400 km/h高速铁路接触网系统研究展望

高仕斌 刘志刚 杨 佳，2

(1.西南交通大学， 成都 610031; 2.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

受电弓-接触网系统的动态特性决定了高速列车能否可靠运行。目前我国已在350 km/h速度级高速铁路接触网系统的设计、施工、运营维护上积累了许多经验，但限于理论规范、试验数据的不足，弓网系统动态性能指标制定方面落后于欧洲国家。当列车速度提升至400 km/h时，接触网系统不仅要面临速度上50 km/h的提升，还要面临空气阻力造成的弓网稳定受流指数的增长。因此，350 km/h速度级高速铁路接触网系统的经验能否直接适用仍是个未知数。

高速铁路线路试验成本高，难度大，仿真分析方法成为了接触网系统研究的主要手段。为引领高速铁路技术的发展，针对400 km/h高速铁路接触网系统的研究，本文提出以下三个研究开展方向：(1)总结350 km/h高速铁路接触网系统技术体系的研究成果与不足；(2)研究适用于400 km/h高速铁路接触网系统的仿真分析手段；(3)结合现有高速铁路检测数据和冲高试验数据，确定相关弓网接触力评价标准。

1 现有高速铁路接触网系统技术体系

400 km/h高速铁路接触网系统研究的首要工作是理清现有350 km/h高速铁路接触网系统技术体系，主要聚焦在接触网振动和波动理论、弓网受流质量及评价体系、接触网系统检测监测手段和高速接触网零部件体系四个方面。

1.1 接触网振动和波动理论

目前接触网波动特性指标主要源于德国西门子公司[1]及欧标EN 50119-2020[2]，是基于数学推导、现场试验和工程经验总结的比较通用的接触网设计指标，包括波动传播速度、反射系数、多普勒系数、放大系数以及固有频率等。该指标在世界范围通用，也是我国接触网设计标准[3-4]的主要参考源。

设定接触网运行速度的主要指标为接触网的波动传播速度，根据运行经验，总结接触网波动传播速度与设计速度的关系如表1所示。

表1 接触网波动传播速度与设计速度的关系表

接触网反射系数用来量化振动波在吊弦等处的反射，反射系数越小，反射波对弓网受流质量的影响越小，通常认为反射系数在0.4左右即可满足要求。多普勒系数是衡量受电弓前方波动放大效应的重要指标，其值应大于0.15。放大系数反映了集中质量点(通常为吊弦点)对振动波的连续反射情况，放大系数应在0.4～2之间。

1.2 弓网受流质量及评价体系

弓网受流质量的重要评价指标为弓网动态接触压力。合适的动态接触压力是确保高速列车平稳运行的前提条件。列车运行速度的提高和环境风的影响会加剧受电弓和接触网之间的振动，从而使接触线和受电弓间的接触压力产生恶化。弓网接触压力可以反映在受电弓与接触线的取流质量上，要使弓网系统保持良好受流，弓网动态接触压力需维持在合适的范围内。

通常用接触压力的统计值做指标来评价弓网受流质量，接触力的常用统计值包括最大值、最小值、平均值以及标准差。国内外主要标准对弓网接触力统计值的相关规定如表2所示。

表2 国内外主要标准中对弓网接触力的规定值表

由表2可知：

(1)国内外标准均规定平均接触力的最大值为 0.000 97v2+70 N。

(2)国内规范对最小平均接触力均无规定，欧标EN 50367-2012[5]规定平均接触力最小值为0.000 47v2+60 N。

(3)国内规范规定接触力最大值为350 N，欧标EN 50119-2020规定接触力最大值为400 N。

(4)国内外规范均规定接触力最小值应大于0，且接触压力统计最小值应满足式(1)的要求：

Fmin=Fm-3σ>0

(1)

式中：Fmin——接触压力统计最小值；

Fm——接触压力平均值；

σ——接触压力标准差。

从统计学角度讲，当接触压力统计最小值为正时，弓网离线的概率将不会超过1%。

1.3 弓网系统检测监测手段

我国采用高速铁路供电安全检测监测系统(6C系统)作为弓网系统检测的监测手段，其中动态检测主要是检测弓网系统的动态性能，包括拉出值、接触线高度、接触压力和燃弧时间等。静态检测主要是检测高速铁路接触网支持装置零部件的状态。

