刚性接触网锚段关节仅有8～12 m，可大幅缩短关节式电分相长度，为解决丽香铁路3处隧道内长大坡道的电分相设计难题，文章通过借鉴柔性接触网关节式电分相设计方案，重点考虑绝缘锚段关节绝缘间隙、锚段热胀冷缩等因素，修正刚性悬挂锚段关节式电分相中性段和无电区长度，并结合工程实际条件，提出刚性接触网短分相设计方案，将电分相长度缩短至23 m，并通过弓网系统动态仿真验证其弓网动态特性可满足速度160 km/h要求。方案实施后，线路动态检测达速160 km/h，刚性接触网短电分段处无明显燃弧现象，各项动态指标满足标准要求。该方案的成功应用对速度120 km/h以上复杂工况线路的接触网电分相设计有重要借鉴意义。
刚性接触网较柔性接触网具有隧道净空适应性高 、 无断线风险 、 载流能力强等优点 ， 大量应用于城市轨道交通中 。 刚性接触网是解决既有净空低矮隧道内电气化工程的有效手段 ， 近年来也逐渐应用于交流 27.5 kV 牵引供电制式的干线 、 城际铁路 ， 实现了速度 160 km/h 的工程应用 。 刚性接触网相较柔性接触网 ， 其锚段长度能按需设置 ， 可小于 200 m ， 锚段关节长度可由 150 m 以上缩短至 6 ～ 12 m 。 这为接触网电气分段的形式创新提供了可能 。
在国外 ， 交流刚性接触网工程应用线较短 ， 暂无电分相设计参考案例 。 而国内 ， 北京地铁大兴机场线采用 2 处绝缘锚段关节作为电分相 ， 中性区段预留 60 m 。 中天山隧道采用 2 处分段绝缘器作为电分段结构 ， 保证了充足的绝缘距离 。 广州地铁 18 号线采用贯通式同相供电 ， 在接触网设置 2 处相距 210 m 的分段绝缘器作为中性区段 。 上述应用均实现 120 km/h 以上运营速度 ， 但中性段的设置上仍有优化空间 。
目前 ， 接触网电分相的设计主要参考 GB/T 36981-2018 《 轨道交通 客运列车断电过分相系统相互匹配准则 》、 TB/T3271-2011 《 轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则 》、 TB 10009-2016 《 铁路电力牵引供电设计规范 》 等相关标准 。 主要的设计原则为 ： 当电分相须设置在坡道区段时 ， 应进行行车检算 ； 接触网电分相可采用器件式或带中性段的空气间隙的锚段关节形式 ， 但由于分段绝缘器在柔性接触网上会造成相对的硬点 ， 仅在速度 120 km/h 以下线路应用 ， 而采用绝缘锚段关节的电分相形式不存在相对硬点 ， 可应用于速度 120 km/h 以上的线路 。 因此在实际工程中 ， 分段绝缘器主要应用于站场 ， 区间内主要采用锚段关节式的电分相 。 柔性接触网关节式电分相方案无电区长度大 ， 断电距离一般不小于 300 m ， 列车通过电分相困难 ， 不适用于坡度较大的应用场景 。
针对设计速度为 140 km/h 的丽江 — 香格里拉铁路 （ 以下简称 “ 丽香铁路 ”） 3 处隧道内长大坡道的电分相 ， 由于后期需开行动车组的原因 ， 无法采用地面转换自动过分相系统 ， 因此需要进行设计变更 ， 而器件式电分相不适用于本线设计速度 ， 团队在既有工程条件的基础上创新性地提出 1 种短中性段刚性接触网电分相布置方案 ， 在解决低净空隧道安装问题的同时 ， 通过减小中性段长度满足行车检算的需求 。
