城市軌道交通弓網系統現狀分析與建議

關金發，吳積欽

(西南交通大學電氣工程學院，成都　610031)

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城市軌道交通弓網系統現狀分析與建議

關金發，吳積欽

(西南交通大學電氣工程學院，成都610031)

摘要：既有城軌受電弓與接觸網的類型較多，兩者之間的配合問題尤為突出。總結國內外城軌弓網系統標準，存在內容描述較少，剛柔接觸網未分開規定，指標參數相差較大，系統性不強等問題。總結國內外相關研究文獻，發現弓網設計階段對弓網接口的設計不足，弓網維修階段存在機械故障較多，弓網仿真缺少實測數據確認等問題。最后針對城軌弓網系統研究現狀的不足，對未來進一步研究工作提出若干建議。

關鍵詞：城市軌道交通；受電弓；接觸網；研究現狀

截止到2014年12月，全國已開通城市軌道交通線路運營里程已達3173 km。上海地鐵6、8、9、10、11號線，廣州地鐵2、3號線，南京地鐵1號線，成都地鐵1、2號線，深圳地鐵1、11號線，北京地鐵14號線等工程均采用受電弓與接觸網受流方式。城軌弓網系統的應用越來越廣泛。

既有城軌弓網標準及設計、運維技術已有一定的經驗積累，但存在一些問題，如：城軌接觸網的懸掛類型較多，有剛性懸掛、雙承雙導簡單鏈型懸掛、彈性吊索簡單懸掛，同一條線路上受電弓需要適應一種或幾種接觸懸掛，弓網接口適配性增加了弓網設計復雜性；弓網標準未成體系，標準對弓網系統的規范細節不足；施工驗收階段未有相應的靜態、動態驗收標準。設計施工的不足使得弓網動態性能降低，加大運維難度。

首先概述城軌接觸網、受電弓的結構及運行特點，對相關標準做歸納與比較，然后調研國內外有關城軌弓網的研究現狀，在充分了解現狀的基礎上，從標準、設計、施工、運維幾個階段總結現有弓網系統存在的問題，并提出解決當前問題的相關建議。

1城軌弓網系統的結構

1.1　城軌接觸網

剛性接觸網因其接觸線無張力，不用設置下錨裝置，不會發生斷線事故，零部件少，載流量大，安全可靠，維修工作量小等特點，被廣泛地應用于隧道內的接觸網布置。城軌列車車庫段內車速較慢，沒有必要使用簡單鏈型懸掛，改用更為經濟的彈吊加簡單懸掛的方式。城軌接觸網的懸掛形式要綜合線路條件和運行速度，選擇采用剛性、柔性懸掛，不同地段的接觸網結構見表1。

表1　接觸網懸掛選型及組合方式

1.2　城軌受電弓

城軌受電弓需要同時適應柔性和剛性接觸網，故對其結構性能要求比較高，一般隧道內由于凈空的限制，受電弓工作在較低的工作高度，不利于受電弓性能的發揮，若與剛性接觸網配合，弓網接觸剛度較大，滑板與接觸線的磨耗比柔性接觸網大。對于剛柔過渡、膨脹接頭、關節式過渡、道岔段等接觸網特殊斷面，對于受電弓的服役性能有不可忽視的影響。

城軌受電弓均是單臂受電弓，由于生產廠家不同，受電弓的結構也各不相同，框架結構上有使用上框架為鋁合金材料，下框架為鋼材的，也有全部框架結構均為鋼材；傳動結構有彈簧式的，也有氣囊式的；弓頭及懸架的樣式更是多種多樣，弓頭懸架有彈簧片式、彈簧盒式，也有橡膠彈簧式的，但一般弓角均與弓頭懸架一體；弓頭滑板的有效工作長度也不一，有使用長度為1 250 mm的受電弓，也有使用長度為800 mm的；弓頭的結構不一，導致弓頭的輪廓不一。

