地铁隧道内160km/h刚性接触网技术研究

牛景露

摘  要：对于铁路牵引供电系统，电客车速度是一个重要指标。对地铁接触网而言，刚性接触网具有隧道内占用空间小，土建费用低，悬挂装置结构简单，零部件较少，接触线抗拉强度要求低，安装方便，运营维护较少，无需下锚等优良特性。由于地铁提速对城市发展很重要，且刚性接触网在地铁应用中具有诸多优良特性，因此，针对地铁隧道内160km/h刚性接触网相关技术进行了分析，为高速度刚性接触网研究提供参考。

关键词：地铁;隧道;刚性接触网;悬挂装置

中图分类号：U225         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0143-03

1 概述

随着城市轨道交通技术的发展，地铁列车提速受到越来越多的重视。目前全世界城市的高速电气化铁路建设日新月异，接触网作为铁路电气化工程的重要组成部分，是牵引动力供电系统为地铁列车提供电能的接口环节，目前常应用在国铁，城市轨道交通，有轨电车等领域。接触网能够直接影响到高速列车受流质量，因此，进一步研究隧道内供电系统中的接触网相关技术很有必要。

架空接触网按照悬挂装置类型不同可分为柔性接触网和刚性接触网[1]。柔性接触网悬挂装置结构较复杂，接触线抗拉强度要求高，零部件较多，铺设时锚段端部需要设置下锚部件，散热效应一般，断线事故影响较大，对地下盾构隧道空间要求大，土建费用高。与柔性接触网相比，刚性接触网的接触线夹持在汇流排中，机车通过受电弓从轨道顶部取流，进而为机车的电力牵引单元提供电能。刚性接触网具有悬挂装置结构简单，线材抗拉强度要求低，零部件较少，断线可能性低，安装方便，运营维护较少，锚段端部无需下锚，地下盾构隧道空间要求小，土建费用低等诸多优点，在我国的城市轨道交通中得到了广泛应用。随着城市规模的扩大，对于一些郊区线路，提高车辆的运行速度，供电免维护状态修成为现实需要，对刚性接触网的速度、安全、可靠、经济、实用等方面提出了更高要求[2]。刚性接触网在北京、上海、深圳、广州、南京等诸多城市地铁线路中应用广泛。目前，在国内中刚性接触网普遍应用于80km/h的中低速城市轨道交通线路，技术成熟可靠，运营维护经验丰富。随着轨道交通技术的进步，对地铁运行速度提出了更高的要求，因此，开展160km/h地铁刚性接触网分析研究很有必要。

2 刚性接触网平面布置研究

2.1 悬挂装置

普通地铁供电系统刚性悬挂接触网一般为直流1500V、直流750V，常采用垂直悬挂定位方式，安装结构简单，可靠性高。交流25kV铁路刚性悬挂接触网可以采用悬臂悬挂定位安装方式，具体需要根据实际线路速度、空间等技术条件进行选择。

（1）垂直悬挂安装方式：此安装方式中悬挂点悬吊于隧道顶部，一般用2根或4根化学锚栓进行锚固，通过螺栓调整接触线的空间位置，可适用于一定隧道净空高度，此安装方式技术条件成熟，悬挂点自身刚度较大，在高速度条件下，易出现硬点等问题，目前在国内地铁线路中应用广泛，能够满足地铁线路拉出值要求，常用于中低速普通地铁线路，例如广州2号线、南昌4号线、深圳9号线、广佛地铁线等。

（2）腕臂悬挂安装方式：此悬挂装置安装方式一般使用强度高、刚度大的瓷绝缘子或复合材料棒式绝缘子以及倾斜式钢吊柱结构。悬挂点腕臂支撑结构需要具备稳固的结构安装形式以保證地铁线路接触网的安全可靠性，腕臂悬挂装置支撑结构的平稳性很值得重视，可适用一定净空高度的隧道。腕臂悬挂装置具有一定的灵活性和弹性适应性且精度更高，能够具有柔性接触网的一部分特征，弓网关系更好。通过腕臂偏离垂直受电弓方向安装，能够适应拉出值在合理范围变化的需要，有利于改善弓网受流质量，满足城市轨道交通更高速度的需求。

