市域快線隧道內(nèi)宜采用架空剛性接觸網(wǎng)的選型建議
市域快線介于國(guó)鐵和地鐵之間，具有國(guó)鐵快速、站間距大的特點(diǎn)，也具有地鐵客流量大、公交化運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)。作為軌道交通列車受流的關(guān)鍵設(shè)備，合理的接觸網(wǎng)選型是保證軌道交通安全、可靠運(yùn)行的重要前提之一。
廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司的研究人員馮超，在2021年第2期《電氣技術(shù)》上撰文，假設(shè)最高運(yùn)行時(shí)速160km/h，結(jié)合市域快線的運(yùn)行特征，對(duì)比架空柔性接觸網(wǎng)及架空剛性接觸網(wǎng)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終給出了接觸網(wǎng)選型建議，推薦市域快線隧道內(nèi)采用架空剛性接觸網(wǎng)。
市域快線跨越中心城區(qū)和城郊，介于國(guó)鐵和地鐵之間，總體而言兼顧了高速和高密度的特點(diǎn)，速度快、站間距大、客流量大和運(yùn)行服務(wù)等級(jí)高。
市域快線，其建設(shè)目的是連接新發(fā)展城區(qū)和核心城區(qū)，縮短城區(qū)間的間距，時(shí)空目標(biāo)要求高，速度目標(biāo)達(dá)到160km/h，客流密度大。新發(fā)展城區(qū)一般距離核心城區(qū)較遠(yuǎn)，所以市域快線距離較長(zhǎng)，跨越郊區(qū)，車站數(shù)較少，站間距大。
由于速度等級(jí)高，供電制式選型一般為AC 25kV牽引供電方式。
以廣州市軌道交通18號(hào)線和22號(hào)線為例，兩條線跨越廣州市天河區(qū)、海珠區(qū)、荔灣區(qū)、番禺區(qū)和新發(fā)展南沙區(qū)，時(shí)空目標(biāo)從南沙到廣州東站30min，最高時(shí)速160km/h，平均站間距7.6km，全地下敷設(shè)，牽引供電系統(tǒng)采用AC 25kV。
1 接觸網(wǎng)形式的發(fā)展和現(xiàn)狀調(diào)查
就接觸網(wǎng)形式而言，主要有架空柔性接觸網(wǎng)、架空剛性接觸網(wǎng)和接觸軌3種形式。3種形式皆有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟，目前架空柔性接觸網(wǎng)國(guó)內(nèi)高速客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速已達(dá)到350km/h，國(guó)外最高試驗(yàn)速度已達(dá)到500km/h；架空剛性接觸網(wǎng)目前最高運(yùn)營(yíng)速度250km/h，最高試驗(yàn)速度已超過(guò)300km/h；而接觸軌系統(tǒng)最高運(yùn)營(yíng)速度可達(dá)160km/h。
市域快線最大運(yùn)營(yíng)速度160km/h，由于國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有適用于接觸軌的車輛選型，僅針對(duì)架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)展開(kāi)研究。
從表１統(tǒng)計(jì)可以看出，無(wú)論是架空柔性接觸網(wǎng)還是架空剛性接觸網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用，具有相關(guān)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。
2 架空柔性接觸網(wǎng)方案
2.1 懸掛類型及導(dǎo)線組成
架空柔性接觸網(wǎng)示意圖如圖1所示，線材包括接觸線、承力索、輔助饋線和回流線等。正線采用全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形懸掛方式。載流截面由行車密度、供電方式等因素確定，一般每條正線需架設(shè)4到5根導(dǎo)線。支持結(jié)構(gòu)采用絕緣旋轉(zhuǎn)腕臂。
全線采用簡(jiǎn)單鏈形懸掛，正線采用承力索+接觸線+加強(qiáng)線+回流線組合；正線配線采用承力索+接觸線組合。
2.2 主要技術(shù)數(shù)據(jù)
接觸線高度的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)車受電弓的工作高度范圍、最佳工作狀態(tài)和對(duì)地的絕緣距離等因素綜合確定。接觸線懸掛點(diǎn)高度不宜小于5300mm，最低導(dǎo)高不得小于5150mm。
