地铁刚性接触网分段绝缘器改绝缘锚段关节方案研究

邓雪明，杨树恒，王溢斐，张 煜

0 引言

城市轨道交通是大容量公共交通基础设施，是城市引导承载绿色低碳出行的骨干交通方式，经过二十多年的高速发展，我国已建成世界上最为庞大的城市轨道交通网络。接触网是地铁车辆无备用的供电载体和基础设施，主要分为架空柔性接触网和架空刚性接触网，其中架空刚性接触网具有结构简单、安装空间小、无断线隐患、使用寿命长、运维工作量小等优点，尽管结构形式与柔性接触网差异较大，但两者满足弓网受流功能无异，线路网络架空接触网系统可互联互通，实现无缝衔接[1]。自2003年广州地铁2号线成功应用架空刚性悬挂后，刚性接触网在我国城市轨道交通中得到广泛应用，已成为隧道内架空接触网的主要型式。

作为一种特殊的供电线路，为保证供电的可靠性和灵活性，确保故障情况下能够缩小故障范围，接触网系统需要设置电分段。刚性接触网电分段有分段绝缘器和绝缘锚段关节两种结构型式，其作用是在正常供电情况下将两个供电分区进行电气隔离，且保证受电弓机械滑动连续性。

1 刚性接触网电分段

刚性接触网系统中，不同供电分区间通常采用分段绝缘器或绝缘锚段关节作为电分段。基于适应速度和受流质量考虑，一般情况在正线接触网上网点处设置绝缘锚段关节，在渡线、联络线、折返线中设置分段绝缘器。

分段绝缘器是一种能够实现接触网设备电气断开，同时不影响受电弓与接触线正常摩擦取流的重要电气设备，一般由主绝缘、铜滑靴及辅助滑道组成，含消弧装置。由于受电弓经过时要求碳滑板同时接触的部件在一个平面内，且与轨面平行，运行条件较为苛刻，安装及检修工艺要求高，而分段绝缘器与接触线连接处存在受力硬点，容易出现受电弓离线及拉弧现象，影响弓网关系，因此分段绝缘器一般用于不同供电臂末端有一定电位差需进行电气分段且运行速度较低的位置，如渡线、联络线、折返线等。分段绝缘器优点是可保证受电弓平滑通过，可满足快速抢修的需求，具有消弧作用；缺点是安装工艺较为复杂，调整难度大，检修周期短，检修维护工作量大，受电弓经过时易产生硬点导致碳滑板与分段绝缘器之间发生撞击，从而影响受电弓碳滑板及分段绝缘器铜滑靴使用寿命，增加运营成本，严重时对车辆受电弓及接触网设备造成损伤甚至中断行车引发弓网故障。

绝缘锚段关节采用两段汇流排平行重叠形成关节的布置方式，无需额外增加设备，锚段两端设置汇流排终端，锚段关节重叠长度一般为6.6 m，实现受电弓平滑过渡，汇流排水平间距一般为260～300 mm，实现电气绝缘。绝缘锚段关节处接触线平行、重叠、等高，既能实现机械分段，同时实现电气分段，基本消除受电弓高速通过时的拉弧现象，保证列车受流质量，适用于空间条件好、行车速度高的区域，一般应用于正线需进行电气分段的位置，如车站牵引所接触网上网点处。刚性接触网绝缘锚段关节具有结构简单、安装工艺简单、检修周期短、检修维护量小的优点，能够最大限度地保证正线接触网系统的相对连续性，有效提高系统安全性、可靠性。

2 深圳地铁刚性分段绝缘器运行情况分析

图1 深圳地铁采用的分段绝缘器

通过长期运行数据统计发现，各型号分段绝缘器存在不同程度的问题：运行过程存在轻微拉弧；引弧棒脱落；辅助滑板断裂；滑板磨损严重；滑板脱落等。从刚性接触网分段绝缘器运营中出现的问题分析，导致分段绝缘器故障的主要原因如下：

（1）分段绝缘器本体具有一定的刚度，由于本体质量较大，分段绝缘器处的刚性接触网弛度大、弹性低，容易形成硬点。

（2）分段绝缘器应处于负弛度状态，由于安装调整不当，现场大多数处于正弛度状态，造成分段绝缘器打弓。

（3）分段绝缘器出现问题的线路，通常列车受电弓碳滑板也会出现较为严重的不均匀磨耗情况，碳滑板长时间磨耗出现凹槽，受电弓运行至分段绝缘器处时不能平滑接触，受电弓对导流板产生冲击，出现较为严重的离线拉弧[2]。