对于评判弓网系统动态性能的拉出值、接触线高度、弓网接触力和燃弧时间4个检测量，铁路部门采用层次分析法确定各项检测评价量的权重系数，计算关于接触网动态性能的综合指标值(Catenary Dynamic Index)[6-7]，用于综合反映和定量评价接触网的动态性能。

目前，基于成像技术的专用接触网检测车(以下统称4C检测系统)已初步应用于高速铁路接触网支持装置零部件的状态检测，但接触网支持装置零部件的复杂性和多样性，给4C检测系统的应用带来了严峻的挑战。

1.4 高速接触网零部件体系

我国350 km/h高速电气化铁路接触网多采用铝合金制腕臂。其具有重量轻、美观、防腐性能好等优点且方便精确预配和安装，同时还具有良好的韧性及延展性，抗疲劳、抗振性能也较优异。

为方便设计、制造、施工和运维，降低系统寿命周期成本，提高系统的安全性、可靠性、可用性和可维护性，我国对接触网系统和装备进行了简统化设计[8]。简统化腕臂结构更加简洁、合理：(1)减少了螺栓数量，方便安装，采用轻型铰接非限位弓形结构定位器，弓网匹配好，提升了安全裕度；(2)采用销轴铰接式与定位底座连接，腕臂支撑、定位管支撑采用实心型材，简化了结构和工艺，提升了可靠性；(3)对整体吊弦、中心锚结、终端锚固线夹、下锚、弹性吊索线夹、电连接装置及线岔的技术条件进行了体系化确立。简统化腕臂结构示意如图1、图2所示。

图1 简统化腕臂结构和定位装置正定位示意图

图2 简统化腕臂结构和定位装置反定位示意图

1.5 高速接触网技术体系不足

10余年来，我国高速铁路建设成果斐然，但仍存在理论体系落后于工程经验的问题，尤其是在标准制定方面，仍以欧标作为参考模板。现有高速铁路接触网系统的短板主要有以下几方面：

(1)双弓-网系统的振动和波动理论尚不成熟。

(2)弓-网系统离线行为及其对受流质量的影响不明晰。

(3)缺乏弓网系统高频参数检测体系化手段。

(4)接触网零部件损伤机理不明确。

(5)现有标准基于欧标，缺乏高速弓网系统动态评估标准。

因此，我国亟需补足350 km/h高速铁路接触网体系的技术短板，建立400 km/h高速铁路接触网理论体系，形成400 m/h高速铁路的中国标准。

2 400 km/h高速铁路接触网系统仿真技术

既有弓网数学模型主要针对350 km/h及以下速度，当列车速度超过350 km/h时，需着重考虑以下因素对弓网动态性能的影响：

(1)受电弓超高速运行时，接触网的振动更加剧烈，接触线、承力索和弹性吊索的几何非线性影响更加显著，数学模型需精确描述其大变形的几何非线性。

(2)传统索单元无法考虑线索的弯曲刚度，超高速运行时，线索的色散效应更加明显，数学模型需精确描述接触网线索的弯曲刚度。

2.1 受电弓-接触网模型

采用ANCF梁单元模拟接触线和承力索发生大变形时的几何非线性和弯曲刚度[9-10]，采用非线性杆单元模拟吊弦工作在不同伸缩状态表现出的不光滑非线性。借鉴土木工程中的结构找形方法计算接触网的初始形态，基于非线性有限元过程求解弓网的动态行为，建立的接触网模型如图3所示。所采用的受电弓模型为常用的三自由度归算参数模型，弓网之间的交互作用采用罚函数方法进行描述，如图4所示。

图3 接触网非线性有限元模型土图

图4 受电弓三自由度归算参数模型图

2.2 受电弓-接触网模型验证

为验证弓网仿真模型的准确性，基于Bruni等人[11]总结的弓网仿真软件计算结果及欧标EN 50318-2018[12]，通过多个仿真算例验证静态找形结果和动态结果的正确性。模型验证结果如表3、表4所示。

