160 km_h市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究.pdf

28MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备王 平（广州地铁建设管理有限公司，广东广州 510330）第一作者：王平,男,高级工程师引用格式：王平.160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究J.现代城市轨道交通,2024(04):28-34.WANG Ping.Study on the design scheme of rigid overhead contact systems for 160 km/h urban express linesJ.Modern Urban Transit,2024(04):28-34.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.04.0051 引言随着城市轨道交通（以下简称“城轨”）的快速发展，其线网规划逐渐由城市中心区域向外扩散至远郊区域，乘客对城轨旅行速度的要求不断提高。于是，市域快线应运而生，其为服务于城市与郊区、中心城区与卫星城，以及重点城镇之间，具有通勤客运服务功能的中、长距离城轨客运系统，具有线路长、站间距大、运摘 要：架空刚性接触网作为传输列车牵引电能的载体及受电弓滑动取电的机械滑道，是市域快线供电系统的重要组成部分。为保证其能够持续、稳定、可靠地向列车传输电能，文章以国内第一条采用架空刚性接触网授流、速度高达 160 km/h的全地下市域快线广州地铁 18 号线为例，在分析其架空刚性接触网设计要求的基础上，采用理论计算、有限元仿真等技术手段对架空刚性接触网设计方案进行全方位研究，确定悬挂方式、导高、标准跨距、锚段长度、拉出值布置方案，以及分段绝缘器、膨胀元件及弹性线夹等关键设备的选型要求，并通过仿真及工程实例验证设计方案的有效性，以期为类似工程提供参考和借鉴。关键词：市域快线；160 km/h；架空刚性接触网；设计方案 中图分类号：U231行速度快等特点1。架空刚性接触网（以下简称“刚性接触网”）是城 轨供电系统的重要组成部分，具有稳定性强、可靠性高、维护成本低等优点。目前，刚性接触网在瑞士Ceneri 隧道和 Sittenberg 隧道、英国 Stanton 隧道、南非 Gautrain 隧道等国外项目中均有运用，且最高运行速度达 250 km/h2；国内的中天山隧道、新关角隧道、乌鞘岭隧道及北京地铁大兴机场线等项目也采用刚性接触网，设计速度均为 160 km/h。将高性能刚性接触网引入市域快线，可提高列车取流的稳定性与可靠性，从而保证列车的运行速度。广州地铁 18 号线是国内第一条最高运行速度为 160 km/h 的全地下市域快线，全线采用刚性接触网授流。本文从悬挂方案、导高、标准跨距、锚段长度、拉出值布置等方面对广州地铁 18 号线工程刚性接触网系统设计进行深入研究，并采用仿真手段对系统设计方案进行验证，以期为类似工程提供参考和借鉴。2 设计要求160 km/h 市域快线的刚性接触网系统设计需满足以下要求。（1）满足供电区段远期运营高峰小时最大持续载流量的要求。（2）具备安全、可靠、稳定的性能，能够持续地向列车提供电能。160 km/h 市域快线架空刚性接触网 系统设计方案研究29 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究（3）接触网悬挂装置应结构简单，以便于施工及维护，并尽量降低对隧道净空的要求。（4）具有良好的弓网关系，以满足列车最高运行速度 160 km/h 的要求；弓网系统的接触网与受电弓 2 个子系统之间应实现良好的动态相互作用，动态相互作用指标应满足 TB/T 3271-2011轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则3及交办运 2019 17 号城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第 1 部分：地铁和轻轨（以下简称“17 号文”）4的规定。3 设计方案3.1 悬挂方式刚性接触网悬挂方式影响接触网安装净空、锚段长度及最大拉出值。相较于常用的垂直悬挂安装方式，旋转腕臂式安装方式所需最小安装净空仅为 960 mm，并且能够有效防止汇流排因热胀冷缩产生的卡滞问题，进而允许加大锚段长度，即减少全线锚段关节数量及潜在硬点，更有利于受电弓高速运行。此外，接触网吊柱采用预埋套筒+外挂滑槽的紧固方式，可提高施工效率，延长盾构管片使用寿命，并减少对环境的不良影响。因此，广州地铁 18 号线刚性接触网采用旋转腕臂式安装方式及预埋套筒+外挂滑槽的接触网吊柱紧固方式，如图 1 所示。号线工程盾构隧道直径为 7.4 m，选用市域 D 型列车，采用 AC25kV 供电制式，受电弓型号为 TSG31 型5。采用弓网动态仿真计算方法，以受电弓不同工作高度为变量，以弓网接触力（以下简称“接触力”）特征值为评价指标，研究弓网授流性能在受电弓工作高度从4.3 m 增加到 5.3 m 过程中的变化，从而确定刚性接触网的导高值。