（4）分段绝缘器两端存在电压差，列车在渡线、联络线、折返线运行时速度普遍偏低，受电弓与分段绝缘器接触、分离的时间较长，加剧了拉弧现象[3]。

（5）分段绝缘器结构形式较多，部分结构存在缺陷，某型号分段绝缘器两侧导流板绝缘间距偏大，过渡时受电弓在单支长导流板滑行距离更长，由于受电弓的抬升力，分段绝缘器间隙侧受电弓抬高，高于即将过渡到的对侧长导流板，过渡时导致一定程度的碰撞，由于频繁的碰撞振动，导流板与分段绝缘器本体固定螺栓松动，致使导流板导高降低，出现打弓事故。

各类分段绝缘器问题对弓网关系造成较大影响，为地铁车辆安全运行埋下了隐患。较为严重的问题，如深圳地铁10号线试运行期间分段绝缘器滑板技术参数发生变化，受电弓通过时碰撞分段绝缘器滑板，导致滑板松脱下垂侵入受电弓运行范围，造成2起严重弓网故障，32列电客车受电弓及滑板出现不同程度损伤，直接经济损失较大。此外，分段绝缘器主绝缘窜电是深圳地铁目前较为普遍的现象，随着运营时间增长，分段绝缘器主绝缘吸附大量灰尘，造成绝缘性能下降。分段绝缘器检修工作量大幅增加，增大了运营维护成本[4-5]。

因此，逐步减少刚性悬挂接触网分段绝缘器的应用对于保障地铁安全运行具有较强的必要性。

“法官，按我的理解，你的意思是，当着我和我那几个小孩子的面，无缘无故地杀害我丈夫的这个人是无罪的？法律对他只能这样了？”“没错，两种说法都一样。”我回答。

3 调整刚性悬挂电分段形式研究

3.1 研究路线

结合以上情况分析，开展对调整刚性悬挂电分段形式的研究，按照运营调研-理论研究-线路试验-建设应用-行业推广的思路开展研究和应用工作：（1）对深圳地铁已开通线路的分段绝缘器、绝缘锚段关节进行使用情况及问题调研；（2）组织深圳地铁接触网系统的设计、施工和运营单位对调整方案进行可行性分析论证；（3）选取具备条件的新建线路某处进行分段绝缘器改为绝缘锚段关节试验验证；（4）试验取得良好效果后，在后续深圳地铁新建线路中推广绝缘锚段关节替代分段绝缘器方案；（5）总结运行经验，对比分析分段绝缘器与绝缘锚段关节的运行效果，在行业内进行推广应用，提高接触网运行的可靠性，减少建设及运营成本。

3.2 可行性及经济性分析

城市轨道交通牵引供电系统通常采用直流1 500 V供电制式，一般采用双边供电方式，由于相邻供电臂的上网馈线来自同一牵引变电所的同一母线，且上网点距离较近，理论上电分段两侧电位差很小，受电弓通过绝缘锚段关节等高点时的瞬间两供电臂短路，不易产生电弧，对牵引供电系统的稳定运行影响不大，因此在牵引变电所上网位置一般采用绝缘锚段关节作为电分段。

绝缘锚段关节和分段绝缘器在电气分段功能上具有一致性，差别主要在于分段绝缘器设有消弧装置，在电位差较大处地铁车辆通过时产生较好的消弧作用，且分段绝缘器受安装空间制约较小。因此，在电位差较小、具备绝缘锚段关节安装空间、运行强度低的部分渡线、折返线及联络线上采用绝缘锚段关节形式电分段能够满足运营需求，将分段绝缘器改为绝缘锚段关节具有理论可行性。

以深圳地铁8号线一期盐田路站下行折返线为例，原设计刚性分段绝缘器设备安装费为67 665元（其中设备费65 000元，安装费2 665元）。绝缘锚段关节的估算费用见表1。

表1 绝缘锚段关节成本

由此可见，绝缘锚段关节相对分段绝缘器建设成本更低，同时还节约了后期运营维护成本，具有较好的经济性。

3.3 弓网仿真分析

通过弓网动态相互作用仿真，以要求更为严苛的80 km/h速度等级条件评估刚性悬挂绝缘锚段关节的弓网动态性能。仿真模型中汇流排采用beam4梁单元进行建模，Π型汇流排高110 mm，宽85 mm，汇流排底部开槽，用以夹持接触线。汇流排并不是连续结构，汇流排之间通过中间接头连接，由于中间接头质量相对较小，建模分析中忽略中间接头质量，将汇流排等效为连续的梁结构。受电弓采用三质量块模型，该模型将受电弓分为弓头、上框架、下框架三级等效，如图2所示。

