陈伟杰2卜立峰2 艾晓宇3 闫雅斌1
1广州地铁集团有限公司 广东广州 510000
2广州地铁集团有限公司建设事业总部 广东广州 510000
3广州地铁设计研究院股份有限公司 广东广州 510000
摘要：随着国内一线城市轨道交通线网规划的发展，逐步由中心城区向外围拓展，逐步开始建设120km/h及以上的高速轨道交通。以广州地铁十四号线一期供电系统工程采用的120km/h接触轨系统方案为例，通过对系统设计方案，施工过程中出现的问题进行总结，为后续同类方案的应用提供重要技术支持，同时，为120km/h以上的接触轨系统设计与应用提供重要的技术参考。
关键词：城市轨道交通；牵引供电；接触轨系统；工程应用
1 接触轨系统
城市轨道交通牵引供电系统中接触网主要有柔性接触网、刚性接触网和接触轨（又称三轨系统）三种主要形式，广州市轨道交通以往线路如广州地铁四、五、六号线主要采用接触轨下部接触授流方式的三轨供电系统，系统标称电压DC1500V，列车最高行车速度90km/h，接触轨采用普通型钢铝复合接触轨，绝缘支架采用整体型绝缘支架。
接触轨系统主要由接触轨、整体绝缘支架和防护罩等构成，整体绝缘支架安装在轨道整体道床或者轨枕上，其系统构成如图1所示。接触轨采用普通型钢铝复合接触轨，在最高环境温度为40℃，允许最高工作轨温85℃时，持续载流量为3000A。不锈钢带的厚度为6mm，钢带表面应平直、光滑，耐磨和耐腐蚀性良好。一般情况下，接触轨安装于列车行进方向的右侧；在道岔等特殊区段换边布置，车站布置在站台对面。接触轨中心至线路中心的水平距离为1550 mm，接触轨的受流面距走行轨轨顶面的垂直距离为200mm。在圆曲线及缓和曲线上，接触轨安装根据曲线情况与走行轨保持一致。整体绝缘支架的结构尺寸应满足限界和车辆集电靴运行工况的要求，即接触轨的受流面距走行轨轨顶面的垂直距离为200±5mm，接触轨中心距线路中心的水平距离为1550±5mm。
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2 十四号线一期工程概况
广州市轨道交通十四号线一期工程（嘉禾望岗～东风）属于“十三五”规划的快速线路之一，线路全长54.4km，其中地下线长21.8km，地上线长32.6km，设13座车站，其中地下站6座，高架站7座，换乘站2座。列车最高运行速度120km/h；供电电压为DC1500V；采用6辆B型车编组（见图2）。考虑高架线路架空接触网型式对景观等的影响，本工程正线接触网全线采用接触轨型式。
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3 120km/h接触轨系统设计方案
针对广州地铁十四号线一期工程120km/h的高速行车设计要求，本工程从广州地铁接触轨系统的实际情况入手，建立集电靴在实际工况下的力学模型，以及接触轨和集电靴合适的动态学仿真模型；结合动态学仿真模型，完成不同工况下的靴轨的动态特性的研究，通过进行靴轨动态仿真，初步验证了接触轨系统设计方案满足120km/h的运行要求。具体方案如下：
3.1支撑结构
接触轨系统支撑结构主要采用整体绝缘支架，本体采用玻璃纤维增强不饱和聚酯塑料（玻璃钢）片状模压料（SMC）。本工程接触轨整体绝缘支架继承了以往90km/h线路的要求，并基于对120km/h的接触轨系统研究，结合本线路的实际特点和技术与产品的发展水平做出了必要的调整。在满足本工程限界要求的前提下，经过对新旧绝缘支架有限元建模的应力对比分析（见图3），并对绝缘支架的内部结构进行了进一步改进，在应力较大位置通过增强结构进行了优化，本工程共设计了458型，528型及565型三种新型号绝缘支架。
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3.2锚段长度
接触轨锚段长度根据运行环境温度变化范围、导体载流温升、导体的温度膨胀系数等条件确定，本工程标准接触轨长度为15m一根，在隧道内接触轨标准锚段长度为90m，地面接触轨标准锚段长度为75m，针对本工程高架桥梁多采用连续刚构形式，伸缩缝变化范围较大的情况，高架范围跨连续刚构桥梁伸缩缝的锚段长度按照60m设计。
3.3跨距
接触轨跨距结合行车速度、支架形式、道床形式、轨枕间距确定，接触轨支持间距最大不宜超过5m，特殊区段不得大于5.3m，膨胀接头处接触轨支持间距最大不宜超过3m，特殊区段不得大于3.2m。结合轨枕布置，大部分轨枕间距为0.595m，考虑与轨枕间距模数相匹配，本工程标准跨距采用 4.165m，满足接触轨的支持并适应大部分道床轨枕的布置情况（如图4）。
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3.4中心锚结
中心锚结一般设置在每个锚段的中部，安装在整体绝缘支架两侧。在线路纵向坡度小于20‰的情况下中心锚结设置一组，在线路纵向坡度超过20‰且小于40‰时中心锚结设置两组。
3.5端部弯头
端部弯头通过普通接头安装于钢铝复合接触轨断口的端部，用于车辆运行过程中，受流器完好地滑入/出钢铝复合接触轨，本工程采用的端部弯头分为三种，一种为高速端部弯头，长度为7.4m，纵向坡度为1:60，适用于90~120km/h的速度区段（如图5-1）；一种为普通端部弯头，长度为5.2m，纵向坡度为1:41，适用于35~90km/h的速度区段（如图5-2）；一种为低速端部弯头，长度为 3.4m，纵向坡度为1:22，适用于35km/h以下的速度区段（如图5-3）。根据断口所处的位置和速度，分别选用不同的端部弯头，一般正线岔道断口采用高速端部弯头，侧线采用普通端部弯头，交叉渡线等低速区段短锚段采用低速端部弯头。