接触力特征值的仿真计算结果如表 1 所示。由表可知，弓网授流性能随受电弓工作高度的抬升不断改善。因此，根据表 1 数据，并结合悬挂装置所需安装空间，将刚性接触网导高取为 5 300 mm。表 1 受电弓不同工作高度下接触力特征值计算结果N受电弓工作高度/m接触力平均值Fm接触力标准偏差接触力最小值Fmin接触力最大值FmaxFm-34.380.58113.12762.536101.50341.24.580.19612.04663.72099.11944.14.780.64411.28165.17698.51446.84.980.64510.61566.19097.56748.85.180.34510.07866.56496.59550.15.380.6799.92967.17196.58750.9刚性接触网相邻定位点导高变化影响接触网的平顺性，进而影响受电弓的高速取流。为保证滑动面的平滑度，结合弓网仿真模拟结果及既有工程的运营经验，确定普通定位点导高误差不应大于 2 mm，相邻两定位点的导高差不应大于 3 mm。3.3 标准跨距刚性接触网标准跨距应综合考虑列车运行速度、汇流排选型、受电弓动态性能及悬挂方式等因素，并经弓网动态仿真计算后确定6。广州地铁 18 号线工程盾构管片环宽 1.6 m，接触网悬挂采用外挂滑槽的安装方式，则接触网标准跨距应取为环宽的整数倍。结合既有工程经验，并考虑工程经济性，将接触网标准跨距取为 8 m，此时采用弓网动态仿真方法计算出的接触力特征值如表 2 所示。由表可知，8 m 刚性接触网标准跨距下，列车运行速度为 160 km/h时，接触力各项特征值均满足标准要求。3.4 锚段长度锚段长度的选取应根据环境温度变化范围、汇流排线性膨胀系数、锚段关节形式及悬挂方式等因素综合确定。图 1 广州地铁 18 号线刚性接触网悬挂方式示意至轨面连线 5 300 mm拉出值受电弓中心线线路中心线7513.2 导高刚性接触网导高应根据隧道净空、空气绝缘间隙、车型、受电弓工作范围等因素综合确定。广州地铁 1830MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究广州地铁 18 号线工程通过在低速区段采用锚段关节、在高速区段（120 km/h）区段采用膨胀元件的方式，实现刚性接触网的机械分段。在膨胀元件分段区段，汇流排线性膨胀系数取0.024/；考虑隧道内最大温差及工作温升，汇流排温升取 60 ；膨胀元件补偿范围为 1 000 mm。经计算，膨胀元件补偿范围取 10%裕量时，将锚段长度取 624 m，则锚段的膨胀量为 899 mm，符合相关技术要求。在锚段关节分段区段，关节悬挂点在汇流排热胀冷缩时会以腕臂底座转轴为中心旋转，进而导致该点拉出值偏移。为保证在最大温差时关节处拉出值偏移量不超过 50 mm，综合考虑腕臂长度（1 380 mm），将锚段长度取为 502 m。3.5 拉出值布置拉出值布置涉及最大拉出值及拉出值波形选择两方面，应结合受电弓滑板工作范围、受电弓横向摆动量及汇流排安装空间等因素综合确定。在最大拉出值方面，广州地铁 18 号线工程的受电弓滑板工作范围为 1 460 mm，最大拉出值不能超过受电弓滑板工作范围的一半，结合限界图及相关工程案例，确定最大拉出值取 300 mm。在拉出值波形选择方面，刚性接触网膨胀元件及锚段关节分段区段的拉出值波形均采用类“之”字型布置方案，原因在于该方案在半个锚段内的汇流排斜率恒定，受电弓滑板磨耗均匀，但具体布置形式存在差异如下。（1）在膨胀元件分段区段，膨胀元件是弓网磨耗的薄弱点，为避免该点磨耗作用于受电弓滑板同一位置引起滑板局部磨损，在 8 个子锚段组成的 1 个拉出值布置周期内，应将膨胀元件在拉出值极值范围内均匀分布，如图 2 所示。（2）在锚段关节分段区段，1 个拉出值布置周期由 2 个子锚段组成，汇流排在 1 个周期内等斜率布置，汇流排在每个子锚段将 3 次经历拉出值极值，如图 3 所示。表 2 不同速度等级下 8m 标准跨距接触力特征值计算结果N列车运行速度 v/kmh-1FmFminFmax0.3Fm-6072.144.0160.5789.2217.638074.866.9843.96102.4915.4810078.346.6634.69118.7516.8412082.664.3355.89116.2420.4714087.609.5725.69133.2716.7116093.457.2842.86134.5220.75180100.048.7769.09133.9221.24200107.4218.4647.62167.6413.76220115.1346.260.00276.52-11.72图 2 膨胀元件分段区段拉出值波形布置图 3 锚段关节分段区段拉出值波形布置子锚段-1子锚段-2子锚段-3子锚段-4子锚段-5子锚段-6子锚段-7子锚段-8里程接触网走向膨胀元件300250200150100500-50-100-150-200-250-300拉出值/mm300250200150100500-50-100-150-200-250-300子锚段-1接触网走向子锚段-2-240-1里程240拉出值/mm131 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备3.6 关键设备3.6.1 分段绝缘装置根据牵引供电系统的运行方式，并考虑接触网检修以及在故障情况下组织小交路运行的需要，应在下列地点设置分段绝缘装置。