轨道交通中双流制接触网的运用探析

　　摘要：从双流制铁路研究的必要性入手，分析双流制接触网在欧洲和日本等地的应用情况及双流制接触网的安装方式和原理，通过对双流制接触网的方案比选，研究可适用于我国的双流制接触网技术，并从悬挂组成、绝缘配合、轨旁设备等几个方面给出了设计建议，为我国双流制接触网技术做好技术储备。

 

　　关键词：双流制; 接触网; 轨道交通; 应用;

 

　　Abstract：Based necessity of multi-system catenary of railway, this paper analyzes the multi-system catenary in Europe and Japan and others, the application of the multi-system catenary installation method and principle of catenary, by comparison of selection of multi-system catenary schemes, the research can be applied to multi-system catenary technology in our country, and from the suspension composition, insulation coordination, trackside equipment design Suggestions are given, which includes such aspects as technology reserve for the system of the multi-system catenary technology in China.

 

　　0 引言

 

　　双流制铁路主要用于连接采用不同供电制式的既有线路，也可用于需要在不同供电制式的铁路系统中贯通运营的新建线路。其主要目的是实现贯通运营，适用于郊区和主城区、卫星城和中心城市的连接，给乘客提供不同于传统公铁联运、无缝换乘等现有的火车和轨道交通之间的一站式到达目的地的便捷感。双流制铁路的主要目标就是减少换乘，并追求一定程度的无缝换乘，助力城市发展，合理疏导人流，最终实现高水平的城市群规划和科学的人口分布。

 

　　双流制铁路的最显着特点是可实现在双制式供电条件下列车贯通运营，我国的双流制列车现已研发下线，本文主要探讨双流制接触网在轨道交通中的应用。

 

　　1 国外应用情况

 

　　双流制铁路最早诞生于法国。第二次世界大战后，欧洲各国之前的经济联系更加紧密，铁路运量激增，铁路在各国之间贯通运行的需求越来越强烈。但当时欧洲大部分国家或地区仅统一了轨距，未统一牵引供电电压，因此形成了DC 600 V、DC1 500 V、DC 3 000 V等直流牵引系统和AC 15 k V16.7 Hz、AC 25 k V 50 Hz等交流牵引系统，列车在不同电压等级的牵引系统内运行时唯一的办法是更换牵引机车。直到20世纪60年代，法国开始研究能在2种不同电压下运行的电力机车，依靠当年阿尔斯通强大的研发能力，最早开发了双流制机车，并应用接触网为其提供牵引电能。之后，庞巴迪、西门子、日立、中车等公司也先后研发下线了双流制机车，并在世界各地得到较为广泛的应用。

 

　　在德国，双流制铁路系统主要应用在其S-Bahn郊区通勤列车系统中（与中国的都市快线、城郊线类似），连接都市和郊区，方便乘客通勤，融入其仅在城区运行的U-Bahn系统。在郊区，其站间距一般可达3～6 km，设计最高时速为130 km，市区内与城市轨道交通相同，站间距较小，一般为1～3 km，最高运行时速100 km。牵引车辆既有直流机车也有双流制机车，直流机车在市区轨道交通线路运营，发车间隔小；双流制机车通过自身断路器切换，可在2种供电制式下全线贯通运营，发车间隔根据客流要求灵活调整。为其提供电能的接触网系统结合当地既有供电系统设置，例如在郊区采用架空接触网（接触网标称电压一般为AC 15 k V），在市区则采用第三轨或架空接触网（接触网标称电压一般为DC 1 500 V）。

 

　　在日本，双流制轨道交通主要应用在东京都市圈通往郊区的通勤列车系统中，与德国S-Bahn系统功能定位相似。东京市区地铁系统采用DC 1 500V供电，线路在守谷站出市区后往东延伸，一方面受制于该地柿岗地磁观测所不允许继续采用直流供电，而仅可采用AC 20 k V供电的要求；另一方面因为站间距增大、速度提高等因素，DC 1 500 V供电的经济性降低，AC 20 k V供电的技术经济条件更优，但又不愿意用换乘、换车等降低乘坐体验感的方式来解决该问题，所以日立公司推出了TX2000系列交直流两用电力机车，采用双流制接触网供电。从此之后，应用双流制接触网不停车切换供电模式取代了JR线“黒矶”站内的停车切换方式，在JR东日本常磐线取手—藤代区间、JR西日本北陆本线敦贺—长滨站区间等地广泛应用。

 

　　2 双流制接触网方案比选

 

