市域快线介于国铁和地铁之间,具有国铁快速、站间距大的特点,也具有地铁客流量大、公交化运营的特点。作为轨道交通列车受流的关键设备,合理的接触网选型是保证轨道交通安全、可靠运行的重要前提之一。
广州地铁设计研究院股份有限公司的研究人员冯超,在2021年第2期《电气技术》上撰文,假设最高运行时速160km/h,结合市域快线的运行特征,对比架空柔性接触网及架空刚性接触网两种方案的优缺点,最终给出了接触网选型建议,推荐市域快线隧道内采用架空刚性接触网。
市域快线跨越中心城区和城郊,介于国铁和地铁之间,总体而言兼顾了高速和高密度的特点,速度快、站间距大、客流量大和运行服务等级高。
市域快线,其建设目的是连接新发展城区和核心城区,缩短城区间的间距,时空目标要求高,速度目标达到160km/h,客流密度大。新发展城区一般距离核心城区较远,所以市域快线距离较长,跨越郊区,车站数较少,站间距大。
由于速度等级高,供电制式选型一般为AC 25kV牵引供电方式。
以广州市轨道交通18号线和22号线为例,两条线跨越广州市天河区、海珠区、荔湾区、番禺区和新发展南沙区,时空目标从南沙到广州东站30min,最高时速160km/h,平均站间距7.6km,全地下敷设,牵引供电系统采用AC 25kV。
1 接触网形式的发展和现状调查
就接触网形式而言,主要有架空柔性接触网、架空刚性接触网和接触轨3种形式。3种形式皆有广泛的应用,技术成熟,目前架空柔性接触网国内高速客运专线设计时速已达到350km/h,国外最高试验速度已达到500km/h;架空刚性接触网目前最高运营速度250km/h,最高试验速度已超过300km/h;而接触轨系统最高运营速度可达160km/h。
市域快线最大运营速度160km/h,由于国内目前还没有适用于接触轨的车辆选型,仅针对架空柔性接触网和架空刚性接触网展开研究。
表1 接触网形式调查表
从表1统计可以看出,无论是架空柔性接触网还是架空刚性接触网在国内外均有应用,具有相关建设及运营经验。
2 架空柔性接触网方案
2.1 悬挂类型及导线组成
架空柔性接触网示意图如图1所示,线材包括接触线、承力索、辅助馈线和回流线等。正线采用全补偿简单链形悬挂方式。载流截面由行车密度、供电方式等因素确定,一般每条正线需架设4到5根导线。支持结构采用绝缘旋转腕臂。
图1 架空柔性接触网示意图
全线采用简单链形悬挂,正线采用承力索+接触线+加强线+回流线组合;正线配线采用承力索+接触线组合。
2.2 主要技术数据
接触线高度的选择应根据机车受电弓的工作高度范围、最佳工作状态和对地的绝缘距离等因素综合确定。接触线悬挂点高度不宜小于5300mm,最低导高不得小于5150mm。
架空柔性接触网结构高度一般为950~1200mm,需根据隧道净空而定。
跨距的选择,需满足最大允许风偏,隧道内主要是活塞风,最大允许风偏不大于450mm,直线段最大跨距55m,曲线段跨距需结合曲线半径而定,市域快线由于速度等级高,线路曲线最小半径一般大于600m,对应跨距最大可选择45m。
拉出值的选择,应结合受电弓碳滑板宽度确定。经调研,AC 25kV受电弓碳滑板宽度一般大于1500mm,考虑到最大允许风偏量和车辆横向振动量,最大拉出值可选择300mm。曲线上拉出值的选取尽量保证导线与受电弓运动轨迹相割。
架空柔性接触网锚段长度,一般情况下不大于1400m,困难情况下不大于1600m。
3 架空刚性接触网方案
3.1 悬挂类型及导线组成
汇流排是刚性接触网的主要部件,主要包括汇流排、汇流排中间接头、汇流排终端、切槽镶嵌式刚柔过渡结构本体等。目前,国内外采用的架空刚性悬挂汇流排主要采用 型形式。
架空刚性接触网示意图如图2所示。线材主要包括接触线和回流线等。由于汇流排本体可以承载电流,因此,可以取消柔性悬挂中的承力索和辅助馈线,使接触网的结构变得简单紧凑,极大地方便运营管理和维修。
图2 架空刚性接触网示意图
全线采用架空“ ”型刚性悬挂,1根汇流排+1根接触线+1根回流线组成;正线配线采用1根汇流排+1根接触线组合。
3.2 主要技术数据
接触线高度同架空柔性接触网,接触线悬挂点高度不宜小于5300mm,最低导高不得小于5150mm。架空刚性接触网安装空间不大于1m。
跨距的选择,相比较于架空柔性接触网,刚性接触网跨距较小,一般为8m。