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丽香铁路采用带中性段 、 空气间隙绝缘的锚段关节式电分相 ， 其中 3 处电分相所在线路为坡道大于 28 ‰ 的连续长大坡道 。 根据行车检算结果 ， 列车通过上述 3 处电分相困难 ， 原设计方案采用电子开关地面自动过分相装置 ， 电分相处接触网 11 跨 2 断口电分相布置方案 ， 上下行均设置隔离开关 ， 如图 1 所示 。 由于丽香铁路后期将开行动车组列车 ， 地面切换带电自动过分相装置不适用于动车组列车 。 为使动车组列车及和谐电力机车顺利通过上述 3 处电分相 ， 承建单位开展了刚性接触网电分相的研究工作 。
原 3 处电分相接触网两侧分别预留下锚洞室与设备洞室 。 由于所在隧道土建工程已施工完成 ， 为减少废弃工程 ， 电分相设备尽量利用既有洞室 。
电分相是防止列车受电弓经过供电分界点时将不同电压 、 相位或频率接触网导通的分段区域 。 在柔性接触网系统中 ， 关节式电分相主要由 2 个绝缘锚段关节构成 ， 中性区段为两端绝缘关节最外侧绝缘转换柱处非工作支悬挂绝缘子 （ 串 ） 远端边界之间的距离 ， 无电区为靠近电分相中心的两绝缘转换柱处非工作支悬挂绝缘子 （ 串 ） 近端边界之间的距离 ， 如图 2 所示 。 中性区段 、 无电区的长度与开行列车的升弓方式 、 双弓间距等参数有关 。
柔性接触网关节式电分段可视为额外架设的一小段与相邻某锚段接触网独立的锚段 ， 实现电气的分段与绝缘 ， 可视为 “ 绝缘锚段关节 + 普通区段 + 绝缘锚段关节 ” 的结构形式 。 在柔性接触网中 ， 电分段中性区段的长度很大程度上受锚段关节长度的影响 。
刚性接触网电分相参考柔性接触网 ， 能采用 “ 绝缘锚段关节 + 普通区段 + 绝缘锚段关节 ” 的形式 。 由于刚性接触网锚段关节长度短 ， 可大幅缩短电分相的长度 。 但由于接触网悬挂形式不同 ， 接触网的中性区段和无电区的设置需要进一步细化 。
柔性接触网串入绝缘子 （ 串 ） 作为电气分段 ， 而刚性接触网无法串入绝缘子 （ 串 ） 进行电气分割 ， 只能设置绝缘锚段关节或分段绝缘器 。 若将绝缘锚段关节与分段绝缘器等同 ， 以锚段关节两端之间的距离作为刚性接触网关节式电分相中性区段长度显然不合适 。 由于刚性接触网末端设有端部弯头 ， 由此可视端部弯头末端为电气分段 。 刚性接触网电分段的中性段应以 2 个锚段的端部弯头末端间计算 。
通常 ， 汇流排端部弯头末端会保留一段接触线抽头 ， 用以补偿锚段中接触线的热胀冷缩 。 在工程中 ， 接触线在锚段末端汇流排外余长通常保留 150 ～ 200 mm ， 沿汇流排终端方向顺延或适当上翘 。 若列车受电弓意外停滞于分相区内 ， 为避免电气击穿 ， 还需考虑受电弓滑板与无电接触网的安全距离 ， 空间关系如图 3 所示 。 电气绝缘的安全距离可通过空气绝缘间隙 、 刚性接触网端部弯头抬升角度及预留接触线抽头等计算 。
综上 ， 绝缘距离计算可参考式 （ 1 ）。
式 （ 1 ） 中 ， L J 为端部弯头绝缘空间距离； H D 为端部弯头抬高量； L JC 为接触线抽头长度； L JY 为绝缘间隙要求； α 为端部弯头抬升角度； θ 为接触线抽头抬升角度 。
在柔性接触网中 ， 补偿下锚装置的位置固定 ， 而刚性接触网端部弯头位置会随温度的变化而变化 。 在平面布置时 ， 还需考虑温度变化下刚性接触网端部弯头的位置变化 。