雖然城軌受電弓的型號比較多，但均需滿足標準GB/T 21561.2[1]的要求。

由于城軌受電弓的形式多樣，接觸網的設計應首先確認地鐵線路使用哪種型號的受電弓，根據該受電弓的參數來設計與之匹配的接觸網結構，才能保證弓網系統的良好受流。

2城軌弓網標準

國內外針對城軌弓網標準的涉及內容較少且分散，針對性不強，除受電弓有單獨標準規范，接觸網的規范較籠統，未分剛性、柔性懸掛分別說明，系統性和專業性不強，尚未形成健全的標準體系。以下僅對有涉及城軌弓網的標準進行一些歸納與比較。

歐洲弓網標準體系是對弓網系統的系統規范，其中包括弓網系統設計、性能評估、動態測試、動態仿真，其各部分之間關系見文獻[2]。但其中的內容大部分是針對國鐵弓網系統，因為EN標準主要是促進歐洲鐵路互聯互通，歐盟境內鐵路運營一體化。TSI 2011/274/EU[3]是歐洲委員會關于普速鐵路能源子系統在歐洲互聯互通的指令性要求，其中弓網系統部分與歐洲弓網標準體系中的要求是一致的。

歐洲鐵路技術規范中有關城軌弓網系統主要體現在DC1.5 kV的接觸網規定中，如：EN50206—2[4]是有關城軌受電弓的技術要求；EN50367[5]和TSI 2011/274/EU中對不同電壓制式進行分類，并指出城軌弓網系統應遵循的標準條款。但EN50119[6]及其他相關歐標并未針對城軌架空接觸網進行單獨說明。

UIC 799[7]僅針對速度為160～250 km/h的直流弓網系統設計參數進行規定。

IEEE1629[8]是有關城軌直流架空接觸網的性能要求標準，比較全面地規定了受電弓、接觸網的技術要求以及規定了受電弓的各項試驗，包括：形式試驗、常規試驗、故障試驗、現場試驗、單項試驗。

中國的城軌弓網標準主要依據GB/T 21561.2、GB 50157、GBT 7928、GBT 10411、GB 50490[9-12]。

GB/T 21561.2與EN50206—2的內容一致。

地鐵車輛通用技術條件中對于弓網系統的要求僅一條“受流器或受電弓應受流狀態良好，受流時對受流器或供電設備均無損傷或異常磨耗，受電弓的接觸壓力為100～140 N”。

地鐵設計規范中未對架空接觸網與第三軌進行分開說明，剛性接觸網與第三軌除了一些定性的要求，沒有詳細的介紹，但其中指出“本規定是為了保證列車運行時，具有良好的弓網關系，以減少弓網的不均勻磨耗和燒蝕，避免接觸導線斷線”，說明弓網關系是必須要引起重視的。

城軌交通直流牽引供電系統中規定了接觸網的最小安全凈距，架空接觸網的坡度，拉出值的布置方式，隧道內外接觸線最低高度。

城市軌道交通技術規范中有關接觸網有5條定性要求。

比較以上標準發現：IEEE與歐標的動態接觸力范圍一致，當運行速度小于200 km/h時均為0～300 N，但UIC 799為0～350 N。國內外有關靜態接觸力范圍則不一致，見表2，中國靜態接觸力并未給出標稱值，歐標中的標準值雖是90 N，但停車時變為140 N，對于既有城軌受電弓難以實現，國際電工委員會針對不同的滑板寬度，靜態接觸力有所不同；中國城軌接觸網的設計坡度比國外的接觸網小，見表3，若按照GBT10411的要求，中國接觸網平順性比國外的要高；同樣是DC1.5 kV等級的電壓制式，中國的最小安全凈距比國外的大，見表4，說明中國接觸網絕緣考慮的安全余量更大。中國接觸網設計要求比較高，但由于弓網系統的標準涉及的內容不多，有待進一步健全。

表2　受電弓靜態接觸力　N

表3　接觸網設計坡度要求

表4　帶電體對建筑物等最小安全凈距　mm

3城軌弓網系統的研究狀況

研究城軌弓網系統的文獻較多，主要是從以下幾個方面進行論述：弓網系統的設計；現場故障的形式及原因分析；弓網系統的實驗室測試及現場試驗；弓網系統的仿真建模及結構優化。

