接觸軌斷口設(shè)計(jì)分析

趙 雪 呂晶晶 王明飛

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都；2.成都工業(yè)學(xué)院，611730，成都∥第一作者，工程師）

1 概述

接觸軌受電作為城市軌道交通主要的牽引供電制式之一，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外城市軌道交通供電系統(tǒng)。接觸軌的布置應(yīng)滿足“盡量少斷軌，保證連續(xù)性”的要求，但在一些特殊區(qū)段，不可避免地需要設(shè)置斷軌（斷口）。通常，根據(jù)技術(shù)功能上的需求，在電分段處、道岔處、人防門(mén)／防淹門(mén)處，不同供電制式間過(guò)渡段（如接觸網(wǎng)和接觸軌之間的過(guò)渡）設(shè)置接觸軌斷軌；根據(jù)安全防護(hù)上的需求，在平交道口處、車(chē)站檢修扶梯處、區(qū)間疏散平臺(tái)扶梯處設(shè)置接觸軌斷軌。接觸軌斷口的存在，對(duì)車(chē)輛的連續(xù)可靠受流會(huì)產(chǎn)生一定影響，如何設(shè)置接觸軌斷口，是接觸軌設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

接觸軌允許的最大斷口長(zhǎng)度與車(chē)輛編組和集電靴配置緊密相關(guān)。以GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的B1型車(chē)為例，通常6輛編組形式為“＝Tc·M·M＝M·M·Tc＝”，其中拖車(chē)長(zhǎng)度Lt＝19.5m，動(dòng)車(chē)長(zhǎng)度Ld＝19m，車(chē)輛間間隙0.52m，整列車(chē)全長(zhǎng)L＝117.6m。車(chē)輛固定軸距2.3m，定距12.6m。

目前地鐵車(chē)輛牽引控制系統(tǒng)采用VVVF（變壓－變頻）交流傳動(dòng)技術(shù)，車(chē)輛的所有編組通過(guò)母線貫通，同時(shí)在直流母線上設(shè)置BHB（母線高速斷路器）。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度高于5km／h時(shí)，BHB處于合閘狀態(tài)；當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度低于5km／h時(shí)，BHB自動(dòng)斷開(kāi)。

以B1型車(chē)為例，如每輛動(dòng)車(chē)兩側(cè)轉(zhuǎn)向架處共設(shè)4個(gè)集電靴，整列列車(chē)共設(shè)有16個(gè)集電靴，相鄰集電靴間距最長(zhǎng)為12.6m，最短為6.92m。對(duì)于單斷口的接觸軌系統(tǒng)（假設(shè)斷口兩端接觸軌連續(xù)），若車(chē)輛的取流要求為至少2集電靴受電，則接觸軌斷口的最大允許長(zhǎng)度應(yīng)為58.56m，如圖1所示。

圖1 車(chē)輛集電靴設(shè)置與接觸軌斷口示意圖

2 道岔區(qū)斷口

2.1 道岔斷軌布置

為保證列車(chē)安全通過(guò)道岔區(qū)段，接觸軌需要設(shè)置機(jī)械分段。斷軌布置的原則為：正線（直股）接觸軌不能侵入岔線的設(shè)備限界，岔線（側(cè)股）接觸軌不能侵入正線的設(shè)備限界。斷軌的具體布置方案主要由道岔區(qū)限界加寬要求、線間距大小、道岔型號(hào)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)位置等確定，因此，斷軌布置需要和限界、線路、軌道、信號(hào)等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行接口配合。

直股側(cè)理論岔心至順向過(guò)岔方向10～20m范圍內(nèi)（不同線路根據(jù)車(chē)輛和限界要求有差異）為車(chē)輛限界加寬地段，此處一般不設(shè)置接觸軌。由于接觸軌端部彎頭無(wú)法預(yù)彎，因此對(duì)于線間距大于3.6m的單開(kāi)道岔，逆向過(guò)岔方向一般在導(dǎo)曲線終點(diǎn)后方可設(shè)置短接觸軌。單開(kāi)道岔處接觸軌布置見(jiàn)圖2。交叉渡線由于交叉?zhèn)裙砷g限界有限，原則上無(wú)法在側(cè)股設(shè)置接觸軌。

