陳顯志，楊波

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031；2.廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門361000）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通正處于快速發(fā)展的階段。目前，我國的城市軌道交通主要還是以直流1 500V架空接觸網(wǎng)為主。眾所周知，架空接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)關系是城市軌道交通電氣化的關鍵技術之一。尤其是隨著列車速度的提高，弓網(wǎng)關系的重要性將更加明顯。國內(nèi)設計院、研究單位、建設方及運營方等都將弓網(wǎng)關系作為重要的課題進行研究及專題探討，提出了諸多改善架空接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關系的優(yōu)化方案及建議，部分方案及建議已通過實踐檢驗并得到了大家的一致認可，如合理選擇跨距，優(yōu)化接觸網(wǎng)平面設計，道岔區(qū)的弓網(wǎng)關系配合，減小剛性懸掛點處的硬點措施，提高施工精度及加強運營檢查等。這些優(yōu)化措施或建議都有一個共同的特點，都是從“網(wǎng)”的角度著手，對接觸網(wǎng)進行優(yōu)化設計。

因此，本文將針對目前部分城軌交通速度目標值120km/h的特點，并結合部分城市的實際應用情況，主要從“弓”的角度入手，對受電弓提出了優(yōu)化建議。

2 選取適應高速運行的受電弓

2.1 受電弓性能比較

目前，國內(nèi)城市軌道交通車輛采用的受電弓主要有氣囊弓、氣缸弓和電動弓，各種受電弓的性能比較詳見表1。

從表1分析可知，氣囊式受電弓具有重量輕、結構簡單、防震性能好、使用維護方便等特點，與彈簧弓（含氣缸弓和電動弓）相比，在列車高速運行的條件下，氣囊弓具有更好的弓網(wǎng)跟隨性及集電穩(wěn)定性，是當前軌道交通車輛受電弓的發(fā)展趨勢。

2.2 受電弓數(shù)量比較

彈簧式受電弓額定工作電流1 500A，最大工作電流2 300A（5min）。氣囊式受電弓額定工作電流1 600A，最大工作電流2 600A（5min）。

東莞R2線采用B型車6輛編組，根據(jù)初步估算，1列6輛編組列車最大工作電流約4 500A，最大電流出現(xiàn)在速度為90km/h以上的區(qū)間。

表1 受電弓性能比較表

當采用6輛編組列車4弓運行時，單弓最大平均電流為1 125A，小于彈簧弓單弓額定工作電流（1 500A）和氣囊弓單弓額定工作電流（1 600A），2種受電弓取流能力均滿足要求。

當采用6輛編組列車2弓運行時，單弓最大平均電流約2 250A，非常接近彈簧弓單弓最大工作電流（2 300A），而采用氣囊弓時，其最大工作電流為2 600A（5min），取流能力和取流時間均具有較大的余量。

此外，從技術上而言，1列6輛編組列車安裝3個或以上受電弓是可行的，但也存在增加列車制造成本和運營能耗、減小了客室面積等缺點，尤其是1列車配置3臺受電弓時，則1列車有4種車型，電路結構不對稱，不利于使用維護。

據(jù)調(diào)研，廣州地鐵三號線北延段在將彈簧弓更換為氣囊弓，并增加剛性接觸網(wǎng)彈性后，6輛編組列車配置2臺受電弓運行時，弓網(wǎng)關系基本良好，滿足運營要求。

2.3 受電弓碳滑板數(shù)量

從單弓配置的碳滑板數(shù)量來看：廣州地鐵三號線舊車每組受電弓配置2條碳滑板；國內(nèi)最高運行速度80km/h的城市軌道交通線路，采用6輛編組列車2弓運行時，每組受電弓配置2條碳滑板；國內(nèi)高鐵鐵路采用的高速受電弓，每組受電弓也是配置2條碳滑板，京滬高鐵設計最高運行速度380km/h，最高試驗速度達486km/h，采用了單碳滑板以減輕弓頭質量，并采取了其他優(yōu)化措施降低受電弓的弓頭歸算質量。

每組受電弓配置4條碳滑板時，雖然受電弓與接觸線的接觸面積增大了1倍，但同時每條碳滑板與接觸線的接觸壓力也降低了一半，并未有效增加列車的單弓取流能力，反而因為增加碳滑板數(shù)量導致受電弓弓頭歸算質量增大，綜合來看，反而降低了受電弓的追隨性?？梢?，簡單地增加碳滑板數(shù)量并不能有效增加受電弓的取流能力。從廣州地鐵的運營實踐來看，配置4條碳滑板的受電弓，其弓網(wǎng)關系并不比配置2條碳滑板的受電弓好，反而導致了燃弧率的上升。

