地鐵隧道內160km/h剛性接觸網技術研究

牛景露

摘? 要：對于鐵路牽引供電系統，電客車速度是一個重要指標。對地鐵接觸網而言，剛性接觸網具有隧道內占用空間小，土建費用低，懸掛裝置結構簡單，零部件較少，接觸線抗拉強度要求低，安裝方便，運營維護較少，無需下錨等優良特性。由于地鐵提速對城市發展很重要，且剛性接觸網在地鐵應用中具有諸多優良特性，因此，針對地鐵隧道內160km/h剛性接觸網相關技術進行了分析，為高速度剛性接觸網研究提供參考。

關鍵詞：地鐵;隧道;剛性接觸網;懸掛裝置

中圖分類號：U225? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0143-03

1 概述

隨著城市軌道交通技術的發展，地鐵列車提速受到越來越多的重視。目前全世界城市的高速電氣化鐵路建設日新月異，接觸網作為鐵路電氣化工程的重要組成部分，是牽引動力供電系統為地鐵列車提供電能的接口環節，目前常應用在國鐵，城市軌道交通，有軌電車等領域。接觸網能夠直接影響到高速列車受流質量，因此，進一步研究隧道內供電系統中的接觸網相關技術很有必要。

架空接觸網按照懸掛裝置類型不同可分為柔性接觸網和剛性接觸網[1]。柔性接觸網懸掛裝置結構較復雜，接觸線抗拉強度要求高，零部件較多，鋪設時錨段端部需要設置下錨部件，散熱效應一般，斷線事故影響較大，對地下盾構隧道空間要求大，土建費用高。與柔性接觸網相比，剛性接觸網的接觸線夾持在匯流排中，機車通過受電弓從軌道頂部取流，進而為機車的電力牽引單元提供電能。剛性接觸網具有懸掛裝置結構簡單，線材抗拉強度要求低，零部件較少，斷線可能性低，安裝方便，運營維護較少，錨段端部無需下錨，地下盾構隧道空間要求小，土建費用低等諸多優點，在我國的城市軌道交通中得到了廣泛應用。隨著城市規模的擴大，對于一些郊區線路，提高車輛的運行速度，供電免維護狀態修成為現實需要，對剛性接觸網的速度、安全、可靠、經濟、實用等方面提出了更高要求[2]。剛性接觸網在北京、上海、深圳、廣州、南京等諸多城市地鐵線路中應用廣泛。目前，在國內中剛性接觸網普遍應用于80km/h的中低速城市軌道交通線路，技術成熟可靠，運營維護經驗豐富。隨著軌道交通技術的進步，對地鐵運行速度提出了更高的要求，因此，開展160km/h地鐵剛性接觸網分析研究很有必要。

2 剛性接觸網平面布置研究

2.1 懸掛裝置

普通地鐵供電系統剛性懸掛接觸網一般為直流1500V、直流750V，常采用垂直懸掛定位方式，安裝結構簡單，可靠性高。交流25kV鐵路剛性懸掛接觸網可以采用懸臂懸掛定位安裝方式，具體需要根據實際線路速度、空間等技術條件進行選擇。

（1）垂直懸掛安裝方式：此安裝方式中懸掛點懸吊于隧道頂部，一般用2根或4根化學錨栓進行錨固，通過螺栓調整接觸線的空間位置，可適用于一定隧道凈空高度，此安裝方式技術條件成熟，懸掛點自身剛度較大，在高速度條件下，易出現硬點等問題，目前在國內地鐵線路中應用廣泛，能夠滿足地鐵線路拉出值要求，常用于中低速普通地鐵線路，例如廣州2號線、南昌4號線、深圳9號線、廣佛地鐵線等。

（2）腕臂懸掛安裝方式：此懸掛裝置安裝方式一般使用強度高、剛度大的瓷絕緣子或復合材料棒式絕緣子以及傾斜式鋼吊柱結構。懸掛點腕臂支撐結構需要具備穩固的結構安裝形式以保證地鐵線路接觸網的安全可靠性，腕臂懸掛裝置支撐結構的平穩性很值得重視，可適用一定凈空高度的隧道。腕臂懸掛裝置具有一定的靈活性和彈性適應性且精度更高，能夠具有柔性接觸網的一部分特征，弓網關系更好。通過腕臂偏離垂直受電弓方向安裝，能夠適應拉出值在合理范圍變化的需要，有利于改善弓網受流質量，滿足城市軌道交通更高速度的需求。

