高速铁路接触网系统中零部件功能及其实现方式探讨

2014-09-26赵正路

铁道标准设计 2014年9期

关键词：弦线吊弦接触网

赵正路

(中铁电气化局集团有限公司京沪高铁维护管理公司，北京 100055)

高速铁路接触网系统中零部件功能及其实现方式探讨

赵正路

(中铁电气化局集团有限公司京沪高铁维护管理公司，北京 100055)

介绍零部件在接触网系统中特殊地位和重要作用。重点论述高速铁路零部件功能实现的4种方式，即：通过接触网动态设计，准确预测零部件运行工况；合理选用接触网零部件的材质和加工工艺，并根据运行条件选择对应检测方法检验，保证零部件性能达标；通过精细化施工，保证接触网几何参数达标；运营维护阶段，积累运营维护经验，反馈信息，优化接触网设计，提高施工安装水平，实现闭环管理。

高速铁路；接触网；零部件；功能；实现方式

接触网是架设在铁路线路上空，由一系列零部件及其他材料按照一定规律组装而成，向电力机车供给电能的特殊形式的输电线路[1]。链形接触网系统中零部件是实现有序连接、接续接触网中接触线、承力索、支持装置、绝缘元件、电气设备以及支柱，同时传递电能并且有支持功能和具备相应强度的机械性质的整体系统[2]。接触网零部件故障或失效直接或间接导致接触网事故或故障。随着电气化铁路运行速度的不断提高，高速铁路接触网导线的张力逐渐增大，接触网零部件重要程度也更加突出显示出来[2]。

1 高速铁路接触网零部件功能及实现方式

接触网零部件在接触网系统中起关节和纽带作用，零部件主要功能是实现机械连接和电气导通，决定零部件性能的主要因素为制造，决定零部件运行工况的主要因素包括接触网的动态设计、接触网的施工和维修质量等，而保证零部件功能的实现，应从零部件整个寿命周期统筹谋划、严格把控。设计阶段，通过接触网动态设计，准确预测零部件运行工况；零部件制造时，合理选用接触网零部件的材质和加工工艺，并采用力学、动力学、电气及化学测试方法进行检验，保证零部件性能达标；施工阶段，通过精细化施工，保证接触网几何参数达标；运营维护阶段，遵守“预防为主、修养并重”原则，积累运营维护经验，反馈指导接触网设计和施工安装，实现闭环管理，通过PDCA循环逐步提高[3]。

2 高速铁路接触网动态设计

2.1采用计算机模拟动态特性，准确预测零部件运行工况

在列车高速行驶且双弓集流情况下，受电弓的冲击性激励引起接触网振动，振动与波动的共同作用导致接触网结构变形，变形量越大，与接触悬挂相关的零部件的内部应力交替变化量就越大。一些关键零部件(如定位器、吊弦等)的失效很大程度上与这种应力变化量相关。

架空接触网和受电弓的动态性能应该考虑接触网的几何和静态特性。在设计阶段，应通过计算机模拟动态特性，并且对安装后的架空接触网系统用测量数据进行核实。模拟程序的确认应与EN50318(铁路应用—集流系统—弓网动态相互作用仿真的确认)[4]相符，测量应保证与EN50317(铁路应用—集流系统—弓网动态相互作用测量的要求与确认)[5]相符。

2.2 合理选择系统参数，改善零部件运行工况

线索截面、张力和跨距是影响接触网动态性能的重要参数。线索截面越大，张力应越大；跨距越小，接触线横向与垂向变化的选择范围越有限；线索张力越大、跨距越小，一些关键零部件的运行工况会趋于恶化，反之零部件工况趋于改善。例如：我国设计的350 km/h高速铁路，接触线额定张力有28.5、30 kN和31.5 kN[6]3种情况，在满足接触网波动传播速度和运营需要前提下，接触线选择张力最小的28.5 kN[7]，零部件运行工况得到一定程度改善。我国高速铁路接触网跨距一般为50 m[8]，如果将跨距加大到65 m，零部件运行工况也将得到改善。

2.3 减少零部件及其螺栓紧固的数量

为方便施工和维修，提高接触网调整的灵活性，大量选用零部件及其螺纹紧固件就不可避免，螺纹紧固件越多，零部件发生故障或失效的几率就越多；零部件数量越多，接触网发生故障几率就越多。在满足接触网施工安装及调整的前提下，降低零部件数量及其螺纹紧固件的数量，零部件和接触网发生故障或失效的几率就越少。如广深港和海南高速铁路采用的整体腕臂定位形式和整体吊弦[9]，零部件紧固螺栓数量的大大减少，零部件发生故障或失效的几率就越少；零部件的数量减少，接触网发生故障或失效的几率也就越少，零部件及接触网可靠性得到大大提高。