綜上所述，在滿足單弓取流能力下，建議車輛受電弓采用氣囊式受電弓，每列車配置2臺受電弓，每臺受電弓配置2條碳滑板。

3 建議增加列車受電弓間的電氣連接

在列車的前、后2臺受電弓通過直流高壓母線連通時，當其中1臺受電弓出現(xiàn)離線時，由于直流高壓母線的等電位連接，離線受電弓與接觸網(wǎng)間并不會出現(xiàn)很大的電位差，而且離線受電弓的取流也可由另1臺未離線的受電弓分擔，因此，當前后受電弓通過直流高壓母線連通時，可以降低其中1臺受電弓離線時的燃弧率和燃弧強度。只有當通過直流高壓母線連接的受電弓同時產(chǎn)生離線，才可能出現(xiàn)較強的燃弧現(xiàn)象【1】。

據(jù)調(diào)研，廣州地鐵三號線采用舊車6輛編組列車4弓運行時，前、后3輛列車的2臺受電弓分別通過直流高壓母線連通，運行時弓網(wǎng)關系良好，此結果也驗證了上述分析。

因此，建議在車輛招標時，考慮將每列車前后2臺受電弓通過直流高壓母線連通。

注：深圳地鐵3號線采用DC1500V接觸軌授流方式，6輛編組列車單側配置10套集電靴，兩側共配置20套集電靴，正常運行時均通過直流高壓母線連通，在車速≤5km/h時各集電靴間的斷路器自動斷開。這也說明了將車輛前后受電弓進行電氣連接是可以實現(xiàn)的。

4 考慮氣流對受電弓的影響

在列車運行中，氣流會對受電弓產(chǎn)生一個隨速度增加而增加的氣動力。

列車在隧道外運行時，由于空間開闊，受電弓與氣流相對速度即為列車運行速度，受電弓受氣流影響較小。

列車在隧道內(nèi)運行時，受隧道斷面限制，列車行進時對空氣進行擠壓，將形成逆向氣流，對受電弓的穩(wěn)定性的影響增大。根據(jù)貝努利氣流方程式：

式中，A1為列車截面積，m2；V1為列車速度，km/h；A2為扣除列車截面積后的隧道截面積，m2；V2為氣流速度，km/h。

廣州地鐵三號線和東莞地鐵R2線列車均為B型車，列車截面積約為9.87m2。

廣州地鐵三號線盾構隧道直徑5.4m，其扣除道床后的截面積約為21.65m2。

東莞地鐵R2線在列車運行速度≥100km/h區(qū)段采用直徑6m的盾構隧道，其扣除道床后的截面積約為26.97m2。

取列車最高運行速度為120km/h。

據(jù)上貝努利氣流公式，則廣州地鐵三號線隧道內(nèi)最大逆向氣流速度為：

東莞地鐵R2線隧道內(nèi)最大逆向氣流速度為：

要求能夠滿足的速度能力為：

廣州地鐵三號線受電弓最小速度能力為220.5km/h；東莞地鐵R2線受電弓最小速度能力為189.3km/h。

即廣州地鐵三號線應采用滿足隧道外運行速度220km/h以上要求的受電弓，東莞地鐵R2線線應采用滿足隧道外運行速度190km/h以上要求的受電弓。

因此，在列車高速運行區(qū)段采用直徑6m的大盾構隧道有利于改善弓網(wǎng)關系，建議在車輛招標時，要求車輛供貨商在進行受電弓的高速運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性試驗時，應充分考慮隧道內(nèi)逆向氣流的影響【2】。

5 結語

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，列車最高速度目標值的逐步提高，合理地優(yōu)化設計，不斷地研究更有利于改善弓網(wǎng)關系的措施，將始終是重中之重。本文從受電弓的角度出發(fā)，通過對受電弓的選型，增加列車受電弓間的電氣連接，考慮氣流對受電弓的影響等方面進行分析比較，并結合實際線路的運營實踐，提出了一些優(yōu)化建議，相信對改善弓網(wǎng)關系有一定的借鑒和指導作用。