軌道交通中雙流制接觸網(wǎng)的運用探析,職稱論文

軌道交通中雙流制接觸網(wǎng)的運用探析,職稱論文內(nèi)容摘要：從雙流制鐵路研究的必要性入手，分析雙流制接觸網(wǎng)在歐洲和日本等地的應(yīng)用情況及雙流制接觸網(wǎng)的安裝方式和原理，通過對雙流制接觸網(wǎng)的方案比選，研究可適用于我們國家的雙流制接觸網(wǎng)技術(shù)，并從懸掛組成、絕緣配合、軌旁設(shè)備等幾個方面給出了設(shè)計建議，為我們國家雙流制接觸網(wǎng)技術(shù)做好技術(shù)儲備。本文關(guān)鍵詞語：雙流制;接觸網(wǎng);軌道交通;應(yīng)用;Abstract：Basednecessityofmulti-systemcatenaryofrailway,thispaperanalyzesthemulti-systemcatenaryinEuropeandJapanandothers,theapplicationofthemulti-systemcatenaryinstallationmethodandprincipleofcatenary,bycomparisonofselectionofmulti-systemcatenaryschemes,theresearchcanbeappliedtomulti-systemcatenarytechnologyinourcountry,andfromthesuspensioncomposition,insulationcoordination,tracksideequipmentdesignSuggestionsaregiven,whichincludessuchaspectsastechnologyreserveforthesystemofthemulti-systemcatenarytechnologyinChina.0引言雙流制鐵路主要用于連接采用不同供電制式的既有線路，可以用于需要在不同供電制式的鐵路系統(tǒng)中貫穿運營的新建線路。其主要目的是實現(xiàn)貫穿運營，適用于郊區(qū)和主城區(qū)、衛(wèi)星城和中心城市的連接，給乘客提供不同于傳統(tǒng)公鐵聯(lián)運、無縫換乘等現(xiàn)有的火車和軌道交通之間的一站式到達目的地的便捷感。雙流制鐵路的主要目的就是減少換乘，并追求一定程度的無縫換乘，助力城市發(fā)展，合理疏導(dǎo)人流，最終實現(xiàn)高水平的城市群規(guī)劃和科學(xué)的人口分布。雙流制鐵路的最顯著特點是可實如今雙制式供電條件以下車貫穿運營，我們國家的雙流制列車現(xiàn)已研發(fā)下線，本文主要討論雙流制接觸網(wǎng)在軌道交通中的應(yīng)用。1國外應(yīng)用情況雙流制鐵路最早誕生于法國。第二次世界大戰(zhàn)后，歐洲各國之前的經(jīng)濟聯(lián)絡(luò)愈加嚴(yán)密，鐵路運量激增，鐵路在各國之間貫穿運行的需求越來越強烈。但當(dāng)時歐洲大部分國家或地區(qū)僅統(tǒng)一了軌距，未統(tǒng)一牽引供電電壓，因而構(gòu)成了DC600V、DC1500V、DC3000V等直流牽引系統(tǒng)和AC15kV16.7Hz、AC25kV50Hz等溝通牽引系統(tǒng)，列車在不同電壓等級的牽引系統(tǒng)內(nèi)運行時唯一的辦法是更換牽引機車。直到20世紀(jì)60年代，法國開場研究能在2種不同電壓下運行的電力機車，依靠當(dāng)年阿爾斯通強大的研發(fā)能力，最早開發(fā)了雙流制機車，并應(yīng)用接觸網(wǎng)為其提供牽引電能。之后，龐巴迪、西門子、日立、中車等公司也先后研發(fā)下線了雙流制機車，并在世界各地得到較為廣泛的應(yīng)用。在德國，雙流制鐵路系統(tǒng)主要應(yīng)用在其S-Bahn郊區(qū)通勤列車系統(tǒng)中〔與中國的都市快線、城郊線類似〕，連接都市和郊區(qū)，方便乘客通勤，融入其僅在城區(qū)運行的U-Bahn系統(tǒng)。