端部弯头空间位置与汇流排材料 、 环境温度 、 拉出值 、 刚性悬挂支持装置形式和尺寸等有关 。 设计速度 120 km/h 以上的刚性接触网系统一般采用旋转腕臂 ， 拉出值方向变化不超过 10 mm 。 若忽略拉出值方向变化 ， 端部弯头位置变化可由汇流排的热膨胀系数计算得到 ， 计算公式为 ：
L
Δ
=2CkL
e-m
(t m
ax
-t
0
) （ 2 ）
式 （ 2 ） 中 ， L
Δ
为端部弯头顺线路方向变化 ； C 为汇流排的热膨胀系数 ； k 为安全系数 ； L e-m 为中心锚节至端部弯头距离 ； t
max
为校验温度 ； t
0
为安装温度 。
电分相的中性区段及无电区长度与运行车辆的受电弓间距 、 工作受电弓间是否有母线连接 、 接触网的布置和形式有关 ， 详细类型可参考 IEC 62313 - 2009 。 为满足电气分相需要 ， 无电区长度需大于列车最大双弓间距 （ 长分相 ）， 或中性段长度小于最小双弓间距 （ 短分相 ）。
在长分相形式下 ， 开行动车组的线路无电区需设置为 220 ～ 280 m ； 在短分相情况下 ， 无电区需不小于拉弧距离 。 而对于货运列车 ， 当双弓间无高压母线连接时 ， 双弓间距应小于无电区长度或大于中性段长度 。
刚性接触网电分相中性区段和无电区的长度应根据绝缘空间距离 、 锚段长度影响进行修正 ， 分别参考式 （ 3 ） 和式 （ 4 ） 计算 。
式 （ 3 ）、 式 （ 4 ） 中 ， L
ZX
为中性区段长度 ； L 为电分相中普通区段的长度 ； L
M
为锚段关节 长度 ； L
WD
为无电区长度 。
为保证行车检算顺利通过电分相 ， 尽量减小行车检算惰性区长度 ， 中性段长度应尽可能短 。 由于 3 处电分相所在线路为坡道大于 28 ‰ 的连续长大坡道 ， 为尽量减少列车运行速度损失 ， 便于维护 ， 应尽量减短无电区的长度 。 刚性接触网电分相可按照长分相情况进行布置 ， 但刚性接触网锚段关节短 、 无张力补偿下锚装置 ， 更宜按照短分相情况进行布置 。
目前尚未有明确的拉弧距离计算方式 ， 气压 、 受电弓取流量 、 空气湿度 、 空气流速等因素均会影响电弧的发展 。 根据文献研究结果 ， 分相电弧主要受磁力影响 ， 向上飘动且持续时间为 ms 级 。 文献指出列车速度越快 ， 电弧熄灭速度越快 。 若电弧持续 100 ms ， 速度 160 km/h 下拉弧距离即无电区最小长度约为 4.5 m 。 为保险起见 ， 在本项目中参考器件式电分相设置无电区的长度 ， 将无电区不小于 8 m 作为无电区长度下限 。
原柔性接触网设计采用全补偿简单链形悬挂 ， 导线规格和张力如表 1 所示 。 支持装置采用弓形腕臂结构 ， 结构高度一般不大于 500 mm ， 最短吊弦不小于 300 mm 。
根据弓网系统动态仿真结果 ， 为满足速度 160 km/h 下弓网接触力要求 ， 刚性接触网系统主要技术参数如表 2 所示 。 锚段长度一般不超过 2 × 250 m ， 安装设计满足海拔 2 500 m 的绝缘修正要求 。 施工中要求汇流排端部弯头处接触线沿同向延伸 150 ～ 200 mm 。
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线路拟运行动车 CR200J 和货物列车 HXD1 （ 包括 HXD1C ）， 双弓间均无高压母线连接 。 动车组列车运行双弓间距 200 ～ 215 m ， 货运列车运行双弓间距如表 3 、 表 4 所示 。
