浅谈强风地区电气化铁路接触网设备选型优化

张 建



浅谈强风地区电气化铁路接触网设备选型优化

张 建

近年来我国在强风地区电气化铁路接触网设计、施工和运营方面取得了一定成效，但也发现了一些问题和缺陷。本文通过对产生问题和缺陷的原因进行分析、归类，提出针对性优化建议，以期为强风地区接触网设计、施工和运营提供借鉴。

强风区；接触网设备；选型；优化

0 引言

中国铁路凭借过硬的技术和成熟的运营管理模式，走出去的步伐不断加快，是推动“一带一路”建设的排头军。在“一带一路”沿线的强风以及强风引起的其他衍生恶劣环境下，特别是电气化铁路的接触网系统受风、雪、雷、电等自然灾害的影响较大，其稳定性直接影响铁路的安全高效运营。笔者通过参与兰新线、兰新二线风区接触网工程施工、试验，总结归纳了建设、运营过程中发现的问题，结合现有设计标准和相关理论研究成果，对产生问题的原因进行分析，并对强风地区接触网设备选型提出优化建议。

1 强风区接触网研究现状

2002年，铁道第一勘察设计院开始研究兰新线电气化改造的可行性，进行了强侧风条件下接触网空气动力学研究，得出简单链形悬挂受风影响较小，无挡风墙区段跨距不宜大于45 m，有挡风墙区段跨距不宜大于40 m；强侧风条件下，强侧风引起接触线张力增量达9%左右，腕臂受风应力集中在斜腕臂与平腕臂的连接点、定位器支座、定位器本体等位置的结论。

2009年3月，铁道第一勘察设计院受原铁道部计划司委托，联合施工单位、设备制造商、中南大学等单位在兰新线十三间房车站废弃线路上挡风墙的迎风侧架设接触网1.025条公里，通过数据采集和分析，现场监测初步结果为：（1）最大风力14级以下，接触网各测点纯风偏均在100 mm以内，纯风抬升量不超过23 mm；（2）关节处两支接触线摆动频率与幅度基本一致；（3）接触网导线扭转角一般在±5°以内；（4）接触网支柱垂直线路方向摆动量一般在10 mm以内。

2 施工和运营中出现的典型问题及分析

2010年10月，基于初步拟定的设计标准，在既有兰新线十三间房（含车站）—大步区间典型风口地段安装了10正线公里接触网。2012年12月31日开通运营后，兰新线发生了多起事故。兰新第二双线于2010年已经开始接触网设计，为了避免10 km试验段试验时的问题，在设计上进行了细微的调整，但在建设过程中及开通运营后，仍然引发了一些事故，造成了不同程度的损失。

2.1 接触网设备稳定性和可靠性方面

2011年6月，强风区烟墩—雅子泉区段的混凝土坠砣串在大风时摆动严重，发生坠砣脱落或坠砣相对位移的现象。其主要原因是未将该区段列入强风区进行设计，坠砣限制架仍然采用铁标单钢管限制混凝土坠砣串。开通前全部更换为防风型双钢管限制架，并将坠砣串进行加固。

2011年10月，兰新线大风区连续发生3起承力索终端锚固线夹脱落事件，主要原因是产品质量不能满足大风区使用要求，没有经过严格试验，施工单位在材料进场验收时也忽视了批次检验报告。最后将大风区终端锚固线夹全部更换。

2014年10月，兰新二线联调联试期间，隔离开关引线脱落造成动检车受电弓损坏及多个锚段接触网受损（图1），对运营安全造成极大威胁。主要原因是隔离开关和避雷器引线采用线鼻子压接，脱落后悬吊在线路正上方。开通前按设计要求将开关处2根支柱（引线）连成一体，在支柱上增加引线固定横担。目前的设计标准中要求避雷器必须增加引线支撑绝缘子，并能承受设计拉断力。

图1 兰新二线开关引线脱落事故现场

2015年11月兰新二线开通运营后，嘉峪关供电段管辖范围内出现多起隔离开关操作机构脱落事件，风沙造成机构内零部件失效，调度所无法进行远动操作。

兰新线和兰新二线施工过程中，还先后出现了吊弦线夹断裂、吊弦护套脱落、弯形定位管断裂、定位器断裂、承力索座脱落、棘轮破裂等事件。主要原因是生产厂家对产品质量检验存在问题，部分批次的产品无法满足大风区零部件的技术参数。

2.2 接触网设备持久性和耐用性方面

2010年10月，在十三间房10 km试验段验收时，发现个别电连接存在断股现象，悬挂接触网终点标的铁丝被磨断；2012年3月，发现在十三间房—大步区间正馈线悬挂的双耳型V形联板磨损严重，同时悬挂供电线的球头挂环几乎被磨断，双支供电线的铝线在等距线夹处也几乎全部被磨断，而上述零件安装还不到一年时间。主要原因是零部件连接部位存在间隙，大风舞动时产生电位差，造成电腐蚀。经过设计单位研究，改用轴套式连接对零件进行了更换，并对供电线进行了改造。