在郊區(qū)，其站間距一般可達3～6km，設(shè)計最高時速為130km，市區(qū)內(nèi)與城市軌道交通一樣，站間距較小，一般為1～3km，最高運行時速100km。牽引車輛既有直流機車也有雙流制機車，直流機車在市區(qū)軌道交通線路運營，發(fā)車間隔?。浑p流制機車通過本身斷路器切換，可在2種供電制式下全線貫穿運營，發(fā)車間隔根據(jù)客流要求靈敏調(diào)整。為其提供電能的接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)?shù)丶扔泄╇娤到y(tǒng)設(shè)置，例如在郊區(qū)采用架空接觸網(wǎng)〔接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓一般為AC15kV〕，在市區(qū)則采用第三軌或架空接觸網(wǎng)〔接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓一般為DC1500V〕。在日本，雙流制軌道交通主要應(yīng)用在東京都市圈通往郊區(qū)的通勤列車系統(tǒng)中，與德國S-Bahn系統(tǒng)功能定位類似。東京市區(qū)地鐵系統(tǒng)采用DC1500V供電，線路在守谷站出市區(qū)后往東延伸，一方面受制于該地柿崗地磁觀測所不允許繼續(xù)采用直流供電，而僅可采用AC20kV供電的要求；另一方面由于站間距增大、速度提高等因素，DC1500V供電的經(jīng)濟性降低，AC20kV供電的技術(shù)經(jīng)濟條件更優(yōu)，但又不愿意用換乘、換車等降低乘坐體驗感的方式來解決該問題，所以日立公司推出了TX2000系列交直流兩用電力機車，采用雙流制接觸網(wǎng)供電。從此之后，應(yīng)用雙流制接觸網(wǎng)不停車切換供電形式取代了JR線黒磯站內(nèi)的停車切換方式，在JR東日本常磐線取手藤代區(qū)間、JR西日本北陸本線敦賀長濱站區(qū)間等地廣泛應(yīng)用。2雙流制接觸網(wǎng)方案比選雙流制接觸網(wǎng)是指在一條貫穿運營的線路上，使用了溝通和直流2種供電制式的架空接觸網(wǎng)。這樣區(qū)分主要是為了使其區(qū)別于接觸網(wǎng)電分相，例如由DC750V到DC1500V的轉(zhuǎn)換或者AC25kV50Hz和AC15kV16.7Hz的線路，都可采用現(xiàn)有的列車過電分相原理，既能夠降下受電弓通過，可以以不降受電弓由司機操作主斷路器通過，甚至可無需在列車上配置雙流制電牽系統(tǒng)。另外，需要區(qū)別開的是由第三軌和集電靴系統(tǒng)提供直流電到架空接觸網(wǎng)和受電弓系統(tǒng)提供溝通電的線路。2.1停車切換供電制式接觸網(wǎng)配合列車在停車狀態(tài)下切換供電制式是一種相對容易實現(xiàn)的方式。接觸網(wǎng)在包含停車范圍的區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個交直流兩用區(qū)段，能夠用一個或半個錨段作為這個獨立的接觸網(wǎng)供電分區(qū)，兩端采用絕緣錨段關(guān)節(jié)分別與直流、溝通區(qū)段電氣隔離，鋼軌設(shè)置絕緣節(jié)區(qū)分交直流回流通路，如此圖1所示。在該段交直流兩用接觸網(wǎng)上，根據(jù)最高電壓需求〔例如AC25kV〕選擇絕緣參數(shù)，在停車狀態(tài)下由地面設(shè)備配合列車上的開關(guān)操作，完成交直流供電制式切換。適應(yīng)停車切換形式的雙流制接觸網(wǎng)的實現(xiàn)方便易行，帶來的問題是開關(guān)操作頻繁，司機的一系列操作和狀態(tài)確認(rèn)的規(guī)范執(zhí)行會延長停站時分，不適應(yīng)高密度發(fā)車間隔的要求。