剛性接觸網中腕臂式懸掛裝置在英國Stanton隧道、瑞士Karenzaberg隧道、南非Gautrain隧道，國內中天山、新關角、烏鞘嶺等隧道中均有應用。

2.2 拉出值布置

根據國內外線路運行經驗，架空剛性接觸網匯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。其中之字形布置能夠使車輛受電弓碳滑板磨耗更趨于均勻，且在施工安裝上沒有困難，利于施工單位現場施工。從技術角度分析，沿線路方向選用“之”字形拉出值布置更合理。在考慮拉出值設計時，在結合GB 50157-2013《地鐵設計規范》、TCRSC0101-2016《市域鐵路設計規范》等標準的基礎上，綜合考慮車輛受電弓碳滑板工作可用寬度和橫向擺動量，對拉出值進行仿真計算及優化布置，從而保證拉出值布置的準確度及合理性。

2.3 錨段長度

剛性接觸網錨段長度根據運行環境溫度變化范圍、導體載流溫升、導體的溫度膨脹系數等條件確定，需要結合線路條件和實際現場情況而定。中心錨結裝置布置在單個錨段中間位置，能夠起到防止匯流排沿著軌道方向竄動的作用，中心錨結可以使用“V”型拉索絕緣子進行錨固。

2.4 錨段關節

錨段關節是接觸網相鄰不同錨段的端部接口環節，是接觸網的關鍵構成組件。接觸網錨段關節的結構復雜，其質量和狀態的好壞將直接影響到電動列車的受流質量和接觸網的供電質量。對錨段關節的常用評價標準是當地鐵列車駛過時，列車受電弓可以平穩流暢地從一個錨段滑行到相鄰錨段，同時列車受流質量良好。

普通中低速地鐵線路剛性接觸網中，電客車運行通過時，錨段關節一般采用機械關節形式。列車高速度運行時，發現關節式機械分段處的接觸力波動增大，為提升該處的弓網動態性能，需調整錨段關節自身形式，采用膨脹元器件形式的貫通式錨段關節，將兩個相鄰錨段從機械上連接起來，使得關節平滑過渡時，受電弓在相鄰錨段接觸線接口處能夠平順過渡。

若采用膨脹元器件關節，需要對膨脹元器件進行選型。一般情況下，需要結合剛性接觸網匯流排電氣和機械性能、溫升曲線，對地鐵隧道剛性接觸網匯流排膨脹量進行計算，在考慮到膨脹接頭選型能滿足相應需求條件下，應盡量增加錨段長度，減少錨段關節的數量，以節約成本。單個錨段最大膨脹量用k表示，整條線路最大溫差為？駐t，匯流排自身線性膨脹系數為f，單個錨段長度為m，錨段最大膨脹量k由？駐t、f、m共同決定。

3 剛性接觸網中面臨的問題

考慮到普通地鐵80km/h剛性接觸網技術已經不能很好的適應于160km/h高速地鐵列車，且地鐵客運列車對安全的重視程度，對剛性接觸網技術面臨的問題進行充分的研究分析是很有必要的。

3.1 匯流排和接觸線

地下區段隧道內環境較復雜，最為常見的是污水成分高，易出現隧道頂部漏水、潮濕等現象。剛性接觸網中匯流排作為導電截面的一部分，底部嵌口處能夠夾持接觸線。當污水滴落到接觸網部件上，易引起匯流排與接觸線腐蝕問題，且列車運行時接觸網一定會帶有電流，易引起電化學腐蝕，造成匯流排機械性能降低、夾緊力不足，引起定位線夾脫落，接觸線脫槽等問題。