2014年10月，供电段反馈锚段关节和线岔处采用的弓形定位器为钩环连接，长时间在大风作用下磨损严重，定位器容易从缺口处脱落。最终全部更换为法式销轴连接定位器，并在定位器与斜腕臂之间设置等电位连接线。

2.3 接触网设备在强风环境适应性方面

强风区的风沙对电气化设备的破坏性非常大。2010年10月，在十三间房—大步区间对检验批进行验收时，发现多处瓷质棒式绝缘子的裙边损坏，经过统计分析，损坏绝缘子全部集中在挖方地段，主要是由于强风刮起的卵石落入挖方地带直接击打了棒式绝缘子。

2014年8月，通过录像观测，兰新二线百里风区和三十里风区的风口地段挡风墙上方形成涡流使附加线在跨中大幅舞动，造成线索在悬挂点处承受的应力过大，正馈线和保护线在悬挂点处铝线散股报废。其原因是对大风造成的附加线舞动和挡风墙处大风产生涡流没有足够重视，片面地认为十三间房试验段取得的实践经验具有完整的代表性。采取的补救措施包括更换附加线、增大附加线张力、将保护线降到挡风墙以下、在跨中将附加线在挡风墙上固定、将正馈线悬挂点通过绝缘子在保护线肩架上固定、将保护线改为悬挂式架设、对连接零件全部改用轴套式连接、增加防舞鞭等，但上述措施的适应性还需要较长时间检验。

2.4 接触网设备平面布置和立面布置方面

2010年10月，十三间房—大步区间10 km试验段锚段关节中心柱处部分定位器及定位管距接触线距离过小，大风时接触线上下跳动，将定位器打出缺口（图2）。在十三间房车站交叉线岔处，由于交叉线岔要求限制管对导线起到限制作用，接触线长期击打限制管，造成限制管损坏。

图2 定位器被打出缺口

2010年10月，十三间房—大步区间因保护线磨损正馈线拉线，保护线的尾线磨损下锚碗头挂板，导致多处保护线铝外包层散股，原因是保护线在支柱顺线路中心下锚与正馈线拉线在空间上产生冲突。现场采取了调整下锚抱箍角度、缠绕预绞丝等临时处理措施。

受支柱容量的限制，强风区的承导线分别在不同支柱上下锚，按以往的施工工艺将关节电连接安装在转换柱与下锚柱之间，由于线面不正，电连接线夹扭面严重，造成散股。

3 强风地区接触网设备选型及优化建议

强风地区接触网设计和施工是在不断摸索中进行改进和总结的，虽然从管理层面出台了一些基本原则规范，但还需要进一步细化。

3.1 从设计方面对接触网设备选型的优化建议

（1）支柱基础。应采用挖孔桩基础，保证路基稳定；采用圆钢管柱保证支柱受力均匀；针对泥岩、湿陷性黄土、砂砾土、盐碱地段，对支柱和基础应采取相应的防塌方、防膨胀或防腐蚀措施。

（2）支持结构。支持结构刚度对结构的稳定性影响很大，提高支持结构的刚度可以获得良好的稳定性能，减免屈曲破坏；应结合国外先进经验，采用经过验证的防风型整体式腕臂结构，可有效应对零部件之间因公差配合、温差变化、应力变化、零件滑动等引发的问题，使其更适应强风区的环境。

（3）下锚装置应采用棘轮补偿装置、铁坠砣、防风型坠砣限制架。

（4）吊弦。在线岔、锚段关节非工作支处可以采用柔性吊弦或开发可调式刚性吊弦，以便于施工和维护；结构高度和跨距对接触网承载能力影响较大，高度和跨距越小，静态稳定性能越好，考虑结构高度和经济性，吊弦数取8个最为适宜。

（5）绝缘子。应尽量采用瓷绝缘子以降低紫外线的影响，但是在挖方地带、污染地段或容易出现闪络的地段，应采用硅橡胶绝缘子；为了增大爬距，防止被短接，绝缘子必须采用大小裙边，对裙边的间距必须提出具体要求。

（6）附加线应全部采用V形悬挂，供电线的等距线夹采用预绞式等距护线条，供电线的连接全部采用肩架和柱式绝缘子固定，并应安装防舞鞭；对向下锚采用偏心下锚固定角钢，避免保护线、正馈线磨损拉线；正馈线的下锚杵环杆过长会造成对锚连线与接地体的空气绝缘距离不足，建议由30型改为12型。

（7）接触网设备。避雷器与隔离开关同底座安装，不宜单独设置引线，以减少电连接故障点，且所有引线宜采用二次加固措施；隔离开关宜采用上下开合式，防止刀闸开合存在问题；强风地区户外操作机构箱及端子箱宜采用双层防寒、防沙箱体，并在箱内安装智能型加热器；接触网终点标、作业标、断合标均宜设在地面，并采取加固措施。