3 高速铁路零部件制造

质量合格的零部件是接触网运行寿命长和运行安全的条件之一。由于高速铁路的特殊要求和运行条件，接触网零部件的制造需要专门的材料、技术、知识和经验。正常运行工况下，架空接触网零部件的设计寿命至少为该系统的运行寿命。保证零部件的性能，应从零部件制造和检验两个方面考虑。

3.1 合理选用零部件的材质和加工工艺

正确、合理选用接触网零部件的材质对提高零件的机械性能和安全可靠性，对保证零件的防腐性能、使用寿命和工程造价起着重要作用。接触网零件材料选用的原则不仅要使零件在强度、防振、防腐等方面有一个较大的提高，而且要适应市场，满足不同的用户、不同线路的各种需求。当前，客运专线接触网零件发展的方向是采用优质材料，要求零件结构新颖可靠、质量轻、防腐性能好。为满足要求，材质上应根据不同使用条件选用铜材、铝材等，加工工艺采用精密模锻、精密冷冲成型、精密铸造成型、数控自动化加工成型等。表面处理采用抛丸、表面阳极氧化等化学处理方法，有效地提高安全性和可靠性，以达到少维修或无维修的目的。

3.2 根据运行条件选择相应测试方法

零部件的检验需要根据运行条件选择力学、动力学、电气及化学测试方法，这种选择建立在对接触网各个组成部分的荷载状态与安装条件有广泛了解的基础之上。

4 高速铁路接触网施工

接触网施工包括所有经过质量认证的零部件的装配工作以及最终验收程序。接触网施工应积极采用机械化、工厂化、专业化、信息化等施工手段。如下因素对零部件可靠性和寿命具有决定性的影响：将零部件小心地搬运到安装地点；正确地安装接触网零部件和绝缘子；对要通过电流的线夹彻底涂油和遵守给定的螺栓紧固力矩；配备专用工具；安装工人具有相应的专业知识；在较小的误差范围内确定设计的接触线位置。

接触网施工应采用先进、成熟、科学的检验检测手段，所用方法和仪器符合相关技术标准的规定，仪器性能应符合质量检测的要求，质量检验人员应具有规定的资格。TB10758∶2010(高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准)规定了接触网误差界限以保证运行质量。对于较高质量的接触网设计而言，这些误差界限范围均较窄。下列控制参数尤其重要：相邻吊弦点的接触线高度差；相邻定位点的接触线高差；定位点处的接触线坡度变化；接触线高度误差[10]。

运行试验结果的评价已经表明，通过接触网精细化施工，设备安装在规定误差范围内，接触网几何参数全部达标，接触网零部件处于正常运行工况，零部件的机械连接和电气导通功能得以正常实现，关节和纽带作用得以体现。

5 高速铁路接触网维修

接触网运行与维修，坚持“预防为主、修养并重”的方针，按照“周期检测、状态维修、寿命管理”的原则，遵循精细化、机械化、集约化的检修方式，依靠科技进步，积极采用接触网自动检测手段和机械化维修手段，提升接触网维修的准确度，不断提高接触网运行品质和安全可靠性。运营维修中，收集整理接触网发生的事故和故障案例，分类汇总，认真分析原因，反馈给设计和施工原单位，逐步优化接触网设计和提高施工安装水平。