（1）在不同供电臂间设置电分段，电分段采用组合式绝缘关节。（2）为满足故障状况下灵活交路运行的要求，在带折返功能的配线附近设置电分段。其中，在行车速度高于 120 km/h 的区段，电分段采用分段绝缘器；行车速度低于 120 km/h 的区段，电分段采用绝缘锚段关节。（3）在正线间渡线、折返线、区间存车线设电分段，电分段采用分段绝缘器。图 4 展示了为广州地铁 18 号线工程研发的分段绝缘器。3.6.3 弹性线夹刚性接触网定位点与跨中的弹性差异较大，不利于受电弓高速取流。旋转腕臂式悬挂结构较垂直式悬挂结构的垂向刚度有所减小，在增加弹性线夹后，定位点垂向刚度进一步减小，选取具有合适刚度的弹性线夹可改善接触网 1 跨内的弹性不均匀度7。定位点采用弹性线夹及刚性线夹所对应的接触网 1 个标准跨距（8 m）内的弹性曲线如图 6 所示。由图可知，采用弹性线夹后，接触网 1 跨内的弹性不均匀度明显减小。结合既有工程经验及仿真计算结果，将广州地铁 18 号线工程的弹性线夹刚度取为 68.9 N/mm。图 4 分段绝缘器实图3.6.2 膨胀元件膨胀元件串接在两锚段的汇流排之间，用以补偿汇流排的热胀冷缩量。为使受电弓能够迅速无缝顺滑地通过，广州地铁 18 号线工程设计人员研发了一款补偿量为 1 000 mm 的高速膨胀元件，采用全贯通式设计，具有整体质量小、质量分布均匀的特点，如图 5 所示。160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究图 5 高速膨胀元件4 设计方案验证4.1 设计方案仿真验证计算机仿真模拟方法直观易行，且易于更换条件及数据，效果显著，是研究弓网动态授流性能的主要途径和方法8。广州地铁 18 号线工程设计人员在研究刚性接触网系统设计方案的过程中，以悬挂装置、导高、标准跨距、定位点刚度、关节形式等参数作为变量进行了大量的弓网动态仿真工作，并最终形成第三章所述的系统设计方案。下面将以 17 号文中对弓网关系的指标要求为参考，对刚性接触网系统设计方案进行仿真验证。图 6 8m 跨距内的接触网弹性曲线跨距/m0.0170.0160.0150.0140.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000弹性定位刚性定位弹性/mmN-101234567832MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备4.1.1 仿真建模受电弓采用 TSG31 型受电弓，其三质量块参数取值9如表 3 所示。表 3 TSG31 型受电弓三质量块参数取值参数取值弓头质量 M1/kg9.9上框架质量 M2/kg9.6下框架质量 M3/kg19.5弓头刚度 K1/Nm-18 000上框架刚度 K2/Nm-117 000下框架刚度 K3/Nm-15弓头阻尼 C1/Nsm-120.5上框架阻尼 C2/Nsm-10.03下框架阻尼 C3/Nsm-1188接触网标准跨距取 8 m，定位点刚度（即弹性线夹刚度）取 68.9 N/mm，导高取 5 300 mm，采用旋转腕臂式悬挂装置。汇流排及悬挂装置均采用 beam188 梁单元建模；弹性线夹采用 combin14 弹簧单元模拟，通过改变弹簧单元刚度实现对不同定位点刚度的模拟。4.1.2 仿真方法有效性验证广州地铁 18 号线 Z45 Z46 两个锚段的列车运行速度为 160 km/h，以这两个锚段为例验证仿真方法的有效性。根据该锚段刚性接触网参数、平面布置形式以及工程验收的接触网静态几何形状进行弓网仿真，得到其弓网动态接触力仿真结果，再将仿真结果与现场弓网测试结果进行对比，以验证仿真方法的有效性。相关仿真结果与现场测试结果的对比如图 7、表 4 所示。4.1.3 验证标准本次仿真验证的依据是 17 号文中对弓网接触力的相关规定，具体如下：（1）平均接触力最大值（N）：Fm,max 0.000 47v2+60；（3）接触力标准偏差（N）：0.3Fm,max。其中，v 为列车运行速度，km/h。4.1.4 仿真结果不同速度等级下的接触力曲线如图 8 所示。由图可知，接触力在锚段关节处均出现较大波动，是整个锚段的薄弱环节；当列车速度达到 200 km/h 时，接触力波动明显加剧，且锚段关节处存在离线现象。对不同速度所对应的接触力进行特征值提取，结果如表 5 所示。由表可知，当列车运行速度为 160 km/h时，接触力各项特征值均满足 17 号文的要求。4.2 设计方案工程验证2021 年 8 月，中国铁道科学研究院集团有限公司对广州地铁 18 号线弓网关系进行了测试。其在运营列车上安装接触网动态几何参数非接触测量设备、燃弧探测器，为受电弓弓头加装压力传感器，在滑板下部安装加速度传感器，用于采集相关数据，并通过信号处理及传输装置将测量信号引至车内的数据采集系统进行集中处理，然后通过对上述数据进行分析，测试弓网关系，验证刚性接触网系统设计方案的科学性、有效性。