刚性接触网中腕臂式悬挂装置在英国Stanton隧道、瑞士Karenzaberg隧道、南非Gautrain隧道，国内中天山、新关角、乌鞘岭等隧道中均有应用。

2.2 拉出值布置

根据国内外线路运行经验，架空刚性接触网汇流排平面布置方案一般包括正弦波布置，半正弦波布置、之字形布置。其中之字形布置能够使车辆受电弓碳滑板磨耗更趋于均匀，且在施工安装上没有困难，利于施工单位现场施工。从技术角度分析，沿线路方向选用“之”字形拉出值布置更合理。在考虑拉出值设计时，在结合GB 50157-2013《地铁设计规范》、TCRSC0101-2016《市域铁路设计规范》等标准的基础上，综合考虑车辆受电弓碳滑板工作可用宽度和横向摆动量，对拉出值进行仿真计算及优化布置，从而保证拉出值布置的准确度及合理性。

2.3 锚段长度

刚性接触网锚段长度根据运行环境温度变化范围、导体载流温升、导体的温度膨胀系数等条件确定，需要结合线路条件和实际现场情况而定。中心锚结装置布置在单个锚段中间位置，能够起到防止汇流排沿着轨道方向窜动的作用，中心锚结可以使用“V”型拉索绝缘子进行锚固。

2.4 锚段关节

锚段关节是接触网相邻不同锚段的端部接口环节，是接触网的关键构成组件。接触网锚段关节的结构复杂，其质量和状态的好坏将直接影响到电动列车的受流质量和接触网的供电质量。对锚段关节的常用评价标准是当地铁列车驶过时，列车受电弓可以平稳流畅地从一个锚段滑行到相邻锚段，同时列车受流质量良好。

普通中低速地铁线路刚性接触网中，电客车运行通过时，锚段关节一般采用机械关节形式。列车高速度运行时，发现关节式机械分段处的接触力波动增大，为提升该处的弓网动态性能，需调整锚段关节自身形式，采用膨胀元器件形式的贯通式锚段关节，将两个相邻锚段从机械上连接起来，使得关节平滑过渡时，受电弓在相邻锚段接触线接口处能够平顺过渡。

若采用膨胀元器件关节，需要对膨胀元器件进行选型。一般情况下，需要结合刚性接触网汇流排电气和机械性能、温升曲线，对地铁隧道刚性接触网汇流排膨胀量进行计算，在考虑到膨胀接头选型能满足相应需求条件下，应尽量增加锚段长度，减少锚段关节的数量，以节约成本。单个锚段最大膨胀量用k表示，整条线路最大温差为？驻t，汇流排自身线性膨胀系数为f，单个锚段长度为m，锚段最大膨胀量k由？驻t、f、m共同决定。

3 刚性接触网中面临的问题

考虑到普通地铁80km/h刚性接触网技术已经不能很好的适应于160km/h高速地铁列车，且地铁客运列车对安全的重视程度，对刚性接触网技术面临的问题进行充分的研究分析是很有必要的。

3.1 汇流排和接触线

地下区段隧道内环境较复杂，最为常见的是污水成分高，易出现隧道顶部漏水、潮湿等现象。刚性接触网中汇流排作为导电截面的一部分，底部嵌口处能够夹持接触线。当污水滴落到接触网部件上，易引起汇流排与接触线腐蚀问题，且列车运行时接触网一定会带有电流，易引起电化学腐蚀，造成汇流排机械性能降低、夹紧力不足，引起定位线夹脱落，接触线脱槽等问题。

