市域(郊)铁路时速160 km接触网研究

余 韬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

第七次全国人口普查数据显示我国城镇化率63.89%，正处于城镇化快速发展的中后期，推动现代都市圈建设是顺应我国新型城镇化的必然要求。由于现代化都市圈需要市域(郊)铁路支撑和引领，因此赋予了市域(郊)铁路发展使命和生命力。市域(郊)铁路主要布局在经济发达、人口聚集的都市圈内的中心城市，满足1 h通勤圈需求，平均站间距原则上不小于3 km。

市域(郊)铁路都市圈和通勤两个特征确定了其速度宜为100～160 km/h[1]1。与城际铁路相比，市域(郊)铁路客流具有潮汐现象，早晚高峰明显，行车密度大、站间距较小。与城市轨道交通相比，市域(郊)铁路设计速度高，运输组织模式灵活，舒适性、经济性更高，既可组织“站站停”，也可组织“快慢车”运行[2]，满足乘客不同距离快速通勤需要。因此增强市域(郊)铁路运营供给能力，可以为完善城市综合交通体系、引领都市圈发展提供有力支撑。目前京津冀、粤港澳大湾区、长三角、成渝、长江经济带等都市圈正在大力推进市域(郊)铁路。

根据国家发展改革委等部门《关于推动都市圈市域(郊)铁路加快发展意见》，新建市域(郊)铁路的敷设原则上以地面建设为主，进出枢纽的路段可研究采用地下方式。作为市域(郊)铁路重要组成部分之一的接触网，需相应满足地上和地下两种线路的应用。不同速度时，因为工程造价等因素，牵引供电制式不尽相同[3]，导致接触网安装方式也各不相同。速度为100～120 km/h的市域(郊)铁路接触网设计已较为成熟。而速度为160 km/h的已运营市域(郊)铁路仅有北京新机场线，因此该时速的地上和地下区段的接触网需要重点研究。

2 牵引供电制式及授流方式

牵引供电制式主要指电流制式、电压等级。市域(郊)铁路有3种供电制式，分别为:直流制式750 V、直流制式1 500 V和交流制式25 kV。当速度140 km/h及以上时，结合空气动力学效应和技术经济比选后，宜采用交流制式，电压为25 kV。

接触网的授流方式体现了载流能力和机械接触的特点[4]，可分为架空接触网和接触轨两种。接触轨一般应用于120 km/h速度及以下的线路。架空接触网应用很广，在100～160 km/h速度范围均有使用，包含了刚性悬挂架空接触网和柔性悬挂架空接触网两种。国内接触网系统主要应用现状见表1所示。

表1 国内接触网系统主要应用现状

速度160 km/h接触网宜采用架空方式授流。

3 地下段接触网安装

国内160 km/h速度市域(郊)铁路目前已开通运营的只有北京新机场线，正在施工的有结合珠三角城市交通建设的广州地铁18和22号线。为了减少隧道断面开挖的工程量，通过技术经济比较后，上述线路接触网均采用悬臂式刚性悬挂架空接触网。

3.1 悬臂式刚性悬挂组成

悬臂式刚性悬挂是采用吊柱上安装绝缘子及定位线夹连接板，定位线夹根据设计拉出值可在定位线夹连接板上移动，定位线夹下方固定夹持接触线的刚性汇流排，如图1所示。列车通过受电弓和接触线接触授流运行。

图1 悬臂式刚性悬挂

3.2 悬臂式刚性悬挂结构参数对弓网动力特性的影响

3.2.1 接触网拉出值及平面布置

刚性悬挂通常采用在一个锚段内实现一次或多次周期性变化，且由于汇流排弯曲半径限制，拉出值在极大位置上无法实现突变，因此容易出现受电弓磨耗不均匀的现象。

国内的刚性接触网平面布置一般采用半波方式或全波方式布置。

部分采用上述方案的线路开通运行一段时间后，受电弓碳滑板会出现严重磨损，并且磨耗呈现不均匀分布，部分严重区域出现磨损凹槽。静态拉出值与受电弓磨耗对比，如图2所示。

图2 静态拉出值与受电弓磨耗对比

通过测量受电弓磨损处相对受电弓中心的偏移值，可以得到磨损位置的接触网拉出值，两侧在距离受电弓中心100～200 mm区域受电弓碳滑板磨耗较大，经检测数据以及计算分析，主要是三方面的原因。

