城市轨道交通刚性接触网及装备关键技术研究

崔 莹

（中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，陕西宝鸡721013）

城市轨道交通刚性接触网及装备关键技术研究

崔 莹

（中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，陕西宝鸡721013）

通过对城市轨道交通既有刚性接触网供电系统存在问题的分析，提出影响了城市轨道交通刚性接触网提速的原因，并对满足运营速度大于120 km/h 的中高速接触悬挂系统关键产品，即弹性定位线夹、刚性接触网系统的新悬挂形式以及锚段关节结构形式优化设计进行了论述。

城市轨道交通；刚性接触网；弹性定位线夹；悬挂；锚段关节

0 引言

我国城市轨道交通供电制式以架空刚性接触网和接触轨（第三轨）为主流，随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展，部分一线城市郊区、长大区间线路的运营速度已由80 km/h 提高到120 km/h 甚至有达到160 km/h 的趋势，比如北京首都机场至南郊机场的联络线已有建设设计速度160 km/h 的线路需求。

列车要实现较高的运营速度目标，对弓网关系、牵引供电系统也就提出了更高要求。因此，需要对目前的刚性悬挂接触网供电系统进行优化研究。

研究城市轨道交通刚性悬挂供电系统，不仅能够完善牵引供电系统技术体系、满足列车运营安全运营需求，而且对我国的城市轨道交通行业技术发展也有着重要的意义。

1 刚性接触网存在问题

根据实际运营反馈，目前地铁刚性接触网在运营过程中普遍存在拉弧放电、接触导线磨耗等问题。如广州地铁2号线绝缘锚段关节、线岔处拉弧及磨耗偏大，有近1/3的膨胀关节在起始过渡处有拉弧痕迹，严重的地方连汇流排都烧成大片麻点，偶尔还可能出现汇流排卡滞现象。这些问题在80 km/h 以下低速线路上尚未得到根治，运营速度提高时尤为显著。

广州地铁3号线是我国第一条开通运营的120 km/h的城市轨道交通线路，在运营过程中，由于部分区段运行速度达到100～120 km/h，不仅受电弓离线、拉弧及磨耗较严重，甚至发生不能正常受流、影响列车提速的现象，严重时可能会造成重大事故。

2 接触悬挂系统理论分析

2.1 拉弧现象的原因

2.1.1 弓网系统的电弧

根据电接触理论，导体接触面微观是凸凹不平的。因此，在实际运行中，受电弓与接触网之间接触电阻的影响表现在每一个接触点上。

在弓网相对运动过程中，受电弓滑板和接触导线的接触位置不断变化，电弧及强劲电火花引起的电气磨损导致接触线表面坑洼不平，出现接触导线磨损等现象。

2.1.2 振动

对设计速度为120 km/h 的广州地铁3号线刚性悬挂系统使用现状调查发现：由于刚性悬挂接触网无弹性，提速后，受电弓上下振动产生离线，造成火花放电等现象。图1、图2是成都地铁1号线及广州地铁3号线试验段列车通过接触网定位点的振动波形图。从图1可以看出仅小部分锚段关节处弓网接触压力有突变现象，图2显示速度为120 km/h 时，受电弓振动剧烈。

图1 成都地铁1号线（80 km/h）受电弓振动波形图

图2 广州地铁3号线（120 km/h）受电弓振动波形图

广州地铁3号线设计速度120 km/h，当列车速度提高后，弓网接触压力因随列车运行速度的提高而变化加剧，受流质量下降，不仅会发生拉弧放电现象，严重时可能会造成重大事故。

2.2 刚性接触网固定点研究

目前，我国地铁普遍采用的垂直悬挂的刚性接触网（图3），具有结构简单、安全可靠性高、零部件少等一系列特点，能满足普遍80 km/h 运行速度的要求。但是列车提速后，因其悬挂固定点无弹性，受电弓跟随性差，因此，在高速时不是特别适宜。

文献[9]提到的定位点振动主要是受电弓通过定位点引起的。接触网的振动由变化的弓网压力引起，波动又引起受电弓更复杂的振动，促使弓网接触压力的更大变化。对固定点增加弹性前后的情况进行仿真研究，见图4。

根据研究结果，给刚性接触网适当增加一些弹性会有利于改善弓网关系，消除硬点，减少接触导线磨耗不均匀和燃弧现象。

3 接触网系统装备优化设计研究

随着列车运行速度的不断提高，刚性接触网因为无弹性产生离线拉弧等现象成为制约电气化铁路提速和安全的关键因素，可通过优化关键产品等方式来改善弓网受流性能，减少离线拉弧，防止卡滞。

图3 刚性接触网悬挂点示意图

图4 定位点增加弹性前后仿真对比（后弓）

3.1 关键设备产品优化研究

根据仿真结果，结合目前刚性悬挂系统技术特点，可以考虑在不影响现有接触网的悬挂方式及安装的基础上，在夹持汇流排的定位线夹上施加弹性，减小接触网振动加速度，且保证接触力符合规定要求。对比变化情况，通过仿真计算，固定点增加弹性，确定合适的刚度系数，研制出相应产品——弹性定位线夹（图5）。

图5 弹性定位线夹

弹性定位线夹主要包括定位线夹本体、固定块、弹簧、限位定位螺栓、衬垫及紧固件等，其特点如下。

（1）刚性悬挂弹性定位线夹采用两件式组合结构。本体部分采用挤压成型工艺，衬垫上部采用弧面结构形式，有效减小摩擦力，保证汇流排的自由滑动，确保列车高速行驶时的安全性。