针对该问题，可采取两种解决措施。一种是采取物理隔离措施，在汇流排上方加装汇流排保护罩，做好防水处理，防止隧道顶部漏水、滴水对汇流排和接触线产生影响[3]。一种是采取化学措施，选择抗腐蚀性强的汇流排和接触线，对汇流排夹紧力严格要求，接触线可在纯铜导线中添加Mg、Sn、Ag等金属元素[4]，提高自身的抗腐蚀性，且接触线表面进行镀锡处理，降低汇流排和接触线嵌口处发生电化学腐蚀的可能性。

3.2 绝缘子

综合考虑不同类型绝缘子的性能特点：

（1）复合绝缘子重量轻，不宜破碎，有较好的憎水性，与瓷绝缘子相比刚性较小，强度较低，易老化，易龟裂，使用寿命一般约为15年。

（2）瓷绝缘子刚度大，强度高，自洁性好，耐老化，使用寿命一般约为30年，与复合绝缘子相比重量大，在安装、运输过程中操作不当易破碎。

对于刚性接触网AC27.5kV的绝缘子，从全寿命周期考虑，采用高强度瓷絕缘子更合适，由于瓷绝缘子容易在施工运输过程中破碎，可采取措施加强对瓷绝缘子的保护，降低操作不当引起的相关破碎及损坏问题。

3.3 膨胀元器件

膨胀元器件在地铁AC27.5kV刚性接触网上应用较好，膨胀元器件由于自身重量特征，易产生不平顺，目前未出现过因膨胀接头造成的运营事故。在地铁DC1500V刚性接触网整体效果良好，深圳、北京、广州3号线北延段地铁曾经出现因膨胀接头处不平顺，硬点大，电车受流质量不良，造成拉弧等现象。

综合分析刚性接触网膨胀元器件处产生不平顺、拉弧等现象的具体原因，膨胀元器件安装在相邻锚段的端部接口位置，弓网关系比较复杂。当电车经过时汇流排因弓网摩擦作用温度发生变化，膨胀元件的铝合金板构件在多次热胀冷缩后，其重心自跨距中间位置向旁边偏移。膨胀接头设备较重，在重心产生偏移后，易受重力作用，导致在离悬挂点位置较远的端部位置处产生下偏[5]。此部件向下偏移会压迫夹持在膨胀接头嵌口处的接触线向下弯曲，导致此处凸出变形，产生硬点。同时此位置处接触线在电力机车通过时会受到冲击力作用，当列车滑过时，受电弓撞击硬点处，进而引起弓网受流不良、拉弧和打火等现象。

针对该问题，结合现场实际情况进行分析研究，可对膨胀元器件进行优化，降低设备重量，减小弓网接触宽度，对膨胀元件附近悬挂点进行加固等措施，进而减少硬点，提高弓网受流质量，改善弓网关系，降低因弓网碰撞而产生的打火和拉弧现象。

4 结束语

本文对160km/h高速地铁列车刚性接触网平面布置技术进行了分析研究，归纳总结了刚性接触网面临的问题，针对高速地铁列车刚性接触网存在的腐蚀、硬点、拉弧等问题提出了相应解决措施。鉴于普通地铁80km/h刚性接触网技术已经不能很好的适应于高速地铁列车，针对高速地铁160km/h刚性接触网，提出采用精度更高的腕臂式悬挂装置、具备一定弹性特征的定位线夹、合理的拉出值布置等措施，进而改善车辆受电弓碳滑板和接触网之间的弓网关系，使磨耗更趋于均匀。在保证列车运行安全可靠前提下，通过采用技术改进后的刚性接触网方案，地铁隧道内160km/h刚性接触网技术可以满足城市轨道交通提速的需求。

参考文献：

[1]张云程.城轨刚性接触网若干关键工程技术研究[D].西南交通大学，2016.

[2]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].西南交通大学出版社，2003.

[3]骆志勇.刚性接触网在运营中出现的问题及解决方案[J].都市快轨交通，2006，19（4）：84-86.

[4]李俊.地铁刚性接触网运营存在的问题及解决方案[J].城市建设理论研究：电子版，2012（9）.

[5]李懋.膨胀元件在刚性接触网系统中的使用及其常见问题分析[J].科技资讯，2015，13（19）：55-56.