(1)采用正弦波布置方式

刚性悬挂采用正弦波布置时，根据正弦波的公式计算可知一个完整的正弦波刚性悬挂锚段，波峰和波谷在拉出值190～200 mm范围的导线长度占到整个锚段长度的20%左右。每1 mm拉出值汇流排分布的长度称为拉出值单位磨耗长度，波峰和波谷处拉出值单位磨耗长度为其他部位的4倍以上，因此拉出值最大处的磨损大。

非波峰或波谷区段，拉出值变化率是一个变化的数值，该值在0～5 mm/m之间。即拉出值范围虽然相同，但接触线在受电弓碳滑板上的滑动距离不同，因此接触线在碳滑板上不同的部位摩擦的概率也不相同，导致碳滑板的磨耗不均匀，磨损严重的地区就容易出现凹槽。

(2)曲线处布置方式

在曲线区段，刚性悬挂将汇流排设置在曲线的外侧，接触线均在线路一侧的受电弓碳滑板上滑动，滑动范围小。当曲线线路较长或者环线线路，碳滑板线路两侧的磨耗不均匀问题非常突出。

(3)拉出值影响碳滑板表面的温升

当接触网采用线路两侧相同的拉出值时，能让悬挂点及接触线在受电弓两侧相同分布，使两侧的磨耗一致。但是由于拉出值决定了接触线在碳滑板的滑动距离，即决定哪些区域被磨耗。拉出值为200 mm时，受电弓碳滑板只有400 mm宽度范围被利用，而其他区域与导线接触很少，造成了碳滑板的磨损集中。

受电弓运行过程中接触线和受电弓滑板只是接触点授流[5]，授流面积小，大电流经过时接触点温升较大[6]。如果拉出值较小，接触线在小范围内与受电弓持续摩擦，电流及摩擦导致的温升不能及时散发，导致受电弓快速磨损。

要解决刚性悬挂受电弓滑板磨损，需要减少碳滑板与接触线的磨耗以及磨耗不均匀性。结合上述分析的原因，可采用相应的优化方案。

(1)采用折线布置方式

由于正弦波布置方式拉出值变化率不是固定数值，导致磨耗的不均匀。因此通过将接触线按直线布置，采用固定拉出值变化率，使导线在碳滑板上具有固定变化速率，使碳滑板磨耗均匀。拉出值变化率根据锚段长度的要求，按照2.5～10 mm/m选取。

由于最大拉出值处汇流排受最小半径限制，无法采用折线方式，但是可以在最大拉出值悬挂点两侧两跨范围内，按照汇流排允许的弯曲最小半径进行布置，减少该处接触线与碳滑板的接触时间。

(2)曲线处采用线路中心两侧布置方式

当曲线处刚性悬挂采用曲线外单侧布置会导致磨耗不均匀，因此可以将曲线区段按照直线区段进行刚性悬挂的布置，根据接触线与碳滑板中心的相对轨迹，以碳滑板为中心，让定位点在两侧对称且均匀分布，使得受电弓两侧的磨耗均匀且一致。

(3)增加最大拉出值

拉出值小时，接触线在受电弓碳滑板同一位置长时间摩擦，温升较大，碳滑板磨损快。通过加大拉出值，增加碳滑板与导线接触面积，扩大散热，减少温升。

同时拉出值也不能过于加大，由于机车在运行时会左右晃动，受电弓动态包络线有左右摆动量，拉出值过大时可能导致接触线超出碳滑板的接触范围[7]，严重时会出现脱弓。其次当拉出值加大时，会导致拉出值变化率的增加。通过现场比较，最大拉出值采用250 mm时，碳滑板磨损相对较小。

3.2.2 跨距

刚性架空接触网，《城际铁路设计规范》(TB 10623—2014)[8]要求最大跨距不宜大于12 m且相邻跨距之比不宜大于1∶1.25；《市域铁路设计规范》(T/CRS C0101—2017)[9]要求连续中间跨相邻跨距之比不宜大于1∶1.25。《城市轨道交通架空接触网技术标准》(CJJ/T 288—2018)[10]要求悬挂点的跨距宜为6～10 m；《市域(郊)铁路设计规范》(TB 10624—2020)[1]125要求跨距应根据行车速度、汇流排刚度与弹性、受电弓参数等综合确定。

