式，也有橡胶弹簧式的，但一般弓角均与弓头悬架一体；弓头滑板的有效工作长度也不一，有使用长度为1 250 mm的受电弓，也有使用长度为800 mm的；弓头的结构不一，导致弓头的轮廓不一。

虽然城轨受电弓的型号比较多，但均需满足标准GB/T 21561.2[1]的要求。

由于城轨受电弓的形式多样，接触网的设计应首先确认地铁线路使用哪种型号的受电弓，根据该受电弓的参数来设计与之匹配的接触网结构，才能保证弓网系统的良好受流。

2城轨弓网标准

国内外针对城轨弓网标准的涉及内容较少且分散，针对性不强，除受电弓有单独标准规范，接触网的规范较笼统，未分刚性、柔性悬挂分别说明，系统性和专业性不强，尚未形成健全的标准体系。以下仅对有涉及城轨弓网的标准进行一些归纳与比较。

欧洲弓网标准体系是对弓网系统的系统规范，其中包括弓网系统设计、性能评估、动态测试、动态仿真，其各部分之间关系见文献[2]。但其中的内容大部分是针对国铁弓网系统，因为EN标准主要是促进欧洲铁路互联互通，欧盟境内铁路运营一体化。TSI 2011/274/EU[3]是欧洲委员会关于普速铁路能源子系统在欧洲互联互通的指令性要求，其中弓网系统部分与欧洲弓网标准体系中的要求是一致的。

欧洲铁路技术规范中有关城轨弓网系统主要体现在DC1.5 kV的接触网规定中，如：EN50206—2[4]是有关城轨受电弓的技术要求；EN50367[5]和TSI 2011/274/EU中对不同电压制式进行分类，并指出城轨弓网系统应遵循的标准条款。但EN50119[6]及其他相关欧标并未针对城轨架空接触网进行单独说明。

UIC 799[7]仅针对速度为160～250 km/h的直流弓网系统设计参数进行规定。

IEEE1629[8]是有关城轨直流架空接触网的性能要求标准，比较全面地规定了受电弓、接触网的技术要求以及规定了受电弓的各项试验，包括：形式试验、常规试验、故障试验、现场试验、单项试验。

中国的城轨弓网标准主要依据GB/T 21561.2、GB 50157、GBT 7928、GBT 10411、GB 50490[9-12]。

GB/T 21561.2与EN50206—2的内容一致。

地铁车辆通用技术条件中对于弓网系统的要求仅一条“受流器或受电弓应受流状态良好，受流时对受流器或供电设备均无损伤或异常磨耗，受电弓的接触压力为100～140 N”。

地铁设计规范中未对架空接触网与第三轨进行分开说明，刚性接触网与第三轨除了一些定性的要求，没有详细的介绍，但其中指出“本规定是为了保证列车运行时，具有良好的弓网关系，以减少弓网的不均匀磨耗和烧蚀，避免接触导线断线”，说明弓网关系是必须要引起重视的。

城轨交通直流牵引供电系统中规定了接触网的最小安全净距，架空接触网的坡度，拉出值的布置方式，隧道内外接触线最低高度。

城市轨道交通技术规范中有关接触网有5条定性要求。

比较以上标准发现：IEEE与欧标的动态接触力范围一致，当运行速度小于200 km/h时均为0～300 N，但UIC 799为0～350 N。国内外有关静态接触力范围则不一致，见表2，中国静态接触力并未给出标称值，欧标中的标准值虽是90 N，但停车时变为140 N，对于既有城轨受电弓难以实现，国际电工委员会针对不同的滑板宽度，静态接触力有所不同；中国城轨接触网的设计坡度比国外的接触网小，见表3，若按照GBT10411的要求，中国接触网平顺性比国外的要高；同样是DC1.5 kV等级的电压制式，中国的最小安全净距比国外的大，见表4，说明中国接触网绝缘考虑的安全余量更大。中国接触网设计要求比较高，但由于弓网系统的标准涉及的内容不多，有待进一步健全。

