城市軌道交通架空接觸網(wǎng)受電弓優(yōu)化建議

陳顯志，楊波

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門361000）

1 引言

近年來，我國(guó)城市軌道交通正處于快速發(fā)展的階段。目前，我國(guó)的城市軌道交通主要還是以直流1 500V架空接觸網(wǎng)為主。眾所周知，架空接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)關(guān)系是城市軌道交通電氣化的關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其是隨著列車速度的提高，弓網(wǎng)關(guān)系的重要性將更加明顯。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院、研究單位、建設(shè)方及運(yùn)營(yíng)方等都將弓網(wǎng)關(guān)系作為重要的課題進(jìn)行研究及專題探討，提出了諸多改善架空接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化方案及建議，部分方案及建議已通過實(shí)踐檢驗(yàn)并得到了大家的一致認(rèn)可，如合理選擇跨距，優(yōu)化接觸網(wǎng)平面設(shè)計(jì)，道岔區(qū)的弓網(wǎng)關(guān)系配合，減小剛性懸掛點(diǎn)處的硬點(diǎn)措施，提高施工精度及加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)檢查等。這些優(yōu)化措施或建議都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，都是從“網(wǎng)”的角度著手，對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

因此，本文將針對(duì)目前部分城軌交通速度目標(biāo)值120km/h的特點(diǎn)，并結(jié)合部分城市的實(shí)際應(yīng)用情況，主要從“弓”的角度入手，對(duì)受電弓提出了優(yōu)化建議。

2 選取適應(yīng)高速運(yùn)行的受電弓

2.1 受電弓性能比較

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛采用的受電弓主要有氣囊弓、氣缸弓和電動(dòng)弓，各種受電弓的性能比較詳見表1。

從表1分析可知，氣囊式受電弓具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防震性能好、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，與彈簧弓（含氣缸弓和電動(dòng)弓）相比，在列車高速運(yùn)行的條件下，氣囊弓具有更好的弓網(wǎng)跟隨性及集電穩(wěn)定性，是當(dāng)前軌道交通車輛受電弓的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 受電弓數(shù)量比較

彈簧式受電弓額定工作電流1 500A，最大工作電流2 300A（5min）。氣囊式受電弓額定工作電流1 600A，最大工作電流2 600A（5min）。

東莞R2線采用B型車6輛編組，根據(jù)初步估算，1列6輛編組列車最大工作電流約4 500A，最大電流出現(xiàn)在速度為90km/h以上的區(qū)間。

表1 受電弓性能比較表

當(dāng)采用6輛編組列車4弓運(yùn)行時(shí)，單弓最大平均電流為1 125A，小于彈簧弓單弓額定工作電流（1 500A）和氣囊弓單弓額定工作電流（1 600A），2種受電弓取流能力均滿足要求。

當(dāng)采用6輛編組列車2弓運(yùn)行時(shí)，單弓最大平均電流約2 250A，非常接近彈簧弓單弓最大工作電流（2 300A），而采用氣囊弓時(shí)，其最大工作電流為2 600A（5min），取流能力和取流時(shí)間均具有較大的余量。

此外，從技術(shù)上而言，1列6輛編組列車安裝3個(gè)或以上受電弓是可行的，但也存在增加列車制造成本和運(yùn)營(yíng)能耗、減小了客室面積等缺點(diǎn)，尤其是1列車配置3臺(tái)受電弓時(shí)，則1列車有4種車型，電路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，不利于使用維護(hù)。

據(jù)調(diào)研，廣州地鐵三號(hào)線北延段在將彈簧弓更換為氣囊弓，并增加剛性接觸網(wǎng)彈性后，6輛編組列車配置2臺(tái)受電弓運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)關(guān)系基本良好，滿足運(yùn)營(yíng)要求。

2.3 受電弓碳滑板數(shù)量

從單弓配置的碳滑板數(shù)量來看：廣州地鐵三號(hào)線舊車每組受電弓配置2條碳滑板；國(guó)內(nèi)最高運(yùn)行速度80km/h的城市軌道交通線路，采用6輛編組列車2弓運(yùn)行時(shí)，每組受電弓配置2條碳滑板；國(guó)內(nèi)高鐵鐵路采用的高速受電弓，每組受電弓也是配置2條碳滑板，京滬高鐵設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度380km/h，最高試驗(yàn)速度達(dá)486km/h，采用了單碳滑板以減輕弓頭質(zhì)量，并采取了其他優(yōu)化措施降低受電弓的弓頭歸算質(zhì)量。

每組受電弓配置4條碳滑板時(shí)，雖然受電弓與接觸線的接觸面積增大了1倍，但同時(shí)每條碳滑板與接觸線的接觸壓力也降低了一半，并未有效增加列車的單弓取流能力，反而因?yàn)樵黾犹蓟鍞?shù)量導(dǎo)致受電弓弓頭歸算質(zhì)量增大，綜合來看，反而降低了受電弓的追隨性。可見，簡(jiǎn)單地增加碳滑板數(shù)量并不能有效增加受電弓的取流能力。從廣州地鐵的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐來看，配置4條碳滑板的受電弓，其弓網(wǎng)關(guān)系并不比配置2條碳滑板的受電弓好，反而導(dǎo)致了燃弧率的上升。