刚性接触网锚段连接有两种，一种是锚段关节，一种是膨胀接头。通过比较DSA380型受电弓通过不同跨距下两种锚段连接的弓网动态性能，对于不同跨距进行比选。

(1)锚段关节

受电弓以160 km/h运行速度通过不同跨距的刚性悬挂锚段关节，跨距8 m的接触力波动相对较小。进一步统计接触力特征值，跨距8 m的接触力标准差最小，最小接触力最大，说明跨距8 m刚性悬挂的接触质量最优。

(2)膨胀接头

受电弓以160 km/h运行速度通过不同跨距的刚性悬挂膨胀接头，跨距6.4 m和跨距8 m的接触力波动相对较小。进一步统计不同跨距接触力特征值。跨距9.6 m的接触力标准差最大，最小接触力最小，说明跨距9.6 m刚性接触网的接触质量最差；跨距6.4 m和8 m的接触力标准差、最小接触力和最大接触力接近，但跨距8 m时，刚性悬挂支持装置较少，经济性能较优。

综合上述两种方案比较，160 km/h刚性悬挂宜使用8 m跨距。

3.2.3 硬点

接触网硬点会导致受电弓和接触线的非常态磨损，甚至可能在接触部位产生弓网电弧或火花，进而损坏受电弓和接触线[11]。因此需要严格控制接触线硬点。交流25 kV时接触线硬点要求见表2。

表2 交流25 kV时接触线硬点要求

悬臂式刚性悬挂产生硬点主要有两类:

(1)定位器固定点、分段绝缘器、膨胀接头等与汇流排连接处因零部件和设备单位质量增加，导致弓网压力突变。

(2)施工过程中因为施工误差过大，造成接触线弯曲变形而导致的硬点。

为了减少硬点的产生，可以通过控制接触网零部件和设备的误差要求以减少硬点的产生。

(1)两汇流排连接处，夹槽不平顺度不大于0.3 mm。

(2)两个相邻悬挂点导线高度误差不大于3 mm。

(3)膨胀接头和分段绝缘器的悬挂点及两端相邻悬挂点导高调整到等高，误差不大于2 mm。膨胀接头和分段绝缘器与汇流排、轨平面平行且水平，误差不大于0.1°。

4 地上段接触网安装

由于地上段不受净空限制，结合建设经济性、施工检修方便性和运营设备可靠性，160 km/h速度市域(郊)铁路一般采用柔性悬挂架空接触网。

4.1 柔性悬挂组成

柔性悬挂架空接触网主要由棒式绝缘子、平斜腕臂、承力索座、定位管及定位器组成，如图3所示。

图3 柔性悬挂组成

4.2 柔性悬挂结构参数对弓网动力特性的影响

4.2.1 接触网拉出值及平面布置

接触网柔性悬挂时，为了保证接触线与受电弓充分摩擦接触，直线区段采用“之”字型布置，以线路中心线为中点，接触线在线路两侧的拉出值和变化率均相等。曲线半径小于4 000 m区段，接触网一般采用曲线外侧布置。当线路曲线比例较大，接触线在碳滑板同一位置长时间摩擦，温升较大，碳滑板磨损快，如图4所示。

图4 柔性悬挂受电弓磨损

为了减少磨损，通过分析线路最小曲线半径，计算曲线处跨中拉出值的偏移量和悬挂点定位器的受力要求，在曲线半径大于2 800 m的区段，根据接触线与碳滑板中心的相对轨迹，以碳滑板为中心，让定位点按两侧250 mm拉出值布置，以减少受电弓磨损。

4.2.2 刚柔过渡

由于接触网连续性要求，地下段出口处刚性悬挂和柔性悬挂接触网必须平顺衔接。刚柔过渡有锚段关节式过渡和贯通式过渡两种[12]，经仿真分析弓网动力性能，贯通式刚柔过渡能满足160 km/h速度要求。

通过减少刚柔过渡处定位点刚度和提高施工精度，可以有效改善弓网动态性能。

5 结束语

市域(郊)铁路的建设方兴未艾，但160 km/h速度的线路目前应用较少。结合空气动力学效应、技术比选及国内市域(郊)接触网系统的应用现状，确定160 km/h速度接触网采用交流制式25 kV的架空悬挂接触网。

通过研究已开通运营的北京新机场线和在建广州地铁18、22号线，详细介绍了地下段悬臂式刚性悬挂架空接触网的组成。结合相关线路在弓网动力特性上遇到的问题，对刚性悬挂接触网拉出值及平面布置、跨距和硬点等主要方面进行了分析并提出了优化方案。

地上段介绍了柔性悬挂架空接触网的组成，分析接触网拉出值和刚柔过渡存在的问题，形成优化方案。