（1）接触网动态几何参数。根据测试结果，上、下行正线接触网动态拉出值分布在-350 350 mm 区间内，接触网导高分布在 5 286 5 312 mm 区间内，上、下行正线接触网定位点间高差最大值为 28 mm。上述 3 项指标均无超限点。（2）弓网燃弧指标。弓网燃弧检测数据如表 6 所示。由表可知，上、下行正线的接触网燃弧次数小于 1 次/160 m，燃弧率小于 5%，最大燃弧时间小于100 ms，弓网燃弧指标符合相关标准要求。160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究表 4 现场测试与仿真计算接触力数据对比表N数据来源FmFminFmax0.3Fm-现场测试114.9121.4347.66191.0513.04仿真计算114.8123.1445.16194.2711.31相对误差0.09%7.96%5.25%1.69%13.31%图 7 现场测试与仿真计算接触力曲线300250200150100500接触力/N接触网里程/m1002003004005006007008009001 000试验结果仿真结果由图表可知，现场测试与仿真计算各项结果的相对误差均在 20%范围内10，可确认本文所用弓网动态仿真方法的有效性。33 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备表6 弓网燃弧检测数据线路燃弧率/%燃弧次数/次160 m-1最大燃弧时间/ms上行线0.720.7693下行线0.650.7291（3）弓网动态接触力。弓网动态接触力检测数据如表 7 所示。由表可知，上、下行正线接触网弓网动态接触力平均值、标准偏差、最小值、最大值分布均符合相关标准要求。表7 弓网动态接触力检测数据N线路FmFminFmax上行线开口84 9711 1768 82102 129下行线闭口85 10011 1868 84103 131（4）受电弓垂向加速度。上、下行线受电弓垂向加速度（硬点）检测最大值分别为 235.2 m/s2、196 m/s2，且上、下行硬点数值基本分布在 9.8 235.2 m/s 区间内，小于标准限值，受电弓垂向加速度指标符合相关标准要求。综上所述，在广州地铁 18 号线上、下行线弓网关系测试中，接触网动态几何参数、弓网燃弧指标、弓网动态接触力、受电弓垂向加速度（硬点）等各项测试指标符合相关标准要求，其接触网系统设计方案满足广州地铁 18 号线列车以 160 km/h 速度运行的要求。5 结语广州地铁 18 号线是国内第一条采用刚性接触网授流、最高运行速度达 160 km/h 的全地下市域快线。本文从悬挂方案、导高、标准跨距、锚段长度、拉出值布置等方面对该工程刚性接触网系统设计进行了深入的研究，并采用仿真手段对系统设计方案进行了验证。验证结果证明，该工程弓网关系测试各项指标均满足相关标准要求，可为类似工程提供参考和借鉴。参考文献1 丁习富.地铁快线设计中几个技术问题的探讨和思考J.隧道建设,2015,35(06):554-558.DING Xifu.Several technical issues in design of 160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究20015010050接触力/N锚段关节接触网里程/m05010015020025030035040045020015010050020015010050接触力/N20015010050接触力/N20015010050接触力/N20015010050接触力/N20015010050接触力/N接触力/N80 km/h100 km/h120 km/h140 km/h160 km/h180 km/h200 km/h图 8 不同速度等级下的接触力曲线图 表 5 不同速度等级下接触力特征值仿真验证结果Nv/kmh-1FmFm,maxFm,min0.3Fm,max-8086.204.8993.0163.0123.0110089.695.5294.7064.7022.8912093.977.6196.7766.7721.4214099.039.3299.2169.2120.44160101.7612.37102.0372.0318.2434MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备160 km/h 市域快线架空刚性接触网系统设计方案研究express metro linesJ.Tunnel Construction,2015,35(06):554-558.2 关金发,吴积钦,方岩.刚性接触网的研究综述及展望J.都市快轨交通,2016,29(06):37-43+59.GUAN Jinfa,WU Jiqin,FANG Yan.Review and prospect of research on overhead conductor railJ.Urban Rapid Rail Transit,2016,29(06):37-43+59.3 TB/T 3271-2011 轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则S.2011.4 中华人民共和国交通运输部.