（2）通过增加弹性改善列车高速行驶时刚性悬挂的弓网特性，从而获得最佳的受流质量。

（3）单侧拆卸，安装便利。

图6是该产品在广州地铁3号线试挂情况。挂弹性定位线夹前，频繁出现燃弧现象（图6a）；安装弹性定位线夹后，线路上原有的燃弧现象和接触导线磨损不均匀等现象均有所改善（图6b）。目前该产品已经广泛应用在广州、深圳、合肥等地铁线路上。

图6 弹性定位线夹安装前后现场照片

3.2 刚性接触网悬挂方式研究

现场运营反馈情况表明，汇流排卡滞是制约电气化铁路安全的重要关键因素之一，汇流排悬挂点卡滞直接导致诸如绝缘子断裂等不同程度故障，可以通过改变汇流排滑动形式、优化接触网结构形式等方式进行改进。采用以下2种形式。

3.2.1 刚性悬挂防卡滞装置

该装置主要由悬挂底座、补偿滑道、杵头绝缘子、汇流排固定线夹等部件构成。采用杵头绝缘子在滑道内滑动替代汇流排+定位线夹滑动的方式；且汇流排在受温差影响时具有无障碍伸缩补偿运动的功能，预防同类悬挂装置结构中汇流排与定位线夹之间可能出现的卡滞隐患，已在广州地铁3号线试挂运营（图7）。

图7 现场安装的刚性悬挂防卡滞装置

刚性悬挂防卡滞装置有效地解决了现有悬挂方式连动点多，绝缘子与线夹间转动范围有限，在急弯处及变坡处可能会出现卡滞等现象。

3.2.2 滑担式刚性悬挂装置

滑担式刚性绝缘悬吊装置由悬吊底座、滑担绝缘线夹、紧固件等组成（图8），连接在隧道顶部，用于悬挂刚性汇流排。该装置也是通过改变汇流排在悬挂点的滑动方式，采用滑担绝缘线夹上附件的金属板在 U 型吊架内滑动形式，接触面为线接触，摩擦力小，且间隙较大，从而即便有较大的热胀冷缩，亦可确保汇流排的顺畅滑动。

图8 滑担式刚性绝缘悬吊装置

类似结构形式在日本等地铁也有应用，我国地铁隧道的刚性接触网也可考虑这种悬挂方式。

3.3 锚段关节的研究

当列车通过时，锚段关节处2根汇流排夹持的接触导线在关节中间的悬挂点应等高，受电弓才能平滑、安全地由一个锚段过渡到另一个锚段去，并且受流情况良好。

目前刚性悬挂采用汇流排平行重叠布置方式（图9a），并且2组悬挂在不同位置处，相对高差和水平间距都有严格的要求，理论上是工作支与非工作支平面与轨道面完全水平时，受电弓过渡最平滑，但是列车在行进过程中会产生振动，锚段关节经常出现导线磨耗不正常，如磨耗超标、导线偏磨等现象，会对轨道交通的运营造成严重影响。

为改善磨耗情况，在悬挂点增加弹性并且采用整体贯通式结构的锚段关节（图9b），该结构由于在生产制造中即可解决接触线不等高情况，安装方便，同时有效避免强烈冲击带来的不良影响，因此，在速度大于120 km/h 的中高速刚性悬挂系统中可以考虑采用整体式结构。

图9 刚性锚段关节结构示意图

4 结束语

现有地铁刚性接触网技术已不能很好地适应120 km/h 或者更高速度轨道交通的要求，针对目前存在的拉弧、磨耗严重等情况，应在关键产品及悬挂方式上进行技术更新[7]，以便与地铁列车保持良好的弓网受流关系，减少接触导线、受电弓滑板的磨耗，实现长寿命、少维修，满足列车高速运营需要。

[1] 于万聚. 高速电气化铁路接触网[M]. 四川成都：西南交通大学出版社，2003.

[2] 铁道部运输局. 既有线提速200 km/h 行车组织[M]. 北京：中国铁道出版社，2006.

[3] 孙立金，戚广枫. 接触网参数设计对高速列车受流影响的探讨[J]. 电气化铁道，2000（1）：16-17.

[4] 张忠权. 接触网“硬点”成因和整治的思考与实践[J]. 电气化铁道，2007（4）：36-38.

[5] 谭冬华. 架空刚性接触悬挂的特点及其维修[J]. 电气化铁道，2003（3）：36-38.

[6] 赖声钢. 刚性接触悬挂在运行中的常见问题及分析处理[J]. 都市快轨交通，2004，17（2）：46-48.

[7] 刘长利. 地铁隧道内120 km/h 刚性接触网技术研究[J]. 城市轨道交通研究，2012（6）：45-48.

[8] 龚文涛. 钢铝复合接触轨在广州地铁4号线的应用[J].都市快轨交通，2007，20（3）：82-85.

[9] 吴积钦. 受电弓- 接触网系统电接触特性研究[D]. 四川成都：西南交通大学，2009.

责任编辑 冒一平

Study on Key Technology of Rigid Catenary and Equipment of Transit

Cui Ying

Based on the analysis of problems of the existing rigid catenary power supply system for urban rail transit, the paper puts forward the causes of the rigid catenary infl uencing urban rail transit speed up, and key product to meet the requirement of medium-and-high speed contact elastic suspension system at operating speed of over120km/h, namely the elastic positioning clamp, a new type of suspension of rigid catenary system and the anchor segment joint structure optimization design is discussed.

urban rail transit, rigid catenary, elastic positioning clamp, suspension form, anchor segment joint

U225

2016-05-26

崔莹（1972—），女，高级工程师