图2 受电弓等效模型

通过仿真，弓网动态接触力曲线、弓头垂向加速度曲线、滑板垂向动态位移曲线见图3，弓网接触力的特征统计值见表2。

表2 弓网接触力特征统计值（80 km/h时） N

图3 弓网仿真结果

可见，80 km/h速度等级下弓网接触力各项特征值满足规范要求，前中后受电弓接触力标准偏差较为接近，弓网动态性能相当，受电弓通过绝缘锚段关节时弓网关系良好。

3.4 试验验证

本次试验选取深圳地铁8号线一期盐田路站下行折返线为试验地点，验证分段绝缘器改绝缘锚段关节的可行性与安全性。8号线一期工程由2号线三期莲塘站后折返线接出，终至盐田路站，折返线路全长12.34 km，采用架空刚性接触网。

盐田路站折返线与正线左、右线之间均设置连接线，原设计方案中在每条连接线上均设置分段绝缘器作为电分段，并在右线与折返线连接分段绝缘器位置设置常闭电动隔离开关，连接分段绝缘器两侧为折返线供电，在左线与折返线连接分段绝缘器位置设置常开电动隔离开关，连接分段绝缘器两侧作为备用供电方案。盐田路站供电示意图见图4。

图4 盐田路站供电分段示意图

按照上述供电方案，右线与折返线间分段绝缘器两侧均由右线供电臂供电，几乎不存在电位差；左线与折返线间分段绝缘器两侧分别由左、右线供电臂供电，由于运营期间左、右线供电臂内行车情况不同，理论上在该分段绝缘器两侧存在电位差，当受电弓碳滑板经过该分段绝缘器时，存在放电现象。基于以上分析，选择将左线与折返线之间的分段绝缘器改为绝缘锚段关节，用于验证在有一定电位差的情况下采用绝缘锚段关节实现电分段时的运行状况和弓网关系。

折返线原接触网平面布置图见图5（a）。从平面布置图中可以看出，原设计接触网拉出值由-200 mm经过19个定位点过渡到+200 mm，D1-10、D1-11定位点拉出值为0 mm，D1-10、D1-11定位点之间为原设计分段绝缘器的安装位置，中心锚结设置于D1-12定位点处。现需将D1-10、D1-11之间分段绝缘器调整为重叠平行布置的绝缘锚段关节，新增加的定位点拉出值分别设置为+100 mm、+130 mm、-130 mm、-95 mm，同时在D1-06、D1-14处设置两个中心锚结，详见图5（b）。

图5 折返线接触网平面布置

3.5 试验结论

为监测改造后绝缘锚段关节的运行状态，在绝缘锚段关节处装设了高清摄像头，通过该摄像头对8号线一期试运营期间列车受电弓经过该绝缘锚段关节时的弓网关系进行实时监测。车载及固定录像资料显示，该绝缘锚段关节在列车受电弓通过时受电弓通过性良好，无明显拉弧现象，弓网关系无异常。变电所内设备运行日志显示，受电弓通过该绝缘锚段关节时取流正常，数据无异常波动。

结合线路运营实际工况分析，试验点绝缘锚段关节处弓网关系良好。受电弓运行状态良好的原因主要包括两个方面：一是折返线所连接的左、右线两供电臂均由盐田路站牵引变电所供电，当两供电臂列车运行情况相近时，电位差相对较小；二是盐田路站作为8号线一期的始发站，列车从左线进入到达盐田路站后先进行清客，然后再载客，客流量较小，列车经过绝缘锚段关节时处于轻载状态，且速度较慢，列车取流很小。

综上，通过可行性分析和深圳地铁8号线盐田路站试验验证，架空刚性悬挂绝缘锚段关节在存在一定电位差的折返线上能够满足列车运行和取流要求，且运行状态良好，具备一定推广应用价值。

4 结语

本文通过理论分析及现场试验，证明在电位差较小、具备安装空间、运行强度低的折返线上采用绝缘锚段关节形式电分段能够满足运营需求，具有良好的弓网关系，将分段绝缘器改为绝缘锚段关节具有可行性。考虑绝缘锚段关节安装简单、维护工作量少和成本低的优点，在后续深圳地铁建设过程中，建议逐步推广在折返线等位置采用绝缘锚段关节替代分段绝缘器，并在长期运行过程中与运营单位共同跟踪、记录运行状态及数据，进一步研究分析绝缘锚段关节在渡线、联络线等更加复杂工况处应用的可行性，为该方案在行业内推广奠定基础。