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在此线路上 ， 中性区段和无电区长度需满足 ： 考虑动车组相关需要 ， 中性段长度应小于 200 m ； 考虑货运列车相关需要 ， 无电区长度需大于货运列车的最大双弓间距 ， 或中性段长度小于最小双弓间距 。
根据式 （ 3 ） 和式 （ 4 ）， 当无电区长度大于货运列车最大双弓间距时 ， 无电区长度至少需要约 45 m ， 此时不满足行车检算要求 。 因此仅适用中性区段长度小于最小双弓间距情况 ， 且最长约为 26 m ， 无电区长度约为 14 m 。 经行车检算 ， 此方案满足货运列车 3 000 t 运量要求 。
考虑隧道施工缝位置 、 隧道洞室预留等因素 ， 刚性接触网电分相最终布置方案如图 4 所示 ， 中性段长度选用 23 m ， 配合 6 m 锚段关节 ， 无电区长度约为 11 m 。
3.3 弓网动态仿真
考虑到速度 120 km/h 以上线路的刚性接触网应用并不成熟 ， 且在本方案中 ， 2 个绝缘锚段关节间距离仅约 11 m ， 未见有相似应用 。 因此 ， 利用弓网系统动态仿真对弓网动态匹配特性进行校验 。 弓网动态相互作用仿真模型及算法参考文献 。
分别以 DSA200 和 DSA250 型受电弓 、 速度 160 km/h 进行仿真 ， 弓网接触力变化曲线如图 5 所示 ， 统计参数如表 5 所示 。 虽然受电弓在通过绝缘锚段关节时 ， 弓网接触力出现较大的波动 ， 但其变化幅值 、 标准差 、 极值等均满足 TB/T 3271-2011 中弓网动态评价指标要求 。 从仿真结果来看 ， 相邻的 2 个绝缘锚段关节间几乎无相互的影响 ， 受电弓仅在通过绝缘锚段关节前后 1 跨时出现较大振动 。 此外 ， 弓网系统动态仿真显示在通过刚性接触网电分相时 ， DSA250 型受电弓表现优于 DSA200 型受电弓 ， 因此更推荐采用 DSA200 型受电弓 。
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丽香铁路 3 处隧道内长大坡道的电分相顺利通过冷滑试验 、 动态试验并于 2023 年 11 月 26 日开通运营 。
动态试验采用 WX 系列电务检测车 ， 最高速度达到 160 km/h ， 在测试中未见明显燃弧现象 。 其中弓网动态试验的燃弧率 、 动态拉出值分量 （ CDIS ）、 动态接触线高度分量 （ CDIH ）、 弓网接触力分量 （ CDIF ）、 燃弧率分量 （ CDIA ） 及接触网动态性能指数 （ CDI ） 均满足验收要求 。 现场运行情况如图 6 所示 。
为解决丽香铁路 3 处位于坡度大于 28 ‰ 连续长大坡道的隧道电分相设计难题 ， 本文在柔性接触网关节式电分相形式基础上 ， 优化刚性接触网关节式电分相形式 ， 通过绝缘空间距离 、 锚段长度等修正刚性接触网锚段关节式的中性段与无电区长度 ， 并结合车辆受电弓运行状态确定长度设置原则 ， 提出 1 种短中性段刚性接触网电分相布置方案 。 该方案以丽香铁路为工程应用试点 ， 结合线路与车辆条件 ， 采用 6 m 锚段关节形式 ， 将中性段缩短至 23 m ， 通过弓网仿真能够满足弓网系统动态评价指标要求 。 实际安装应用效果良好 ， 成功达速 160 km/h ， 保证了列车的顺利开通 。 本方案的成果应用对长大坡道客货共线的接触网设计具有重要借鉴意义 ， 同时也为电分相问题的处理提供了 1 种新的解决思路 。