圖2 單開(kāi)道岔接觸軌布置示意圖

2.2 問(wèn)題分析

接觸軌系統(tǒng)的斷軌設(shè)計(jì)首先要保證車(chē)輛集電靴的有效受流，原則上不能出現(xiàn)受流盲區(qū)。道岔區(qū)的斷軌設(shè)計(jì)由于工況復(fù)雜、控制點(diǎn)較多，往往會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）單斷口長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿足車(chē)輛連續(xù)受流。一般而言，接觸軌系統(tǒng)最長(zhǎng)的斷口位于交叉渡線和線間距小于3.6m的單開(kāi)道岔處。由于側(cè)股處無(wú)法設(shè)置接觸軌，因此道岔側(cè)股的通過(guò)路徑會(huì)出現(xiàn)大斷口，以線間距5m的9號(hào)道岔為例，側(cè)股通過(guò)路徑的斷軌區(qū)至少為62.4m。

（2）斷口數(shù)量眾多、密集，無(wú)法滿足車(chē)輛連續(xù)受流。在車(chē)場(chǎng)以及部分有折返功能的車(chē)站咽喉區(qū)，由于道岔數(shù)量多、道岔間距離較短，造成接觸軌連續(xù)斷軌，特別是最長(zhǎng)單斷口位于連續(xù)斷軌區(qū)時(shí)，容易出現(xiàn)受流盲區(qū)。

2.3 建議措施

（1）對(duì)車(chē)輛招標(biāo)提出澄清要求。車(chē)輛需采用母線貫通的方式，建議BHB設(shè)置為手動(dòng)斷開(kāi)模式，同時(shí)集電靴數(shù)量的設(shè)置需保證最長(zhǎng)斷軌處的有效受流，解決單斷口長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

（2）對(duì)于交叉渡線和線間距小于3.6m的單開(kāi)道岔，與相鄰道岔的配列形式不可為對(duì)向配列，如無(wú)法避免，需保證理論岔心間距大于45m（間距長(zhǎng)度需結(jié)合道岔型號(hào)和道岔區(qū)限界加寬要求確定）。

（3）在不影響功能的前提下，在咽喉區(qū)的困難區(qū)域處加大連續(xù)道岔的間距，增大短接觸軌的長(zhǎng)度。

（4）研制可預(yù)彎的端部彎頭，考慮困難情況下在道岔側(cè)股的導(dǎo)曲線設(shè)置短接觸軌，保證車(chē)輛連續(xù)受流。

（5）機(jī)車(chē)上設(shè)置動(dòng)力畜電池，確保在機(jī)車(chē)失電時(shí)可轉(zhuǎn)為動(dòng)力畜電池短時(shí)牽引供電。同時(shí)，車(chē)輛相關(guān)用電設(shè)備的選用，應(yīng)考慮其瞬時(shí)失電后壽命折損，需滿足使用要求。

3 電分段斷口

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式，為便于檢修、縮小事故范圍和實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合，正線接觸軌在牽引變電所所在車(chē)站設(shè)有電分段。接觸軌電分段以設(shè)置斷軌的方式實(shí)現(xiàn)，主要有大斷口斷軌式電分段、小斷口斷軌式電分段、短軌式電分段等三種方案。

傳統(tǒng)的電分段方式一般采用大斷口斷軌式電分段，如國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的北京、天津地鐵，其斷口長(zhǎng)度通常大于列車(chē)相鄰集電靴的最長(zhǎng)間距（一般B型車(chē)取14m）。對(duì)于早期多采用動(dòng)車(chē)之間電氣斷開(kāi)的列車(chē)，其主要作用為：在正常運(yùn)行時(shí)起到電分段作用；在某一供電臂出現(xiàn)接地故障時(shí)，防止動(dòng)車(chē)前后集電靴將接地供電臂和帶電供電臂導(dǎo)通而擴(kuò)大事故范圍。目前地鐵車(chē)輛多采用母線貫通方式，大斷口電分段方式一般僅用在車(chē)輛運(yùn)行速度較低的車(chē)場(chǎng)內(nèi)。

小斷口式電分段一般用于正線電分段，其主要意義是確保接觸軌的連續(xù)授電。通常，正線高速?gòu)濐^長(zhǎng)度為5.2m，能夠保證集電靴完好接觸的平直段長(zhǎng)度為0.9m，為保證通過(guò)電分段時(shí)同一動(dòng)車(chē)前后集電靴至少有1個(gè)與接觸軌完好接觸，則斷軌長(zhǎng)度L≤12.6m－2×（5.2m－0.9m），即L≤4m。考慮到接觸軌伸縮量和冗余系數(shù)，小斷口長(zhǎng)度一般取為3m。

短軌式電分段主要是為了解決電分段斷口處車(chē)輛連續(xù)取流和故障連電的問(wèn)題。其原理是：在大斷口中設(shè)置一段短接觸軌，短接觸軌通過(guò)接觸器由變電所一路饋線供電，接觸器的分合與兩路饋線斷路器閉鎖，既保證了正常供電時(shí)車(chē)輛的連續(xù)取流，又可在某一供電分區(qū)故障時(shí)通過(guò)接觸器跳閘將短軌供電切除，使得列車(chē)誤闖電分段時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“故障連電”。該分段方式的主要缺點(diǎn)是：增加了投資，變電所的聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜，斷口數(shù)量增加降低了接觸軌的連續(xù)性。