交办运 2019 17 号 城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第 1 部分:地铁和轻轨Z.2019.5 孙宁,陈珍宝,梁坤,等.160 km/h 速度等级刚性接触网受电弓弓网动态仿真分析J.电力机车与城轨车辆,2020,43(03):49-51.SUN Ning,CHEN Zhenbao,LIANG Kun,et al.Pantograph and catenary dynamic imulation analysis for 160 km/h pantograph under rigid catenary conditionJ.Electric Locomotives&Mass Transit Vehicles,2020,43(03):49-51.6 代洪宇.200 km/h 交流刚性接触网方案研究D.四川成都:西南交通大学,2019.DAI Hongyu.Research on 200 km/h AC rigid catenary schemeD.Chengdu Sichuan:Southwest Jiaotong University,2019.7 陈吉刚.利用弹性线夹优化刚性接触网的动态性能J.城市轨道交通研究,2014,17(08):73-77.CHEN Jigang.Optimization of dynamic performance on rigid catenary by using flexible clampJ.Urban Mass Transit,2014,17(08):73-77.8 于万聚.高速接触网-受电弓系统动态受流特性研究J.铁道学报,1993(02):16-27.YU Wanju.A study on the dynamic current-carrying char acteristics of the highspeed railway pantograph-catenary systemJ.Journal of the China Railway Society,1993(02):16-27.9 盛良,赵立峰,张文轩,等.地铁架空刚性接触网弓网系统运行特征分析J.现代城市轨道交通,2019(08):63-69.SHENG Liang,ZHAO Lifeng,ZHANG Wenxuan,et al.Analysis of performance characteristics of metro rigid overhead 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electric power to trains,both stably and reliably,this article explores the first fully underground urban express line with a 160 km/h operating speed in China that adopted rigid OCS to transmit electric power,Guangzhou metro line 18.Based on the analysis of the design requirements of rigid OCS,a comprehensive study of the design scheme of rigid OCS is conducted by using theoretical calculations,finite element simulations,and other technical means.This allows the determination of the suspension mode,height of the conductor,the suspension span,the tensioning section length,the stagger layout,as well as the selection requirements for key components,such as section insulators,expansion-elements,and cable-cleats.In addition,the availability of the design scheme is verified through simulation and engineering cases,with the goal of guiding similar cases.Keywords:urban express line,160 km/h,rigid overhead contact system,design scheme