3.1　弓網系統的設計

弓網系統概述及評價類文獻主要針對城軌弓網系統的結構特點、應用前景、規范標準研究等方面對弓網系統進行概述。

文獻[14]論述不同受電方式的接觸網組成及特點，為城軌接觸網的選型提供參考依據。

文獻[15]針對西安地鐵中存在地裂縫問題，研究該區域的接觸網懸掛方式，形成接觸網特殊設計方案。

文獻[16]分析中國城軌接觸網的現狀，提出基于外部、內部、工程評價的接觸網評價體系。

文獻[17]提出一種適應地鐵柔性接觸網的線岔檢調標準。

弓網系統設計階段除考慮一般或特殊設計外，弓網接口設計也應引起重視，在接觸網的設計前應提供受電弓類型及結構參數，作為接觸網的設計依據。

3.2　弓網故障及維修

文獻[18-21]針對地鐵剛性接觸網在運營中出現的問題，提出相應的處理辦法。

文獻[22-24]根據現場接觸線、滑板的磨耗情況提出相應抑制接觸線、滑板磨損的措施。地鐵運行實踐表明，剛性接觸網的接觸線和受電弓滑板磨耗較柔性接觸網的磨耗要嚴重得多，剛性接觸網部分區段和部件磨耗嚴重，最嚴重區段受電弓滑板已能夠接觸到匯流排。

文獻[25]通過對深圳地鐵1號線高架段接觸網存在的若干問題進行分析，提出了相應的整改方案。

城軌弓網故障中以接觸線與滑板磨耗比較普遍，說明弓網的機械配合需要進行調整，如適當增加匯流排定位線夾彈性，或把既有門型懸掛改成懸臂懸掛匯流排，或調整受電弓結構參數，總之為優化兩者的動力相互作用，須調整兩者中一方或雙方結構。

3.3　弓網系統試驗

弓網試驗是優化弓網接口的基礎，充分掌握既有弓網機械或電氣匹配關系，發現不匹配區段，重點排查相關區段的接觸網參數，預防潛在故障，并進一步為弓網仿真提供基礎驗證數據。

弓網系統試驗是研究弓網關系的基礎數據來源，對弓網系統接口的研究有重要的研究價值。

文獻[26]使用地鐵檢測車對地鐵柔性接觸網進行預防性檢測，文中就檢測設備的精度與可靠性提出了相應建議。

文獻[27]在實驗室內建立剛性匯流排—滑板—電流試驗臺，通過測試相應工況，研究剛性接觸網與滑板的接觸過程，該試驗臺的滑板是可移動的，能模擬一定的運行速度，根據電接觸理論、摩擦理論，得到接觸網與受電弓的接觸行為與各自參數密切相關，電氣磨耗與轉化電流、電阻有關，機械磨耗與材料摩擦有關。

文獻[28-29]針對廣州地鐵3號線速度為120 km/h的區間、成都地鐵1號線速度為90 km/h的區間進行受電弓與剛性接觸網的動態性能測試，檢測項目包括弓網接觸力、弓頭框架的振動、滑板的溫升等情況。

3.4　弓網仿真及結構優化

被確認后的弓網仿真技術也是研究城軌弓網關系的重要途徑之一，且其輸入和邊界可以自行設定，是優化弓網結構的重要手段。

尚未見有關受電弓與雙承雙導懸掛接觸網的仿真研究文獻。研究城軌受電弓與剛性接觸網仿真的文獻較多。

文獻[30-32]建立受電弓與剛性接觸網動態仿真模型，受電弓利用simpack建立剛體模型，剛性接觸網利用有限元軟件建立柔性體模型，通過改變仿真參數，優化弓網動態性能，設計出Y型截面剛性懸掛，該新型懸掛的線路速度設計達110 km/h。

文獻[33-34]為了適應更高速度的剛柔過渡結構，設計一種新型結構，通過跑車試驗，論證該結構的運行性能能達130 km/h。文獻[35]針對剛性接觸網的關節式絕緣過渡段進行弓網建模及仿真，優化該處的弓網動態性能。