（8）设计阶段时必须考虑现场实际环境，特别是既有线、挡风墙、接触网周围环境的影响因素；必须认真考虑线索交叉处零件间的间隙，包括接触间隙及空气放电间隙；设计时应尽可能避免交叉，必须交叉时需考虑零部件之间的距离，尽可能加大其间距，或采取可靠的防磨措施；电连接线与承力索应进行绑扎，承导线之间不做弹簧圈；应充分考虑大风引起的承力索和接触线跳动或摆动以及对零部件间距离的影响，如全线应采用单重绝缘，承力索交叉处采用固定式悬挂，风区全部采用无交叉线岔防止线岔与导线之间的磨损；将锚段关节内等高点设在跨中，或者改变定位器结构，以加大导线与另一支定位器的垂直距离；水平绳在顺线路方向不采用V形悬挂；强风区范围外一定距离的设备也应纳入风区进行设计，支持结构需验证拉出值与定位器受力的匹配性。

（9）设计细节优化。设计阶段充分征询运营管理单位的意见，提前进行设计方案修订；应尽可能地减少连接件，当不可避免需要采用连接件时，在连接件之间应采取相应预防磨损措施，如增加等电位线、采用轴套式连接、采用耐磨型材料等。

3.2 强风区接触网施工时应注意的问题

应不断总结典型风区电气化铁路的施工和运营经验，特别是在开口销、平垫、弹垫、止动垫安装等方面应严格按照零部件安装以及力矩要求安装到位，防止零部件松脱；承导线及附加线在下锚时需释放旋转应力，防止下锚处线索偏转。

施工单位对零部件的安装及使用效果及时进行总结，并与设计单位沟通。施工前，对细节设计的可实施性进行分析论证，设备招标选型时，对防风方面应根据现有经验提出具体的要求。

建设、施工、监理方应对材料的进场检验严格把关，必须具备准入证明、试验报告、出厂检验报告、厂家按批次送第三方检验的报告、现场见证抽样送检，确认产品合格后才能使用，避免因厂家对产品质量把关不严造成质量隐患。

3.3 对强风区运营维护管理的建议

在运营维护方面，设备管理单位应重点巡察已出现问题的薄弱环节，增加巡检频次，对容易磨损的零部件进行重点检查，并采取更换老旧零件进行试验的方法判断其后续使用周期，为运营可靠性提供依据。运营过程中发现问题，应及时反馈给主管部门和设计单位，以便提高整体施工和设计水平。

3.4 从管理层面需要考虑的问题

新产品的准入必须经过严格的试验和评审才能进入风区铁路线路安装，应制定风区零部件成套试验标准，对零件的稳定性、安全系数、耐磨次数进行明确规定，保证风区接触网设备的使用寿命。

目前，我国关于设计标准在强风区适应性方面的研究起步不久。在整体概算方面，应制定强风区标准的单项定额或补充定额，在项目招标阶段应考虑强风地区必须增加的投资，不能单纯考虑经济性和条公里指标，避免因风力因素引起施工费用增加超过施工单位可承受范围，从而影响施工质量，造成诸多设计隐患长期存在，不利于我国铁路事业的进步。

4 结语

目前，我国沿海城市和“一带一路”地区面临电气化铁路建设的大好机遇，强风地区接触网的设计和运营经验对我国“一带一路”的战略和铁路可持续发展具有非常重要的意义。

我国目前取得的接触网防风技术研究成果，结合了我国风区铁路的实际情况，满足了现阶段的需求。建议针对施工和运营中发现的问题，继续深入研究，及时总结经验，并能够细化到接触网平面图、安装图、产品技术规格书中，基于长期运营进行进一步验证，不断改进、完善，提高并形成一套完整的风区接触网设计、施工、运营标准，以确保强风区接触网安全稳定，也为后续强风地区电气化铁路建设、既有线改造施工提供有力的技术支持。

[1] 张勇，邓斌. 对拉式挡风墙高度和位置对接触网的影响[J]. 机械，2011，38（6）：10-13.

[2] 王玉环，田志军. 区接触网腕臂支持结构方案探讨[J].铁道标准设计，2010（s1）：140-144.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 兰新线及甘青客专接触网施工系列图纸2009-2013[Z].

[4] TJ/GD002-2013 风区200-250 km/h电气化铁路接触网主要装备技术条件（暂行）[S].

[5] 常占宁. 低温大风区高速铁路接触网零部件应用探讨[D].高速铁路接触网零部件安全可靠性技术论文集，2013.

[6] 马佳骏，曹树森，邓斌，等. 大风地区铁路接触网结构的非线性屈曲分析[J]. 机车电传动，2011（2）：25-27.

[7]刘长利. 大风地区电气化铁路接触网防风技术研究[D].西南交通大学，2011.

In recent years, certain achievements have been obtained from design, construction and operation of overhead contact line system of electrified railways in strong wind region in our country, however, some problems and defects are still existed. On the basis of analyzing and classification of causes of the problems and defects, the paper puts forward the proposals particular for their optimization so as to provide reference for design, construction and operation of overhead contact line system in the strong wind region.

Strong wind region; overhead contact line system equipment; type selection; optimization

U227+.3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.013

1007-936X(2018)01-0053-04

2018-01-02

张 建.中铁武汉电气化局集团有限公司，高级工程师。