表2　受电弓静态接触力　N

表3　接触网设计坡度要求

表4　带电体对建筑物等最小安全净距　mm

3城轨弓网系统的研究状况

研究城轨弓网系统的文献较多，主要是从以下几个方面进行论述：弓网系统的设计；现场故障的形式及原因分析；弓网系统的实验室测试及现场试验；弓网系统的仿真建模及结构优化。

3.1　弓网系统的设计

弓网系统概述及评价类文献主要针对城轨弓网系统的结构特点、应用前景、规范标准研究等方面对弓网系统进行概述。

文献[14]论述不同受电方式的接触网组成及特点，为城轨接触网的选型提供参考依据。

文献[15]针对西安地铁中存在地裂缝问题，研究该区域的接触网悬挂方式，形成接触网特殊设计方案。

文献[16]分析中国城轨接触网的现状，提出基于外部、内部、工程评价的接触网评价体系。

文献[17]提出一种适应地铁柔性接触网的线岔检调标准。

弓网系统设计阶段除考虑一般或特殊设计外，弓网接口设计也应引起重视，在接触网的设计前应提供受电弓类型及结构参数，作为接触网的设计依据。

3.2　弓网故障及维修

文献[18-21]针对地铁刚性接触网在运营中出现的问题，提出相应的处理办法。

文献[22-24]根据现场接触线、滑板的磨耗情况提出相应抑制接触线、滑板磨损的措施。地铁运行实践表明，刚性接触网的接触线和受电弓滑板磨耗较柔性接触网的磨耗要严重得多，刚性接触网部分区段和部件磨耗严重，最严重区段受电弓滑板已能够接触到汇流排。

文献[25]通过对深圳地铁1号线高架段接触网存在的若干问题进行分析，提出了相应的整改方案。

城轨弓网故障中以接触线与滑板磨耗比较普遍，说明弓网的机械配合需要进行调整，如适当增加汇流排定位线夹弹性，或把既有门型悬挂改成悬臂悬挂汇流排，或调整受电弓结构参数，总之为优化两者的动力相互作用，须调整两者中一方或双方结构。

3.3　弓网系统试验

弓网试验是优化弓网接口的基础，充分掌握既有弓网机械或电气匹配关系，发现不匹配区段，重点排查相关区段的接触网参数，预防潜在故障，并进一步为弓网仿真提供基础验证数据。

弓网系统试验是研究弓网关系的基础数据来源，对弓网系统接口的研究有重要的研究价值。

文献[26]使用地铁检测车对地铁柔性接触网进行预防性检测，文中就检测设备的精度与可靠性提出了相应建议。

文献[27]在实验室内建立刚性汇流排—滑板—电流试验台，通过测试相应工况，研究刚性接触网与滑板的接触过程，该试验台的滑板是可移动的，能模拟一定的运行速度，根据电接触理论、摩擦理论，得到接触网与受电弓的接触行为与各自参数密切相关，电气磨耗与转化电流、电阻有关，机械磨耗与材料摩擦有关。

文献[28-29]针对广州地铁3号线速度为120 km/h的区间、成都地铁1号线速度为90 km/h的区间进行受电弓与刚性接触网的动态性能测试，检测项目包括弓网接触力、弓头框架的振动、滑板的温升等情况。

3.4　弓网仿真及结构优化

被确认后的弓网仿真技术也是研究城轨弓网关系的重要途径之一，且其输入和边界可以自行设定，是优化弓网结构的重要手段。

尚未见有关受电弓与双承双导悬挂接触网的仿真研究文献。研究城轨受电弓与刚性接触网仿真的文献较多。

文献[30-32]建立受电弓与刚性接触网动态仿真模型，受电弓利用simpack建立刚体模型，刚性接触网利用有限元软件建立柔性体模型，通过改变仿真参数，优化弓网动态性能，设计出Y型截面刚性悬挂，该新型悬挂的线路速度设计达110 km/h。

文献[33-34]为了适应更高速度的刚柔过渡结构，设计一种新型结构，通过跑车试验，论证该结构的运行性能能达130 km/h。文献[35]针对刚性接触网的关节式绝缘过渡段进行弓网建模及仿真，优化该处的弓网动态性能。