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3.6膨胀接头
膨胀接头用于消除钢铝复合接触轨温度变化而产生的热胀冷缩量，在连续的两个锚段之间安装。本工程采用补偿量200mm，闭合长度1775mm的膨胀接头。膨胀接头滑动自如，保证了接触轨自由伸缩性能，其起始滑动力不大于500N。
3.7断口设置
接触轨断口分为电气分段和电气上不分段的两种型式，断轨处接触轨端部均设置端部弯头。
电气上不断开主要设置在道岔、人防门、车站换边、小曲线半径（R≤300m）的线路。断轨采用自然断开方式，两断轨间用电缆进行电气连接。本工程道岔断口长度结合道岔形式及信号设备位置，9号道岔断口长度为10m（如图6-1），12号道岔断口长度为10.5m（如图6-2）。
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电气上断开的（即电分段）主要设置在以下地方：有牵引变电所的车站正线上，该电分段设在列车进站端惰行区段，并通过联络开关实现牵引变电所间的大双边供电的原则；正线间的渡线、折返线、停车线与正线间设电分段；工程与其它线路的联络线间设电分段。断轨采用接触轨自然断开方式，两断轨间电气不连接。
在接触轨的布置中，尽可能按照少断轨的原则，一般根据线路的实际情况，尽量选用道岔、人防门等处的断轨做电分段，主要目的要保证列车在行车过程中，不应出现整车失电的情况。在车站步梯等人行位置，结合运营安全检修距离的要求，设置小断口。
4 热滑试验及成果
4.1试验目的及项目
热滑试验就是列车带电在轨道上行驶，主要目的是对隧道结构、轨道、牵引供电、通信、信号各专业系统工程是否达到设计标准的一次全面性的动车检查，在不同的运行速度下，检验车隧关系、轮轨关系、靴轨关系、供电系统是否满足列车行车要求。
其中，对120km/h接触轨系统而言，主要通过热滑试验全面了解机车集电靴的运行状态，跟踪靴轨受流关系，记录靴轨受流出现火花的位置，检验回流系统状况，并在热滑后进行有针对性的整改以满足开通验收标准。具体试验项目如下：
1．由试验记录组通过装于热滑车上的摄像系统观察靴轨关系；
2．检验接触轨系统回路是否连通和顺畅；
3．观察接触轨接触面是否平滑，有无突变和跳动，有无硬点，是否有偏磨、脱靴或刮靴的危险，有无严重火花的出现；检查接触轨支撑、接触轨接头、端部弯头、膨胀接头、电连接处、中心锚结处、接地等部件的安装状态，是否有偏磨、脱靴或刮靴的危险，有无严重火花的出现；检查靴轨跟随性是否良好；
4．观察集电靴与接触轨的切入与滑出状态，检查集电靴在膨胀接头处、端部弯头处、中间接头处过渡是否平顺。
5．检查接触轨断轨处是否对电客车有失电现象；
6．热滑后检查集电靴有无异常摩耗状况。
4.2试验结果
热滑过程分成三种速度进行往返试验，低速：试验车以20-30km/h车速运行；中速：试验车以50-70km/h车速运行；高速：试验车以正常速度控制在80-120km/h车速运行，最高运行时速最终达到132km/h，达到工程设计速度的110%，验证工程的安全裕量。
现场检测数据显示，列车试跑过程中车辆、轨道、信号、通信、供电各系统专业设备运行平稳，轮轨、靴轨、车辆结构力学等指标良好，靴轨关系良好、机车受电取流稳定可靠，顺利完成了各项试验项目。
其中，120km/h接触轨系统回路连通顺畅，热滑过程中电客车取流正常，没有出现失电现象；接触轨轨面平滑，无突变和跳动，无硬点，无严重火花出现；接触轨接头、端部弯头等各部件安装符合标准，集电靴与接触轨的切入与滑出状态良好，无脱靴或刮靴情况；热滑后检查集电靴无异常摩耗，总体靴轨跟随性良好，充分验证了120km/h接触轨系统的设计方案满足列车运行要求。
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5、结语
广州地铁十四号线一期工程已于2018年12月28日开通，牵引供电120km/h接触轨系统已通过验收，最高运行时速最终达到132km/h，达到工程设计速度的110%，截至目前为止运行情况良好。目前国内地铁建设已陆续开展160 km/h以上的高速轨道交通项目建设， 120km/h接触轨系统的工程应用经验可为 120 km/h 以上的地铁或城际铁路接触网采用接触轨系统的型式提供重要的选型参考。
接触轨系统在施工安装、运营维护、高架线路景观及抗外部干扰性上对比其他接触网型式有较大优势，应持续跟踪已开通的线路运行情况，收集现场问题并分析靴轨关系变化数据，完善高速接触轨系统设备和工程相关的标准和规范（集电靴、接触轨支撑、接触轨接头、端部弯头、膨胀接头、中心锚结等关键部件的设计参数），持续了解设备生产工艺发展水平，才能不断拓展接触轨系统在城市轨道交通更高速度等级线路上的应用。
参考文献：
[1] 地铁设计规范：GB 50157-2013[S]．北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2] 城市轨道交通技术规范：GB 50490-2009[S]．北京：中国建筑工业出版社，2004.
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