但是，隨著自動過分相技術(shù)的廣泛應(yīng)用和智能化的高速發(fā)展，這一系列倒閘操作和確認(rèn)流程能夠通過先進的技術(shù)手段實現(xiàn)，僅保存司機開車前對供電制式確實認(rèn)即可。另一個問題是頻繁倒閘會縮短設(shè)備使用壽命。停車切換供電制式的形式對低運量線路進行既有線改造，或受電磁兼容影響等，在既有條件下對確需在不同供電制式的線路中實現(xiàn)互聯(lián)互通的情況有一定意義。圖1停車切換供電制式原理2.2不停車切換供電制式接觸網(wǎng)配合列車在高速行駛狀態(tài)下切換供電制式相對更復(fù)雜，需要設(shè)置較長的接觸網(wǎng)過渡區(qū)段，并配合警示標(biāo)識或地面感應(yīng)裝置，通過一系列操作完成交直流切換。法國、德國、日本的交直流切換方式中，日本的雙流制線路所需接觸網(wǎng)無電區(qū)較短，不需要地面開關(guān)，技術(shù)經(jīng)濟條件更優(yōu)，設(shè)置方案接近我們國家干線鐵路的自動過分相技術(shù)，推廣應(yīng)用前景較好。該技術(shù)中采用了筑波線器件式接觸網(wǎng)中性段原理，如此圖2所示。圖2筑波線器件式接觸網(wǎng)中性段原理筑波線器件式接觸網(wǎng)的溝通與直流過渡段采用了20m的小跨距，在一跨內(nèi)連續(xù)設(shè)置了器件式電分相裝置，懸掛點兩側(cè)承力索上采用3串絕緣子構(gòu)成電氣隔離，能在一定程度上改善器件式電分相帶來的接觸網(wǎng)硬點，并減少拉弧，從直流過渡到溝通時，在兩跨器件式電分相中間又增加了一跨不帶電的接觸網(wǎng)，配合列車牽引電機充放電。該安裝方式對線路條件要求較低，位置選擇相對靈敏，列車失電距離短，但對電分相材質(zhì)、安裝精度等有較高的要求。參考國內(nèi)的關(guān)節(jié)式電分相，可考慮采用九跨〔或七跨〕式錨段關(guān)節(jié)用于交直流過渡段，錨段關(guān)節(jié)的通過性能較器件式分相更好，允許車輛高速通過，中性段接觸網(wǎng)采用AC25kV側(cè)的絕緣子、DC1500V側(cè)的導(dǎo)線組成，根據(jù)車輛牽引特性確定無電區(qū)長度。采用錨段關(guān)節(jié)作為交直流接觸網(wǎng)過渡段可更好地避免硬點和拉弧，允許車輛高速通過，技術(shù)方案成熟，更合適在我們國家推廣應(yīng)用。3主要設(shè)計原理3.1交直流切換段接觸網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用在城市軌道交通AC25kV供電部分的接觸網(wǎng)一般采用直供加回流線的方式，接觸網(wǎng)采用全補償簡單鏈形懸掛，一般由單根承力索和單根接觸線組成，載流截面不夠的情況下可考慮雙承力索。接觸網(wǎng)張力根據(jù)速度目的值確定，對于設(shè)計速度小于160km/h的線路，應(yīng)盡量統(tǒng)一全線的張力標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)線材質(zhì)，例如選擇銅合金的承力索和接觸線，張力宜為15kN。而在DC1500V供電部分，接觸網(wǎng)一般需要雙支承力索和雙支接觸線，必要時還需增加輔助饋線〔加強線〕。在交直流過渡段，接觸網(wǎng)應(yīng)采用與直流供電一樣的大截面導(dǎo)線，同時采用溝通側(cè)AC25kV的絕緣子。對于七跨或九跨關(guān)節(jié)，應(yīng)將全部3個錨段范圍都作為交直流過渡段；對于器件式交直流過渡段，應(yīng)將絕緣器件所在的錨段全部作為交直流過渡段。3.2交直流切換段軌旁設(shè)備配合接觸網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換，回流系統(tǒng)也需要一個轉(zhuǎn)換經(jīng)過。無論是溝通供電的接觸網(wǎng)還是直流供電的接觸網(wǎng)，一般都使用軌道作為回流通路。