架空柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為950～1200mm，需根據(jù)隧道凈空而定。
跨距的選擇，需滿足最大允許風(fēng)偏，隧道內(nèi)主要是活塞風(fēng)，最大允許風(fēng)偏不大于450mm，直線段最大跨距55m，曲線段跨距需結(jié)合曲線半徑而定，市域快線由于速度等級(jí)高，線路曲線最小半徑一般大于600m，對(duì)應(yīng)跨距最大可選擇45m。
拉出值的選擇，應(yīng)結(jié)合受電弓碳滑板寬度確定。經(jīng)調(diào)研，AC 25kV受電弓碳滑板寬度一般大于1500mm，考慮到最大允許風(fēng)偏量和車輛橫向振動(dòng)量，最大拉出值可選擇300mm。曲線上拉出值的選取盡量保證導(dǎo)線與受電弓運(yùn)動(dòng)軌跡相割。
架空柔性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度，一般情況下不大于1400m，困難情況下不大于1600m。
3 架空剛性接觸網(wǎng)方案
3.1 懸掛類型及導(dǎo)線組成
匯流排是剛性接觸網(wǎng)的主要部件，主要包括匯流排、匯流排中間接頭、匯流排終端、切槽鑲嵌式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)本體等。目前，國(guó)內(nèi)外采用的架空剛性懸掛匯流排主要采用 型形式。
架空剛性接觸網(wǎng)示意圖如圖2所示。線材主要包括接觸線和回流線等。由于匯流排本體可以承載電流，因此，可以取消柔性懸掛中的承力索和輔助饋線，使接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單緊湊，極大地方便運(yùn)營(yíng)管理和維修。
全線采用架空“ ”型剛性懸掛，1根匯流排+1根接觸線+1根回流線組成；正線配線采用1根匯流排+1根接觸線組合。
3.2 主要技術(shù)數(shù)據(jù)
接觸線高度同架空柔性接觸網(wǎng)，接觸線懸掛點(diǎn)高度不宜小于5300mm，最低導(dǎo)高不得小于5150mm。架空剛性接觸網(wǎng)安裝空間不大于1m。
跨距的選擇，相比較于架空柔性接觸網(wǎng)，剛性接觸網(wǎng)跨距較小，一般為8m。
弓網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，剛性接觸網(wǎng)的偏移忽略不計(jì)，拉出值的選擇僅考慮車輛橫向振動(dòng)和碳滑板寬度，理論上剛性接觸網(wǎng)的拉出值比柔性更大，最大可選擇450mm，實(shí)際工程中考慮到受電弓的平衡性，一般選擇300mm。
錨段關(guān)節(jié)處，關(guān)鍵點(diǎn)在于兩支間距和兩支高差，間距越小、合理穩(wěn)定的高差是追求目標(biāo)，推薦采用膨脹元件，縮短兩支間距，僅有40mm，兩支高差也可以保證。
架空剛性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度，主要取決于膨脹元件的補(bǔ)償量和錨段的伸縮量，采用1m補(bǔ)償量膨脹元件時(shí)，錨段長(zhǎng)度可選取624m。
4 方案比選
4.1 運(yùn)行可靠性
由表2可知，架空柔性接觸網(wǎng)零部件種類和數(shù)量更多，組成復(fù)雜，相比而言架空剛性接觸網(wǎng)零部件種類和數(shù)量較少。
架空柔性接觸網(wǎng)通過(guò)下錨裝置使接觸線和承力索帶張力，架空剛性接觸網(wǎng)不帶張力。
架空剛性接觸網(wǎng)接觸線卡在匯流排內(nèi)，由于匯流排和接觸線無(wú)軸向力，斷排或斷線概率極小，運(yùn)行可靠性較高。架空柔性接觸網(wǎng)，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有可能出現(xiàn)鉆弓、燒融、不均勻磨耗以及受電弓故障造成斷線故障，所以柔性接觸網(wǎng)的可靠性相對(duì)較低。
4.2 弓網(wǎng)質(zhì)量
弓網(wǎng)受流質(zhì)量是衡量接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，架空柔性接觸網(wǎng)跨距長(zhǎng)，接觸線馳度大，與受電弓的機(jī)械匹配性較強(qiáng)，適用于高速運(yùn)行線路；架空剛性接觸網(wǎng)跨距小，接觸線卡在匯流排內(nèi)，受電弓滑過(guò)時(shí)上抬量很小，在列車運(yùn)行達(dá)到一定速度時(shí)受電弓波動(dòng)強(qiáng)度大，遇到硬點(diǎn)易發(fā)生燃弧。
