城市轨道交通架空接触网受电弓优化建议

陈显志，杨波

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；2.厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门361000）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通正处于快速发展的阶段。目前，我国的城市轨道交通主要还是以直流1 500V架空接触网为主。众所周知，架空接触网的弓网关系是城市轨道交通电气化的关键技术之一。尤其是随着列车速度的提高，弓网关系的重要性将更加明显。国内设计院、研究单位、建设方及运营方等都将弓网关系作为重要的课题进行研究及专题探讨，提出了诸多改善架空接触网弓网关系的优化方案及建议，部分方案及建议已通过实践检验并得到了大家的一致认可，如合理选择跨距，优化接触网平面设计，道岔区的弓网关系配合，减小刚性悬挂点处的硬点措施，提高施工精度及加强运营检查等。这些优化措施或建议都有一个共同的特点，都是从“网”的角度着手，对接触网进行优化设计。

因此，本文将针对目前部分城轨交通速度目标值120km/h的特点，并结合部分城市的实际应用情况，主要从“弓”的角度入手，对受电弓提出了优化建议。

2 选取适应高速运行的受电弓

2.1 受电弓性能比较

目前，国内城市轨道交通车辆采用的受电弓主要有气囊弓、气缸弓和电动弓，各种受电弓的性能比较详见表1。

从表1分析可知，气囊式受电弓具有重量轻、结构简单、防震性能好、使用维护方便等特点，与弹簧弓（含气缸弓和电动弓）相比，在列车高速运行的条件下，气囊弓具有更好的弓网跟随性及集电稳定性，是当前轨道交通车辆受电弓的发展趋势。

2.2 受电弓数量比较

弹簧式受电弓额定工作电流1 500A，最大工作电流2 300A（5min）。气囊式受电弓额定工作电流1 600A，最大工作电流2 600A（5min）。

东莞R2线采用B型车6辆编组，根据初步估算，1列6辆编组列车最大工作电流约4 500A，最大电流出现在速度为90km/h以上的区间。

表1 受电弓性能比较表

当采用6辆编组列车4弓运行时，单弓最大平均电流为1 125A，小于弹簧弓单弓额定工作电流（1 500A）和气囊弓单弓额定工作电流（1 600A），2种受电弓取流能力均满足要求。

当采用6辆编组列车2弓运行时，单弓最大平均电流约2 250A，非常接近弹簧弓单弓最大工作电流（2 300A），而采用气囊弓时，其最大工作电流为2 600A（5min），取流能力和取流时间均具有较大的余量。

此外，从技术上而言，1列6辆编组列车安装3个或以上受电弓是可行的，但也存在增加列车制造成本和运营能耗、减小了客室面积等缺点，尤其是1列车配置3台受电弓时，则1列车有4种车型，电路结构不对称，不利于使用维护。

据调研，广州地铁三号线北延段在将弹簧弓更换为气囊弓，并增加刚性接触网弹性后，6辆编组列车配置2台受电弓运行时，弓网关系基本良好，满足运营要求。

2.3 受电弓碳滑板数量

从单弓配置的碳滑板数量来看：广州地铁三号线旧车每组受电弓配置2条碳滑板；国内最高运行速度80km/h的城市轨道交通线路，采用6辆编组列车2弓运行时，每组受电弓配置2条碳滑板；国内高铁铁路采用的高速受电弓，每组受电弓也是配置2条碳滑板，京沪高铁设计最高运行速度380km/h，最高试验速度达486km/h，采用了单碳滑板以减轻弓头质量，并采取了其他优化措施降低受电弓的弓头归算质量。

每组受电弓配置4条碳滑板时，虽然受电弓与接触线的接触面积增大了1倍，但同时每条碳滑板与接触线的接触压力也降低了一半，并未有效增加列车的单弓取流能力，反而因为增加碳滑板数量导致受电弓弓头归算质量增大，综合来看，反而降低了受电弓的追随性。可见，简单地增加碳滑板数量并不能有效增加受电弓的取流能力。从广州地铁的运营实践来看，配置4条碳滑板的受电弓，其弓网关系并不比配置2条碳滑板的受电弓好，反而导致了燃弧率的上升。

综上所述，在满足单弓取流能力下，建议车辆受电弓采用气囊式受电弓，每列车配置2台受电弓，每台受电弓配置2条碳滑板。

3 建议增加列车受电弓间的电气连接

在列车的前、后2台受电弓通过直流高压母线连通时，当其中1台受电弓出现离线时，由于直流高压母线的等电位连接，离线受电弓与接触网间并不会出现很大的电位差，而且离线受电弓的取流也可由另1台未离线的受电弓分担，因此，当前后受电弓通过直流高压母线连通时，可以降低其中1台受电弓离线时的燃弧率和燃弧强度。只有当通过直流高压母线连接的受电弓同时产生离线，才可能出现较强的燃弧现象【1】。

据调研，广州地铁三号线采用旧车6辆编组列车4弓运行时，前、后3辆列车的2台受电弓分别通过直流高压母线连通，运行时弓网关系良好，此结果也验证了上述分析。

因此，建议在车辆招标时，考虑将每列车前后2台受电弓通过直流高压母线连通。

注：深圳地铁3号线采用DC1500V接触轨授流方式，6辆编组列车单侧配置10套集电靴，两侧共配置20套集电靴，正常运行时均通过直流高压母线连通，在车速≤5km/h时各集电靴间的断路器自动断开。这也说明了将车辆前后受电弓进行电气连接是可以实现的。

4 考虑气流对受电弓的影响

在列车运行中，气流会对受电弓产生一个随速度增加而增加的气动力。

列车在隧道外运行时，由于空间开阔，受电弓与气流相对速度即为列车运行速度，受电弓受气流影响较小。

列车在隧道内运行时，受隧道断面限制，列车行进时对空气进行挤压，将形成逆向气流，对受电弓的稳定性的影响增大。根据贝努利气流方程式：

式中，A1为列车截面积，m2；V1为列车速度，km/h；A2为扣除列车截面积后的隧道截面积，m2；V2为气流速度，km/h。

广州地铁三号线和东莞地铁R2线列车均为B型车，列车截面积约为9.87m2。

广州地铁三号线盾构隧道直径5.4m，其扣除道床后的截面积约为21.65m2。

东莞地铁R2线在列车运行速度≥100km/h区段采用直径6m的盾构隧道，其扣除道床后的截面积约为26.97m2。

取列车最高运行速度为120km/h。

据上贝努利气流公式，则广州地铁三号线隧道内最大逆向气流速度为：

东莞地铁R2线隧道内最大逆向气流速度为：

要求能够满足的速度能力为：

广州地铁三号线受电弓最小速度能力为220.5km/h；东莞地铁R2线受电弓最小速度能力为189.3km/h。

即广州地铁三号线应采用满足隧道外运行速度220km/h以上要求的受电弓，东莞地铁R2线线应采用满足隧道外运行速度190km/h以上要求的受电弓。

因此，在列车高速运行区段采用直径6m的大盾构隧道有利于改善弓网关系，建议在车辆招标时，要求车辆供货商在进行受电弓的高速运行状态下的稳定性试验时，应充分考虑隧道内逆向气流的影响【2】。

5 结语

随着城市轨道交通的不断发展，列车最高速度目标值的逐步提高，合理地优化设计，不断地研究更有利于改善弓网关系的措施，将始终是重中之重。本文从受电弓的角度出发，通过对受电弓的选型，增加列车受电弓间的电气连接，考虑气流对受电弓的影响等方面进行分析比较，并结合实际线路的运营实践，提出了一些优化建议，相信对改善弓网关系有一定的借鉴和指导作用。