文献[36]提出刚性接触网的不平顺对弓网受流有影响，高速运行时容易引发离线现象。文献[37]给出刚性接触网悬挂结构的等效数学模型，并分析影响等效模型的参数，但并未给出弓网仿真模型。文献[38]利用有限元法，分析8 m跨距的刚性接触网模态，得到刚性接触网的固有频率。文献[39-46]中的刚性接触网等效为具有汇流排截面的梁，悬挂点为具有一定刚度的弹簧，受电弓为集中质量模型，文中研究悬挂结构质量，运行速度，跨距，汇流排坡度，弓网接触刚度，受电弓弓头质量对弓网动态性能的影响，但并未研究锚段关节、拉出值、变化速度对弓网动态性能的影响。

弓网仿真是优化弓网接口的重要工具，经过确认后的弓网仿真，改变边界条件或初始条件，得到不同参数组合工况，比较不同工况的动力性能指标，寻找弓网的最佳匹配参数，为弓网系统设计和维修改造提供优化方案。

4城轨弓网系统的建议

城轨弓网理论研究、振动测试、弓网仿真、维修技术已有一定的研究，但弓网标准尚未形成体系，且标准中参数取值不同标准要求不一致，需要进一步确认，设计阶段对于弓网接口及适配性研究较少，运维阶段多为机械故障，取决于弓网振动响应，应加深弓网作用机理研究。针对城轨弓网系统存在的问题，建议进一步开展以下课题研究。

(1)城轨弓网系统标准化体系的建立。参照国铁、欧洲、国际电工委员会的相关标准，对于城轨接触网设计、施工、验收、维修全寿命周期各阶段提出相应的标准规范。重点研究受电弓与接触网的接口要求，从电气和机械两方面规范弓网接口，电气性能要求分为载流量与绝缘性能，机械性能要求分为静态几何和动态相互作用。

(2)针对接触网悬挂类型的多样，研究适应刚性、柔性接触网的受电弓结构，减少受电弓滑板的磨耗，延长受电弓设备的寿命；反之，针对某种型号的受电弓，设计与之电气、机械性能匹配的接触网，延长接触网设备的寿命。

(3)对于弓网系统运营过程中出现的故障建立故障预测与健康管理系统，对设计、施工、验收资料归档到维修系统当中，根据归档资料及日常维修过程，评估弓网设备状态，为弓网维修提供决策支持。

(4)对于弓网结构优化的试验技术和仿真技术的研究需要进一步加强。重点研究弓网接口的电热特性和动态特性；利用试验和仿真手段解决刚性接触网与受电弓之间磨耗较严重问题；利用弓网仿真，优化适应某种型号或多种型号受电弓的接触网结构参数；结合优化后的弓网结构，研究列车运行速度到160 km/h的城轨弓网系统，缩短城市长区间运行时间，提高运营效率。

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Analysis of Pantograph-Catenary System of Urban Transit and Suggestions

GUAN Jin-fa， WU Ji-qin

(College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：There are many types of pantograph and catenary in urban transit system and the matching of the two becomes a challenge. Researches on standards of pantograph and catenary system fall short of detailed specification， while rigid catenary and soft catenary are not separated， index and parameter differ in great margin and systematicness is insufficient. The review of relevant research papers indicates the inadequateness of the design in the interface of catenary and pantograph， frequent mechanical failure in maintenance and the lack of experimental confirmation of simulation. Finally some suggestions for future researches are provided in perspective of the inadequateness of the researches on urban rail pantograph and catenary system.

Key words：Urban rail transit; Pantograph; Overhead contact system; Research status

作者简介：关金发(1986—)，男，博士研究生，主要研究领域为铁路弓网关系，E-mail：kwanjinfa@163.com。

基金项目：中国铁路总公司科技开发计划(2013J010-B)

收稿日期：2015-01-27； 修回日期：2015-06-05

中图分类号：U239.5； U225

文献标识码：DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.032

文章编号：1004-2954(2016)01-0144-04