架空柔性接觸網(wǎng)國(guó)外采用鏈形懸掛時(shí)列車的最高試驗(yàn)速度已達(dá)到500km/h，國(guó)內(nèi)高速客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速已達(dá)到350km/h；架空剛性接觸網(wǎng)國(guó)外最高運(yùn)行速度為250km/h，國(guó)內(nèi)中天山、關(guān)角等隧道采用架空剛性懸掛設(shè)計(jì)最高時(shí)速160km/h，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高運(yùn)行速度為140km/h，目前受流質(zhì)量良好。
對(duì)兩種形式的接觸網(wǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最高運(yùn)行時(shí)速160km/h，架空柔性接觸網(wǎng)按承力索截面積95mm2、張力12000N，接觸線截面積120mm2、張力12000N，得到以下結(jié)果，如圖3和表3所示。
架空剛性接觸網(wǎng)，按照截面積2 213mm2匯流排+接觸線截面積120mm2的組合，得到結(jié)果如圖4和表4所示。
從表3和表4可以看出，柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)均能滿足受流質(zhì)量的要求，架空剛性接觸網(wǎng)在錨段關(guān)節(jié)處有較大波動(dòng)，架空柔性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差更大。
以上的仿真分析均假設(shè)受電弓碳滑板是完好無(wú)損的，但在實(shí)際過(guò)程中由于彈性因素的影響，架空剛性接觸網(wǎng)更容易導(dǎo)致受電弓碳滑板的磨耗，造成受電弓磨耗不均勻，從而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。而架空柔性接觸網(wǎng)下受電弓的磨耗更加均勻，有利于保證弓網(wǎng)受流質(zhì)量。
4.3 對(duì)土建的影響
架空柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為1 200mm，困難時(shí)不小于950mm，再加上絕緣距離至少300mm，安裝凈空要求不低于1250mm；架空剛性接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)高度最小為650mm。兩種安裝形式均能滿足隧道凈空的條件，架空剛性接觸網(wǎng)更節(jié)省凈空。
架空柔性接觸網(wǎng)特點(diǎn)是下錨補(bǔ)償裝置，為不降低受力性能，土建需要局部擴(kuò)挖，對(duì)土建影響較大。
隧道內(nèi)架空柔性接觸網(wǎng)示意圖如圖5所示。隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)示意圖如圖6所示。
4.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)
架空柔性接觸網(wǎng)零部件較多，承力索和接觸線之間用吊弦固定，接觸線直接與受電弓接觸振動(dòng)較多，承力索相對(duì)固定，吊弦位于兩者之間容易散股斷裂。再者，由于導(dǎo)線帶張力，允許磨耗量小，需要重點(diǎn)檢查，故架空柔性接觸網(wǎng)維護(hù)量大，維護(hù)費(fèi)用高。
架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接觸線不帶張力，且錨段長(zhǎng)度短，事故影響范圍小，且剛性接觸網(wǎng)本身抗事故能力強(qiáng)，剛度大，穩(wěn)定性好，接觸線的允許磨耗量大，接觸懸掛幾乎不會(huì)偏移，運(yùn)營(yíng)巡檢頻次大大降低，所以架空剛性接觸網(wǎng)維護(hù)量小，維護(hù)費(fèi)用低。
5 結(jié)論
架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)均能滿足市域快線的功能需求，架空柔性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于受電弓磨耗更優(yōu)，架空剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于可靠性和免維護(hù)性高。
與架空柔性接觸網(wǎng)相比，架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流質(zhì)量略差，但也滿足要求，通過(guò)提高幾何參數(shù)精度也可以保證較高的受流質(zhì)量，從全生命周期的角度考慮，可靠性和免維護(hù)性是更重要的考慮因素，尤其是公交化運(yùn)營(yíng)特性的市域快線，推薦市域快線隧道采用架空剛性接觸網(wǎng)。
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