4 其它類(lèi)斷口

4.1 不同牽引供電制式間過(guò)渡分段

對(duì)于同一線路的不同區(qū)段采用不同牽引供電制式的線路，或者兩條采用不同牽引供電制式的線路，如果要實(shí)現(xiàn)線路的聯(lián)絡(luò)共享，都會(huì)存在過(guò)渡分段的問(wèn)題，如架空接觸網(wǎng)和接觸軌系統(tǒng)的過(guò)渡。廣州地鐵4號(hào)線正線采用接觸軌系統(tǒng)，車(chē)輛段采用架空柔性接觸網(wǎng)，在出入段線上設(shè)置了弓靴轉(zhuǎn)換的過(guò)渡段。過(guò)渡段的長(zhǎng)度、分段方式需要結(jié)合車(chē)輛通過(guò)方式（停車(chē)或不停車(chē)、斷電或不斷電）和通過(guò)速度、升降弓（靴）模式、線路、軌道、信號(hào)，以及車(chē)輛相應(yīng)的感應(yīng)控制技術(shù)等綜合研究確定。隨著城市軌道交通線網(wǎng)的密集化、共享化以及供電制式的多元化，關(guān)于此問(wèn)題的研究將會(huì)進(jìn)一步開(kāi)展。

4.2 人防門(mén)／防淹門(mén)、平交道口處斷軌

人防門(mén)／防淹門(mén)、平交道口處接觸軌需設(shè)置斷軌。斷軌的長(zhǎng)度根據(jù)人防門(mén)／防淹門(mén)的尺寸和開(kāi)啟方式、平交道口的寬度以及安全距離確定。

IEC 62128—1—2003《Railway applications－Fixed installations－Part 1：Protective provisions relating to electrical safety and earthing》中對(duì)平交道口處的安全防護(hù)距離有明確的規(guī)定，要求接觸軌在距離平交道口2m處設(shè)置終端以及相應(yīng)的防護(hù)措施（見(jiàn)圖3）。因此，平交道口處接觸軌斷軌長(zhǎng)度L應(yīng)滿足：

式中：

b——平交道口寬度，m。

雖然人防門(mén)／防淹門(mén)處無(wú)平交走行的功能，但考慮到人防門(mén)／防淹門(mén)的日常維護(hù)檢修，建議此處安全距離按照不小于2m考慮。

4.3 車(chē)站檢修扶梯、區(qū)間疏散平臺(tái)扶梯處斷軌

圖3 平交道口處接觸軌斷軌示意圖

對(duì)于布置在車(chē)站站臺(tái)側(cè)以及和區(qū)間疏散平臺(tái)布置在同側(cè)的接觸軌系統(tǒng)，為保證走行、疏散通道的人身安全，需要設(shè)置斷軌。如果斷口長(zhǎng)度允許，接觸軌端部彎頭端部不宜進(jìn)入扶梯的范圍內(nèi)（順線路方向）。

此類(lèi)斷軌主要是由于接觸軌布置在站臺(tái)側(cè)和疏散平臺(tái)同側(cè)所致。考慮到斷軌本身會(huì)對(duì)接觸軌連續(xù)性造成影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合各種因素對(duì)接觸軌布置（即布置在行車(chē)方向的左側(cè)或右側(cè)）進(jìn)行考慮，在滿足安全防護(hù)的前提下盡量減少此類(lèi)斷軌。

5 結(jié)語(yǔ)

接觸軌系統(tǒng)斷口設(shè)計(jì)涉及供電、車(chē)輛、限界、軌道、信號(hào)、建筑、區(qū)間結(jié)構(gòu)、人防等專(zhuān)業(yè)，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮各種接口條件和工況，以滿足系統(tǒng)可靠性和防護(hù)安全性為原則，合理布置接觸軌斷軌區(qū)。隨著城市軌道交通的發(fā)展，接觸軌斷口設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題和要求，而新技術(shù)、新工藝的涌現(xiàn)也會(huì)帶來(lái)新的思路，對(duì)于接觸軌系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的研究有待進(jìn)一步的深化和完善。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］于松偉，楊興山，韓連詳，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與運(yùn)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

［3］毛建華，李金華.架空接觸網(wǎng)與三軌不停車(chē)切換過(guò)渡的技術(shù)探討［J］.電氣化鐵道，2004（6）：44.