在交直流切換段對應(yīng)軌道回流系統(tǒng)也應(yīng)設(shè)置過渡段，過渡段兩側(cè)與正線軌道之間設(shè)置絕緣節(jié)。由于車輪通過絕緣節(jié)時會將兩側(cè)軌道連通，溝通回路的鋼軌和直流回路的鋼軌始終存在電位差，列車通過時可能發(fā)生車輪對鋼軌的電火花或電弧，嚴(yán)重時甚至灼傷鋼軌。故需應(yīng)用消弧裝置配合車輛位置檢測裝置，當(dāng)車輛即將進入回流過渡段時，將來車方向的鋼軌和過渡段鋼軌導(dǎo)通，當(dāng)車輛完全進入過渡段后斷開，當(dāng)列車即將駛出過渡段時再連通過渡段和駛出方向的鋼軌，直到列車完全駛離過渡段，這樣能很好地避免鋼軌損傷。3.3雙流制接觸網(wǎng)的工作方式雙流制接觸網(wǎng)的正常工作需要與車輛、信號、供電等系統(tǒng)密切配合，在供電制式轉(zhuǎn)換經(jīng)過中，需要經(jīng)過加速、惰行、切換、通過、送電、再次加速等一些列操作，其原理圖如此圖3。圖3雙流制接觸網(wǎng)切換原理結(jié)合當(dāng)前的機器視覺和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在較小發(fā)車間隔的線路上，車輛使用自動切換技術(shù)完成這樣的轉(zhuǎn)換操作要比司機操作更可靠。通過軌旁設(shè)備能夠精到準(zhǔn)確判定車輛能否到達指定區(qū)段、指定速度、電壓等信息，自動完成電源切斷，當(dāng)判定車輛完全駛出雙流制接觸網(wǎng)切換區(qū)段，并判定車輛位置、速度、電壓等正常后自動取電并投入運行。4應(yīng)用前景在我們國家，對雙流制列車的研究相對較早，對雙流制牽引供電系統(tǒng)、雙流制接觸網(wǎng)的研究相對較晚，自2018年開場系統(tǒng)研究雙流制供電制式，獲得一些階段性研究成果。依托重慶都市快軌銅梁試驗線，著手研究將這條連接重慶西部的璧山、銅梁兩個區(qū)的市郊鐵路接入到重慶軌道交通1號線，以實如今銅梁上車的乘客能夠直達沙坪壩甚至直達朝天門而無需出站、換乘。由于1號線已經(jīng)使用了DC1500V架空接觸網(wǎng)供電，銅梁試驗線站間距近6km，更合適采用AC25kV供電，采用雙流制接觸網(wǎng)給貫穿運營的列車供電，這也是我們國家最早并相對全面地研究雙流制系統(tǒng)原理的開場。當(dāng)前，重慶江津跳瞪的線路正在施行并擬接入重慶軌道交通5號線，計劃在2021年通車，有望成為我們國家最早開通的雙流制軌道交通項目。另外，北京、廣州、成都等地也在積極探尋求索采用AC25kV供電的市郊鐵路和采用DC1500V供電的城市軌道交通線網(wǎng)的深度融合，雙流制軌道交通有望成為其最終的解決方案，同時也為大城市擴展都市圈、中心城市拓展衛(wèi)星城提供了一種便捷的通勤方案。5結(jié)束語雙流制接觸網(wǎng)在我們國家軌道交通的應(yīng)用剛剛起步，雙流制鐵路給人帶來的便捷感優(yōu)勢顯著。隨著大城市軌道交通線網(wǎng)的成熟，逐步開場向市郊發(fā)展，城市群效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，中心城區(qū)提供高效的工作條件，市郊享受優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境已逐步成為常態(tài)?！蚕罗D(zhuǎn)第52頁〕科技以人為本的發(fā)展理念越來越深切進入人心，城市的發(fā)展不單要為出行提供便利，還要提高乘坐體驗，將乘客一站式送達目的地，市郊鐵路和城市軌道交通線網(wǎng)的深度融合必定是將來軌道交通服務(wù)的新需求，雙流制接觸網(wǎng)在軌道交通的應(yīng)用也將成為技術(shù)發(fā)展的新趨勢。以下為參考文獻[1]Kie?ling,Puschmann,Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團有限公司譯.北京：中國電力出版社，2004:316.[2]德國ILF工程咨詢公司，德國漢