綜上所述，在滿足單弓取流能力下，建議車輛受電弓采用氣囊式受電弓，每列車配置2臺(tái)受電弓，每臺(tái)受電弓配置2條碳滑板。

3 建議增加列車受電弓間的電氣連接

在列車的前、后2臺(tái)受電弓通過直流高壓母線連通時(shí)，當(dāng)其中1臺(tái)受電弓出現(xiàn)離線時(shí)，由于直流高壓母線的等電位連接，離線受電弓與接觸網(wǎng)間并不會(huì)出現(xiàn)很大的電位差，而且離線受電弓的取流也可由另1臺(tái)未離線的受電弓分擔(dān)，因此，當(dāng)前后受電弓通過直流高壓母線連通時(shí)，可以降低其中1臺(tái)受電弓離線時(shí)的燃弧率和燃弧強(qiáng)度。只有當(dāng)通過直流高壓母線連接的受電弓同時(shí)產(chǎn)生離線，才可能出現(xiàn)較強(qiáng)的燃弧現(xiàn)象【1】。

據(jù)調(diào)研，廣州地鐵三號(hào)線采用舊車6輛編組列車4弓運(yùn)行時(shí)，前、后3輛列車的2臺(tái)受電弓分別通過直流高壓母線連通，運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)關(guān)系良好，此結(jié)果也驗(yàn)證了上述分析。

因此，建議在車輛招標(biāo)時(shí)，考慮將每列車前后2臺(tái)受電弓通過直流高壓母線連通。

注：深圳地鐵3號(hào)線采用DC1500V接觸軌授流方式，6輛編組列車單側(cè)配置10套集電靴，兩側(cè)共配置20套集電靴，正常運(yùn)行時(shí)均通過直流高壓母線連通，在車速≤5km/h時(shí)各集電靴間的斷路器自動(dòng)斷開。這也說明了將車輛前后受電弓進(jìn)行電氣連接是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 考慮氣流對(duì)受電弓的影響

在列車運(yùn)行中，氣流會(huì)對(duì)受電弓產(chǎn)生一個(gè)隨速度增加而增加的氣動(dòng)力。

列車在隧道外運(yùn)行時(shí)，由于空間開闊，受電弓與氣流相對(duì)速度即為列車運(yùn)行速度，受電弓受氣流影響較小。

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，受隧道斷面限制，列車行進(jìn)時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行擠壓，將形成逆向氣流，對(duì)受電弓的穩(wěn)定性的影響增大。根據(jù)貝努利氣流方程式：

式中，A1為列車截面積，m2；V1為列車速度，km/h；A2為扣除列車截面積后的隧道截面積，m2；V2為氣流速度，km/h。

廣州地鐵三號(hào)線和東莞地鐵R2線列車均為B型車，列車截面積約為9.87m2。

廣州地鐵三號(hào)線盾構(gòu)隧道直徑5.4m，其扣除道床后的截面積約為21.65m2。

東莞地鐵R2線在列車運(yùn)行速度≥100km/h區(qū)段采用直徑6m的盾構(gòu)隧道，其扣除道床后的截面積約為26.97m2。

取列車最高運(yùn)行速度為120km/h。

據(jù)上貝努利氣流公式，則廣州地鐵三號(hào)線隧道內(nèi)最大逆向氣流速度為：

東莞地鐵R2線隧道內(nèi)最大逆向氣流速度為：

要求能夠滿足的速度能力為：

廣州地鐵三號(hào)線受電弓最小速度能力為220.5km/h；東莞地鐵R2線受電弓最小速度能力為189.3km/h。

即廣州地鐵三號(hào)線應(yīng)采用滿足隧道外運(yùn)行速度220km/h以上要求的受電弓，東莞地鐵R2線線應(yīng)采用滿足隧道外運(yùn)行速度190km/h以上要求的受電弓。

因此，在列車高速運(yùn)行區(qū)段采用直徑6m的大盾構(gòu)隧道有利于改善弓網(wǎng)關(guān)系，建議在車輛招標(biāo)時(shí)，要求車輛供貨商在進(jìn)行受電弓的高速運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮隧道內(nèi)逆向氣流的影響【2】。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，列車最高速度目標(biāo)值的逐步提高，合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷地研究更有利于改善弓網(wǎng)關(guān)系的措施，將始終是重中之重。本文從受電弓的角度出發(fā)，通過對(duì)受電弓的選型，增加列車受電弓間的電氣連接，考慮氣流對(duì)受電弓的影響等方面進(jìn)行分析比較，并結(jié)合實(shí)際線路的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，提出了一些優(yōu)化建議，相信對(duì)改善弓網(wǎng)關(guān)系有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。