　　双流制接触网是指在一条贯通运营的线路上，使用了交流和直流2种供电制式的架空接触网。这样区分主要是为了使其区别于接触网电分相，例如由DC 750 V到DC 1 500 V的转换或者AC 25 k V50 Hz和AC 15 k V 16.7 Hz的线路，都可采用现有的列车过电分相原理，既可以降下受电弓通过，也可以不降受电弓由司机操作主断路器通过，甚至可无需在列车上配置双流制电牵系统。另外，需要区别开的是由第三轨和集电靴系统提供直流电到架空接触网和受电弓系统提供交流电的线路。

 

　　2.1 停车切换供电制式

 

　　接触网配合列车在停车状态下切换供电制式是一种相对容易实现的方式。接触网在包含停车范围的区域内设置一个交直流两用区段，可以用一个或半个锚段作为这个独立的接触网供电分区，两端采用绝缘锚段关节分别与直流、交流区段电气隔离，钢轨设置绝缘节区分交直流回流通路，如图1所示。在该段交直流两用接触网上，按照最高电压需求（例如AC 25 k V）选择绝缘参数，在停车状态下由地面设备配合列车上的开关操作，完成交直流供电制式切换。

 

　　适应停车切换模式的双流制接触网的实现方便易行，带来的问题是开关操作频繁，司机的一系列操作和状态确认的规范执行会延长停站时分，不适应高密度发车间隔的要求。但是，随着自动过分相技术的广泛应用和智能化的高速发展，这一系列倒闸操作和确认流程可以通过先进的技术手段实现，仅保留司机开车前对供电制式的确认即可。另一个问题是频繁倒闸会缩短设备使用寿命。停车切换供电制式的模式对低运量线路进行既有线改造，或受电磁兼容影响等，在既有条件下对确需在不同供电制式的线路中实现互联互通的情况有一定意义。
 

 

　　图1 停车切换供电制式原理   

 

　　2.2 不停车切换供电制式

 

　　接触网配合列车在高速行驶状态下切换供电制式相对更复杂，需要设置较长的接触网过渡区段，并配合警示标识或地面感应装置，通过一系列操作完成交直流切换。法国、德国、日本的交直流切换方式中，日本的双流制线路所需接触网无电区较短，不需要地面开关，技术经济条件更优，设置方案接近我国干线铁路的自动过分相技术，推广应用前景较好。该技术中采用了筑波线器件式接触网中性段原理，如图2所示。
 

 

　

　　
图2 筑波线器件式接触网中性段原理   

 

　　筑波线器件式接触网的交流与直流过渡段采用了20 m的小跨距，在一跨内连续设置了器件式电分相装置，悬挂点两侧承力索上采用3串绝缘子形成电气隔离，能在一定程度上改善器件式电分相带来的接触网硬点，并减少拉弧，从直流过渡到交流时，在两跨器件式电分相中间又增加了一跨不带电的接触网，配合列车牵引电机充放电。该安装方式对线路条件要求较低，位置选择相对灵活，列车失电距离短，但对电分相材质、安装精度等有较高的要求。

 

　　参考国内的关节式电分相，可考虑采用九跨（或七跨）式锚段关节用于交直流过渡段，锚段关节的通过性能较器件式分相更好，允许车辆高速通过，中性段接触网采用AC 25 k V侧的绝缘子、DC1 500 V侧的导线组成，根据车辆牵引特性确定无电区长度。采用锚段关节作为交直流接触网过渡段可更好地避免硬点和拉弧，允许车辆高速通过，技术方案成熟，更适合在我国推广应用。

 

　　3 主要设计原理

 

　　3.1 交直流切换段接触网设计

 

　　应用在城市轨道交通AC 25 k V供电部分的接触网一般采用直供加回流线的方式，接触网采用全补偿简单链形悬挂，一般由单根承力索和单根接触线组成，载流截面不够的情况下可考虑双承力索。接触网张力根据速度目标值确定，对于设计速度小于160 km/h的线路，应尽量统一全线的张力标准和导线材质，例如选择铜合金的承力索和接触线，张力宜为15 k N。而在DC 1 500 V供电部分，接触网一般需要双支承力索和双支接触线，必要时还需增加辅助馈线（加强线）。在交直流过渡段，接触网应采用与直流供电相同的大截面导线，同时采用交流侧AC 25 k V的绝缘子。对于七跨或九跨关节，应将全部3个锚段范围都作为交直流过渡段；对于器件式交直流过渡段，应将绝缘器件所在的锚段全部作为交直流过渡段。