針對該問題，可采取兩種解決措施。一種是采取物理隔離措施，在匯流排上方加裝匯流排保護罩，做好防水處理，防止隧道頂部漏水、滴水對匯流排和接觸線產生影響[3]。一種是采取化學措施，選擇抗腐蝕性強的匯流排和接觸線，對匯流排夾緊力嚴格要求，接觸線可在純銅導線中添加Mg、Sn、Ag等金屬元素[4]，提高自身的抗腐蝕性，且接觸線表面進行鍍錫處理，降低匯流排和接觸線嵌口處發生電化學腐蝕的可能性。

3.2 絕緣子

綜合考慮不同類型絕緣子的性能特點：

（1）復合絕緣子重量輕，不宜破碎，有較好的憎水性，與瓷絕緣子相比剛性較小，強度較低，易老化，易龜裂，使用壽命一般約為15年。

（2）瓷絕緣子剛度大，強度高，自潔性好，耐老化，使用壽命一般約為30年，與復合絕緣子相比重量大，在安裝、運輸過程中操作不當易破碎。

對于剛性接觸網AC27.5kV的絕緣子，從全壽命周期考慮，采用高強度瓷絕緣子更合適，由于瓷絕緣子容易在施工運輸過程中破碎，可采取措施加強對瓷絕緣子的保護，降低操作不當引起的相關破碎及損壞問題。

3.3 膨脹元器件

膨脹元器件在地鐵AC27.5kV剛性接觸網上應用較好，膨脹元器件由于自身重量特征，易產生不平順，目前未出現過因膨脹接頭造成的運營事故。在地鐵DC1500V剛性接觸網整體效果良好，深圳、北京、廣州3號線北延段地鐵曾經出現因膨脹接頭處不平順，硬點大，電車受流質量不良，造成拉弧等現象。

綜合分析剛性接觸網膨脹元器件處產生不平順、拉弧等現象的具體原因，膨脹元器件安裝在相鄰錨段的端部接口位置，弓網關系比較復雜。當電車經過時匯流排因弓網摩擦作用溫度發生變化，膨脹元件的鋁合金板構件在多次熱脹冷縮后，其重心自跨距中間位置向旁邊偏移。膨脹接頭設備較重，在重心產生偏移后，易受重力作用，導致在離懸掛點位置較遠的端部位置處產生下偏[5]。此部件向下偏移會壓迫夾持在膨脹接頭嵌口處的接觸線向下彎曲，導致此處凸出變形，產生硬點。同時此位置處接觸線在電力機車通過時會受到沖擊力作用，當列車滑過時，受電弓撞擊硬點處，進而引起弓網受流不良、拉弧和打火等現象。

針對該問題，結合現場實際情況進行分析研究，可對膨脹元器件進行優化，降低設備重量，減小弓網接觸寬度，對膨脹元件附近懸掛點進行加固等措施，進而減少硬點，提高弓網受流質量，改善弓網關系，降低因弓網碰撞而產生的打火和拉弧現象。

4 結束語

本文對160km/h高速地鐵列車剛性接觸網平面布置技術進行了分析研究，歸納總結了剛性接觸網面臨的問題，針對高速地鐵列車剛性接觸網存在的腐蝕、硬點、拉弧等問題提出了相應解決措施。鑒于普通地鐵80km/h剛性接觸網技術已經不能很好的適應于高速地鐵列車，針對高速地鐵160km/h剛性接觸網，提出采用精度更高的腕臂式懸掛裝置、具備一定彈性特征的定位線夾、合理的拉出值布置等措施，進而改善車輛受電弓碳滑板和接觸網之間的弓網關系，使磨耗更趨于均勻。在保證列車運行安全可靠前提下，通過采用技術改進后的剛性接觸網方案，地鐵隧道內160km/h剛性接觸網技術可以滿足城市軌道交通提速的需求。

參考文獻：

[1]張云程.城軌剛性接觸網若干關鍵工程技術研究[D].西南交通大學，2016.

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].西南交通大學出版社，2003.

[3]駱志勇.剛性接觸網在運營中出現的問題及解決方案[J].都市快軌交通，2006，19（4）：84-86.

[4]李俊.地鐵剛性接觸網運營存在的問題及解決方案[J].城市建設理論研究：電子版，2012（9）.

[5]李懋.膨脹元件在剛性接觸網系統中的使用及其常見問題分析[J].科技資訊，2015，13（19）：55-56.