表3 静态结果验证表

从表3、表4可以看出，各项静、动态结果均符合标准规定。

表4 动态结果验证表

2.3 400 km/h仿真适应性分析

基于400 km/h接触网系统初步设计结果，建立弓网模型仿真验证速度 400 km/h及速度 440 km/h时的弓网动态特性。接触网参数如表5所示，受电弓选用SSS400+型受电弓。按照EN 50318-2018与TB 10009-2016要求进行数据处理(20 Hz低通滤波)。

表5 接触网参考模型基本参数表

仿真结果全局接触压力统计值如表6所示，锚段关节接触压力统计值如表7所示。

表6 全局接触压力统计值表

表7 锚段关节接触压力统计值表

由表6、表7中可知，在现行数据处理标准下，接触网优化设计方案可满足SSS400+型受电弓400 km/h和440 km/h的单弓运行要求，可满足SSS400+型受电弓400 km/h下的双弓运行要求，表现在：

(1)400 km/h和440 km/h时，全局接触网、锚段关节位置的前弓接触力统计指标值均符合相关要求，但随着运行速度的增加，最大接触力、平均接触力、最小接触力、接触力标准差、定位器最大抬升量均出现显著升高趋势，可能会导致受电弓磨损加剧、拉弧频繁，引发电气安全事故，因此对于400 km/h以上接触网，应考虑纳入辅助评估指标，避免将接触力作为唯一评估标准。

(2)28 kN/36 kN张力方案的理论最大运行速度为411 km/h，与440 km/h的运行速度之间存在矛盾。现行标准规定20 Hz低通滤波仅限定于350 km/h以下的运行状态，对于400 km/h及以上的弓网系统，现行标准所得评估结果的可靠性无法验证。

3 400 km/h接触力评价标准

由上述400 km/h级接触网分析结果可知，采用国内外现行弓网系统评价标准(20 Hz低通滤波)对400 km/h及以上的弓网系统进行评价时，评估结果与经验标准均存在较大差异(极限运行速度>接触网波动速度×0.7)。因此需提出适用于400 km/h的接触力评价标准。

以欧标EN 50318-2018为例，该标准提出的20 Hz滤波阈值特别指出：“滤波范围应包含吊弦间距相关频率和跨距相关频率”。对于350 km/h及以上弓网系统，吊弦相关频率已上升至20 Hz以上范围(如图5所示)。因此，现行数据处理标准不仅无法满足400 km/h及以上弓网系统动态性能评价的需求，还会造成评价结果可靠性的下降。

图5 弓网系统运行速度与截止频率关系图

基于现有标准及相关研究，本文提出3种新型弓网系统动态性能评价标准(如表8所示)，分析不同标准下所得接触力是否满足400 km/h及以上运行要求，探索匹配于400 km/h及以上弓网系统的接触力评价标准。其中，截止间距为标准中20 Hz采样频率下运行速度对应的采用间距。

表8 3种400 km/h弓网系统接触力评价标准方案表

分别采用上述3种方案对仿真结果重新评价，结果如表9所示。

表9 接触压力统计值表

由表9可知：

(1)在方案Ⅰ、方案Ⅱ两种新型评价标准下，接触网设计方案仍可满足400 km/h下的双弓运行要求，表现为前、后弓接触力统计指标均在许可范围内。

(2)在3种新型评价标准下，接触网设计方案可满足440 km/h下的单弓运行要求，表现为前弓接触力统计指标均在许可范围内，但后弓统计值存在负值。

(3)在3种新型评价标准下，接触网设计方案无法满足440 km/h及以上双弓运行要求，表现为前、后弓统计指标存在负值。

(4)采用新型接触力评价标准对弓网系统的极限运行速度进行评估，所得结果与经验标准(接触网波动速度×0.7)接近，具有一定可靠性。

4 结束语

400 km/h高速铁路接触网系统代表全球高速铁路接触网研究的最高水准，是建立成套400 km/h高速铁路理论体系的重要一环，需要把能代表中国最高水平的新材料、新技术、新工艺、新工法、新体系等最新成果展现出来。本文总结了350 km/h高速铁路接触网技术的成果及短板，探讨了仿真手段对400 km/h的适应性并对其评价标准提出了建议。对于400 km/h高速接触网系统，今后还需进一步健全其理论体系，形成400 m/h高速铁路的中国标准，进一步探讨现有弓网仿真方法对400 km/h的适应性，并结合400 km/h运行速度的高速高频特点，进一步研究新的接触力评价标准。