市域快線跨越中心城區(qū)和城郊，介于國鐵和地鐵之間，總體而言兼顧了高速和高密度的特點，速度快、站間距大、客流量大和運行服務(wù)等級高。

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，時空目標(biāo)要求高，速度目標(biāo)達到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，所以市域快線距離較長，跨越郊區(qū)，車站數(shù)較少，站間距大。

由于速度等級高，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號線和22號線為例，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)，時空目標(biāo)從南沙到廣州東站30min，最高時速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)國內(nèi)高速客運專線設(shè)計時速已達到350km/h，國外最高試驗速度已達到500km/h；架空剛性接觸網(wǎng)目前最高運營速度250km/h，最高試驗速度已超過300km/h；而接觸軌系統(tǒng)最高運營速度可達160km/h。

市域快線最大運營速度160km/h，由于國內(nèi)目前還沒有適用于接觸軌的車輛選型，僅針對架空柔性接觸網(wǎng)和架空剛性接觸網(wǎng)展開研究。

表1 接觸網(wǎng)形式調(diào)查表

從表１統(tǒng)計可以看出，無論是架空柔性接觸網(wǎng)還是架空剛性接觸網(wǎng)在國內(nèi)外均有應(yīng)用，具有相關(guān)建設(shè)及運營經(jīng)驗。

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。正線采用全補償簡單鏈形懸掛方式。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。

圖1 架空柔性接觸網(wǎng)示意圖

全線采用簡單鏈形懸掛，正線采用承力索+接觸線+加強線+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)機車受電弓的工作高度范圍、最佳工作狀態(tài)和對地的絕緣距離等因素綜合確定。接觸線懸掛點高度不宜小于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高，線路曲線最小半徑一般大于600m，對應(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)線與受電弓運動軌跡相割。

架空柔性接觸網(wǎng)錨段長度，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^渡結(jié)構(gòu)本體等。目前，國內(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)變得簡單緊湊，極大地方便運營管理和維修。

圖2 架空剛性接觸網(wǎng)示意圖

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)運行過程中，剛性接觸網(wǎng)的偏移忽略不計，拉出值的選擇僅考慮車輛橫向振動和碳滑板寬度，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)錨段長度，主要取決于膨脹元件的補償量和錨段的伸縮量，采用1m補償量膨脹元件時，錨段長度可選取624m。

4 方案比選

4.1 運行可靠性

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。

表2 剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)對比表

架空柔性接觸網(wǎng)通過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軸向力，斷排或斷線概率極小，運行可靠性較高。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，接觸線馳度大，與受電弓的機械匹配性較強，適用于高速運行線路；架空剛性接觸網(wǎng)跨距小，接觸線卡在匯流排內(nèi)，受電弓滑過時上抬量很小，在列車運行達到一定速度時受電弓波動強度大，遇到硬點易發(fā)生燃弧。

架空柔性接觸網(wǎng)國外采用鏈形懸掛時列車的最高試驗速度已達到500km/h，國內(nèi)高速客運專線設(shè)計時速已達到350km/h；架空剛性接觸網(wǎng)國外最高運行速度為250km/h，國內(nèi)中天山、關(guān)角等隧道采用架空剛性懸掛設(shè)計最高時速160km/h，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高運行速度為140km/h，目前受流質(zhì)量良好。

對兩種形式的接觸網(wǎng)進行仿真實驗，最高運行時速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。

圖3 架空柔性接觸網(wǎng)仿真結(jié)果

表3 方案的接觸力統(tǒng)計值

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，架空柔性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差更大。

圖4 架空剛性接觸網(wǎng)仿真結(jié)果

表4 方案的接觸力統(tǒng)計值

以上的仿真分析均假設(shè)受電弓碳滑板是完好無損的，但在實際過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)特點是下錨補償裝置，為不降低受力性能，土建需要局部擴挖，對土建影響較大。

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 運營維護

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較多，承力索相對固定，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，需要重點檢查，故架空柔性接觸網(wǎng)維護量大，維護費用高。

架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，接觸線不帶張力，且錨段長度短，事故影響范圍小，且剛性接觸網(wǎng)本身抗事故能力強，剛度大，穩(wěn)定性好，接觸線的允許磨耗量大，接觸懸掛幾乎不會偏移，運營巡檢頻次大大降低，所以架空剛性接觸網(wǎng)維護量小，維護費用低。

圖5 隧道內(nèi)架空柔性接觸網(wǎng)示意圖

圖6 隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)示意圖

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)勢在于受電弓磨耗更優(yōu)，架空剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢在于可靠性和免維護性高。

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，可靠性和免維護性是更重要的考慮因素，尤其是公交化運營特性的市域快線，推薦市域快線隧道采用架空剛性接觸網(wǎng)。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“市域快線隧道內(nèi)接觸網(wǎng)選型研究”，作者為馮超。