弓网运行过程中,刚性接触网的偏移忽略不计,拉出值的选择仅考虑车辆横向振动和碳滑板宽度,理论上刚性接触网的拉出值比柔性更大,最大可选择450mm,实际工程中考虑到受电弓的平衡性,一般选择300mm。
锚段关节处,关键点在于两支间距和两支高差,间距越小、合理稳定的高差是追求目标,推荐采用膨胀元件,缩短两支间距,仅有40mm,两支高差也可以保证。
架空刚性接触网锚段长度,主要取决于膨胀元件的补偿量和锚段的伸缩量,采用1m补偿量膨胀元件时,锚段长度可选取624m。
4 方案比选
4.1 运行可靠性
由表2可知,架空柔性接触网零部件种类和数量更多,组成复杂,相比而言架空刚性接触网零部件种类和数量较少。
表2 刚性接触网和柔性接触网对比表
架空柔性接触网通过下锚装置使接触线和承力索带张力,架空刚性接触网不带张力。
架空刚性接触网接触线卡在汇流排内,由于汇流排和接触线无轴向力,断排或断线概率极小,运行可靠性较高。架空柔性接触网,由于结构比较复杂,有可能出现钻弓、烧融、不均匀磨耗以及受电弓故障造成断线故障,所以柔性接触网的可靠性相对较低。
4.2 弓网质量
弓网受流质量是衡量接触网受电弓系统性能的重要指标之一,架空柔性接触网跨距长,接触线驰度大,与受电弓的机械匹配性较强,适用于高速运行线路;架空刚性接触网跨距小,接触线卡在汇流排内,受电弓滑过时上抬量很小,在列车运行达到一定速度时受电弓波动强度大,遇到硬点易发生燃弧。
架空柔性接触网国外采用链形悬挂时列车的最高试验速度已达到500km/h,国内高速客运专线设计时速已达到350km/h;架空刚性接触网国外最高运行速度为250km/h,国内中天山、关角等隧道采用架空刚性悬挂设计最高时速160km/h,已经能够实现最高运行速度为140km/h,目前受流质量良好。
对两种形式的接触网进行仿真实验,最高运行时速160km/h,架空柔性接触网按承力索截面积95mm2、张力12000N,接触线截面积120mm2、张力12000N,得到以下结果,如图3和表3所示。
图3 架空柔性接触网仿真结果
表3 方案的接触力统计值
架空刚性接触网,按照截面积2 213mm2汇流排+接触线截面积120mm2的组合,得到结果如图4和表4所示。
从表3和表4可以看出,柔性接触网和刚性接触网均能满足受流质量的要求,架空刚性接触网在锚段关节处有较大波动,架空柔性接触网标准差更大。
图4 架空刚性接触网仿真结果
表4 方案的接触力统计值
以上的仿真分析均假设受电弓碳滑板是完好无损的,但在实际过程中由于弹性因素的影响,架空刚性接触网更容易导致受电弓碳滑板的磨耗,造成受电弓磨耗不均匀,从而影响弓网受流质量。而架空柔性接触网下受电弓的磨耗更加均匀,有利于保证弓网受流质量。
4.3 对土建的影响
架空柔性接触网结构高度一般为1 200mm,困难时不小于950mm,再加上绝缘距离至少300mm,安装净空要求不低于1250mm;架空刚性接触网安装结构高度最小为650mm。两种安装形式均能满足隧道净空的条件,架空刚性接触网更节省净空。
架空柔性接触网特点是下锚补偿装置,为不降低受力性能,土建需要局部扩挖,对土建影响较大。
隧道内架空柔性接触网示意图如图5所示。隧道内架空刚性接触网示意图如图6所示。
4.4 运营维护
架空柔性接触网零部件较多,承力索和接触线之间用吊弦固定,接触线直接与受电弓接触振动较多,承力索相对固定,吊弦位于两者之间容易散股断裂。再者,由于导线带张力,允许磨耗量小,需要重点检查,故架空柔性接触网维护量大,维护费用高。
架空刚性接触网结构简单,接触线不带张力,且锚段长度短,事故影响范围小,且刚性接触网本身抗事故能力强,刚度大,稳定性好,接触线的允许磨耗量大,接触悬挂几乎不会偏移,运营巡检频次大大降低,所以架空刚性接触网维护量小,维护费用低。
图5 隧道内架空柔性接触网示意图
图6 隧道内架空刚性接触网示意图
5 结论
架空柔性接触网和架空刚性接触网均能满足市域快线的功能需求,架空柔性接触网的优势在于受电弓磨耗更优,架空刚性接触网的优势在于可靠性和免维护性高。
与架空柔性接触网相比,架空刚性接触网弓网受流质量略差,但也满足要求,通过提高几何参数精度也可以保证较高的受流质量,从全生命周期的角度考虑,可靠性和免维护性是更重要的考虑因素,尤其是公交化运营特性的市域快线,推荐市域快线隧道采用架空刚性接触网。
本文编自2021年第2期《电气技术》,论文标题为“市域快线隧道内接触网选型研究”,作者为冯超。