文獻[36]提出剛性接觸網的不平順對弓網受流有影響，高速運行時容易引發離線現象。文獻[37]給出剛性接觸網懸掛結構的等效數學模型，并分析影響等效模型的參數，但并未給出弓網仿真模型。文獻[38]利用有限元法，分析8 m跨距的剛性接觸網模態，得到剛性接觸網的固有頻率。文獻[39-46]中的剛性接觸網等效為具有匯流排截面的梁，懸掛點為具有一定剛度的彈簧，受電弓為集中質量模型，文中研究懸掛結構質量，運行速度，跨距，匯流排坡度，弓網接觸剛度，受電弓弓頭質量對弓網動態性能的影響，但并未研究錨段關節、拉出值、變化速度對弓網動態性能的影響。

弓網仿真是優化弓網接口的重要工具，經過確認后的弓網仿真，改變邊界條件或初始條件，得到不同參數組合工況，比較不同工況的動力性能指標，尋找弓網的最佳匹配參數，為弓網系統設計和維修改造提供優化方案。

4城軌弓網系統的建議

城軌弓網理論研究、振動測試、弓網仿真、維修技術已有一定的研究，但弓網標準尚未形成體系，且標準中參數取值不同標準要求不一致，需要進一步確認，設計階段對于弓網接口及適配性研究較少，運維階段多為機械故障，取決于弓網振動響應，應加深弓網作用機理研究。針對城軌弓網系統存在的問題，建議進一步開展以下課題研究。

(1)城軌弓網系統標準化體系的建立。參照國鐵、歐洲、國際電工委員會的相關標準，對于城軌接觸網設計、施工、驗收、維修全壽命周期各階段提出相應的標準規范。重點研究受電弓與接觸網的接口要求，從電氣和機械兩方面規范弓網接口，電氣性能要求分為載流量與絕緣性能，機械性能要求分為靜態幾何和動態相互作用。

(2)針對接觸網懸掛類型的多樣，研究適應剛性、柔性接觸網的受電弓結構，減少受電弓滑板的磨耗，延長受電弓設備的壽命；反之，針對某種型號的受電弓，設計與之電氣、機械性能匹配的接觸網，延長接觸網設備的壽命。

(3)對于弓網系統運營過程中出現的故障建立故障預測與健康管理系統，對設計、施工、驗收資料歸檔到維修系統當中，根據歸檔資料及日常維修過程，評估弓網設備狀態，為弓網維修提供決策支持。

(4)對于弓網結構優化的試驗技術和仿真技術的研究需要進一步加強。重點研究弓網接口的電熱特性和動態特性；利用試驗和仿真手段解決剛性接觸網與受電弓之間磨耗較嚴重問題；利用弓網仿真，優化適應某種型號或多種型號受電弓的接觸網結構參數；結合優化后的弓網結構，研究列車運行速度到160 km/h的城軌弓網系統，縮短城市長區間運行時間，提高運營效率。

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Analysis of Pantograph-Catenary System of Urban Transit and Suggestions

GUAN Jin-fa， WU Ji-qin

(College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：There are many types of pantograph and catenary in urban transit system and the matching of the two becomes a challenge. Researches on standards of pantograph and catenary system fall short of detailed specification， while rigid catenary and soft catenary are not separated， index and parameter differ in great margin and systematicness is insufficient. The review of relevant research papers indicates the inadequateness of the design in the interface of catenary and pantograph， frequent mechanical failure in maintenance and the lack of experimental confirmation of simulation. Finally some suggestions for future researches are provided in perspective of the inadequateness of the researches on urban rail pantograph and catenary system.

Key words：Urban rail transit; Pantograph; Overhead contact system; Research status

作者簡介：關金發(1986—)，男，博士研究生，主要研究領域為鐵路弓網關系，E-mail：kwanjinfa@163.com。

基金項目：中國鐵路總公司科技開發計劃(2013J010-B)

收稿日期：2015-01-27； 修回日期：2015-06-05

中圖分類號：U239.5； U225

文獻標識碼：DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.032

文章編號：1004-2954(2016)01-0144-04