 

　　3.2 交直流切换段轨旁设备

 

　　配合接触网的电压转换，回流系统也需要一个转换过程。无论是交流供电的接触网还是直流供电的接触网，一般都使用轨道作为回流通路。在交直流切换段对应轨道回流系统也应设置过渡段，过渡段两侧与正线轨道之间设置绝缘节。由于车轮通过绝缘节时会将两侧轨道连通，交流回路的钢轨和直流回路的钢轨始终存在电位差，列车通过时可能发生车轮对钢轨的电火花或电弧，严重时甚至灼伤钢轨。故需应用消弧装置配合车辆位置检测装置，当车辆即将进入回流过渡段时，将来车方向的钢轨和过渡段钢轨导通，当车辆完全进入过渡段后断开，当列车即将驶出过渡段时再连通过渡段和驶出方向的钢轨，直到列车完全驶离过渡段，这样能很好地避免钢轨损伤。

 

　　3.3 双流制接触网的工作方式

 

　　双流制接触网的正常工作需要与车辆、信号、供电等系统密切配合，在供电制式转换过程中，需要经过加速、惰行、切换、通过、送电、再次加速等一些列操作，其原理图如图3。

 

　　
图3 双流制接触网切换原理   

 

　　结合目前的机器视觉和数据传输技术，在较小发车间隔的线路上，车辆使用自动切换技术完成这样的转换操作要比司机操作更可靠。通过轨旁设备可以精确判断车辆是否到达指定区段、指定速度、电压等信息，自动完成电源切断，当判断车辆完全驶出双流制接触网切换区段，并判断车辆位置、速度、电压等正常后自动取电并投入运行。

 

　　4 应用前景

 

　　在我国，对双流制列车的研究相对较早，对双流制牵引供电系统、双流制接触网的研究相对较晚，自2011年开始系统研究双流制供电制式，取得一些阶段性研究成果。依托重庆都市快轨铜梁试验线，着手研究将这条连接重庆西部的璧山、铜梁两个区的市郊铁路接入到重庆轨道交通1号线，以实现在铜梁上车的乘客可以直达沙坪坝甚至直达朝天门而无需出站、换乘。由于1号线已经使用了DC 1 500 V架空接触网供电，铜梁试验线站间距近6 km，更适合采用AC 25 k V供电，采用双流制接触网给贯通运营的列车供电，这也是我国最早并相对全面地研究双流制系统原理的开始。目前，重庆江津—跳瞪的线路正在实施并拟接入重庆轨道交通5号线，计划在2021年通车，有望成为我国最早开通的双流制轨道交通项目。另外，北京、广州、成都等地也在积极探索采用AC 25 k V供电的市郊铁路和采用DC 1 500 V供电的城市轨道交通线网的深度融合，双流制轨道交通有望成为其最终的解决方案，同时也为大城市扩展都市圈、中心城市拓展卫星城提供了一种便捷的通勤方案。

 

　　5 结语

 

　　双流制接触网在我国轨道交通的应用刚刚起步，双流制铁路给人带来的便捷感优势显着。随着大城市轨道交通线网的成熟，逐渐开始向市郊发展，城市群效应逐渐显现，中心城区提供高效的工作条件，市郊享受优质的生活环境已逐渐成为常态。（下转第52页）科技以人为本的发展理念越来越深入人心，城市的发展不单要为出行提供便利，还要提高乘坐体验，将乘客一站式送达目的地，市郊铁路和城市轨道交通线网的深度融合必定是未来轨道交通服务的新需求，双流制接触网在轨道交通的应用也将成为技术发展的新趋势。

 

　　参考文献

 

　　[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团有限公司译.北京：中国电力出版社，2004:316.

　　[2] 德国ILF工程咨询公司，德国汉堡咨询公司，重庆市轨道交通（集团）有限公司.中德金融合作项目重庆“都市快轨”（S-Bahn）铜梁试验线工程可行性研究报告[R].重庆：重庆市的轨道交通（集团）有限公司，2012.

　　[3] 日本中央复建工程咨询株式会社，日本地下铁协会.日本的交直流切换运行及交直流两用电车技术[R].重庆：重庆市的轨道交通（集团）有限公司，2013.

　　[4]王志荣.双流制列车通过中性段的供电切换方案研究[J].城市轨道交通研究，2016,19(6):128-132.

　　[5]谢维达.多流制列车及其在我国的应用前景[J].城市轨道交通研究，2010(3):2.