6 实例

接触网零部件众多，具体要求各具特色，本文以吊弦为例介绍接触网零部件功能及其实现方式。

6.1 吊弦设计

EN50119：2009(铁路应用—固定设施—电力牵引架空接触网)规定，吊弦的设计应考虑机械要求和电气要求[11]。

(1)机械要求

吊弦可以分为硬质、弹性或滑动。不同的类型应能承受规定的荷载，且在系统寿命周期内不会对吊弦性能产生不利作用。

完整的吊弦的安全系数：垂直荷载为2.5，水平荷载为1.5。吊弦设计需要考虑如下工作荷载。

垂直荷载：包含接触线自重、覆冰荷载、风荷载和来自接触线轮廓的荷载；

水平荷载：来自接触线轴向，且吊弦倾斜30°；

动态荷载：来自振动、吊弦弯曲等。

除工作荷载之外，还需要考虑以下附加荷载：

施工期间的荷载；

故障导致的临时荷载(比如相邻吊弦的故障)。

附加荷载大于2.5倍的工作荷载时，应使用附加荷载而不是工作荷载进行吊弦的设计；低于2.5倍的时候，附加荷载可以忽略。

(2)电气要求

吊弦设计可用于载流、非载流或者绝缘。

载流吊弦的设计应允许电流在接触线与承力索之间传输，电气设计要考虑至少一跨内的电流分布。靠近吊弦的短路会引起吊弦中产生很高的短路电流。载流吊弦不需要进行短路校验。

非载流吊弦不是为了传输电流而设计，然而，吊弦两边的电压有可能使电流穿过；严格限制电流通过时，必须使用绝缘吊弦。

6.2 制造和检验

吊弦线夹制造采用CuNi2Si带材经冲压后热处理，表面进行光饰处理，吊弦线采用JTMH10镁铜合金绞线。

EN50119：2009规定，吊弦只要求进行机械疲劳试验和机械试验等型式试验。

(1)机械疲劳试验

机械疲劳试验包括备用荷载、压缩周期，如图1所示。吊弦使用其配套的夹紧装置并按正常运行的最低要求进行试验。

压缩幅度控制在20～200 mm，吊弦内力控制在100～400 N，频率控制在0.5～10 Hz，能运行至少2×106个周期，吊弦不得在指定的周期前折断。试验取值应依据接触网动态设计确定。

特殊情况下，如低结构高度和高抬升的位置，总长度和压缩范围应重新考虑。

图1 吊弦试验周期实例

(2)机械试验

按照吊弦供应商的说明，将吊弦线夹安装在相应的导线上。对应于每种尺寸双沟槽接触线和承力索直径的线夹，均应单独进行试验。如果线夹对应双沟槽接触线的变化范围或承力索多种直径，仅要求对最小的和最大的尺寸进行试验。图2所示为吊弦张力试验组装实例。要求在未达到3 kN的拉力时，线夹不得拔下。

图2 吊弦张力试验组装实例

6.3 施工安装

《高速铁路电力牵引供电工程施工验收标准》(TB10758—2010)规定吊弦的尺寸与安装为：

(1)预制长度偏差不超过1.5 mm；

(2)布置应符合设计要求，位置偏差不超过50 mm；

(3)平均温度时，吊弦顺线路方向垂直安装，承力索吊弦线夹与接触线吊弦线夹在垂直方向的相对偏差不超过20 mm；

(4)相邻吊弦点接触线高差不超过10 mm。

6.4 运营维修

2013年，京沪高速铁路接连发生吊弦线断裂故障，经现场抽查，共发现65根有吊弦线断股和断裂的吊弦。经分析，发生吊弦线断裂主要分为3类，第1

类，吊弦安装位置不合适，与非支承力索摩擦；第2类，吊弦压接不合格，压接套环压接位置错误；第3类，吊弦线扭转安装[12]。以上问题均属于施工问题，运营单位全面排查和整改，并反馈给施工单位，实现闭环管理，提高施工安装水平。

7 结语

接触网与零部件的关系遵循唯物辩证法的基本规律：首先，接触网和零部件不可分割，接触网功能的形成离不开零部件原有的功能；零部件是接触网的重要组成部分，离开了接触网将不再具有零部件的功能；其次，接触网与零部件相互影响，接触网的性能状态及其变化会影响到零部件的性能及其变化，反之，零部件也制约接触网，甚至在一定条件下，关键零部件的性能会对接触网的性能状态起决定作用。

[1] 中国铁路工程总公司教卫处.接触网工[M].北京：中国铁道出版社，1999：107-112．

[2] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2002:377-390．

[3] 中华人民共和国铁道部. 接触网运行检修规程[M].北京：中国铁道出版社，2012:1-2．

[4] EN50318: Railway applications—Current collection systems—Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2002.

[5] EN50317: Railway applications—Current collection systems—Requirement for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2002.

[6] 高鸣.京沪高速铁路先导段接触网原型系统设计[J].电气化铁道，2011(5)：5-8.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[8] 铁道部运输局.时速300～350 km高速铁路牵引供电系统总体技术方案[R].北京：铁道部运输局，2007.

[9] 周振平.350 km/h客运专线接触网整体式腕臂施工工法研究[J].城市建设理论研究，2012(15).

[10] 中华人民共和国铁道部.TB10758—2010 高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[11] EN50119: Railway applications—Fixed installations—Electric traction overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2009.

[12] 京沪高速铁路维护管理公司.京沪高速铁路接触网吊弦缺陷调查的分析报告[R].北京：京沪高速铁路维修管理公司,2014.

Approach to Functions of Fittings and Their Applications in Overhead Contact Line System of High Speed Railway

ZHAO Zheng-lu

(Beijing Shanghai high speed railway operation &maintenance company CEEB Co.， Ltd.，Beijing 100055)

2014-03-12；

：2014-04-14