国铁刚性接触网检测数据分析与评价标准探讨

王小兵，张于峰，王 斌，杨志鹏，张文轩，王 婧

0 引言

近年来，在既有铁路电气化改造中的低净空隧道内、新建普速铁路长大隧道内逐渐采用刚性悬挂接触网，满足了运营需求，国铁刚性悬挂接触网已逐渐成为牵引供电系统中的重要设备。现有的接触网静态验收标准、动态验收规范、运行维修规则未对刚性悬挂接触网相关参数进行详细规定。笔者结合国铁刚性悬挂接触网工程实际应用和动态检测数据，从接触网几何参数、接触线平顺性、弓网受流等方面分析国铁刚性悬挂接触网特征，对比柔性悬挂接触网动态检测参数响应特点，对国铁刚性悬挂接触网各参数动态检测评价值的范围进行适用性分析，并提出国铁刚性悬挂接触网动态检测评价标准建议值。

1 国铁刚性悬挂接触网应用现状

刚性悬挂接触网因其占用空间小、结构简单、接触网无张力、无断线隐患、载流性能好、系统防灾抗震能力强、施工维护快捷等诸多经济、技术优点，适用于隧道内安装。国内刚性悬挂接触网应用始于1999年广州地铁一号线[1]，随后在上海、南京、成都、北京、宁波等主要城市地铁线路中均有采用。国铁刚性悬挂接触网于2006年首次应用于兰新线乌鞘岭特长隧道[2]，之后在多条线路的低净空隧道、特长隧道中广泛采用，累计应用里程达330 km，刚性悬挂接触网在我国电气化铁路领域占据越来越重要的地位。

国铁刚性悬挂接触网工程多为特殊情况下的探索性应用，国铁牵引供电系统现有的设计规范、验收标准、运营维修规则中未明确刚性悬挂接触网的相关标准。TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》仅提出，为满足运输的需要运行速度不大于160 km/h的隧道，经技术经济比较合理时可采用刚性悬挂[3]；TG/GD 116—2017《普速铁路接触网运行维修规则》仅规定了采用刚性悬挂时，电力机车（动车组）的运行速度不宜超过120 km/h[4]。

2 国铁刚性悬挂接触网参数特征

与柔性悬挂接触网相比，刚性悬挂接触网具有结构简单、节约空间、载流量大、安装维护简单等优点[5]。国铁正线投入运用的刚性悬挂接触网均采用隧道侧壁腕臂式结构，悬臂结构为铰接[2]，悬挂点具有一定的柔韧性，满足顺线路方向转动和弓网动态取流需求。通过控制吊柱的安装位置、固定铰座的安装高度，调节定位线夹的水平位置以及定位线夹旋转头铜柱体的位置等，可实现对接触线拉出值和高度的控制，如图1所示。主要设备包含定位支持装置、刚柔过渡系统、中心锚结、膨胀关节、分相装置等。

图1 国铁刚性悬挂接触网定位结构示意图

2.1 接触网几何参数特征

2.1.1 接触线拉出值

拉出值的合理布置可使受电弓碳滑板的磨耗趋于均匀，由于刚性悬挂接触网的结构特点，各锚段的汇流排一旦安装完毕，尤其是膨胀接头的膨胀间隙设置完成后，拉出值不能再做调整，否则膨胀接头的间隙将发生变化。因此，刚性悬挂接触网拉出值不存在初调和精调，仅在初安装汇流排时一次调整到位。需重点控制刚柔过渡段、膨胀接头、中心锚结、最大拉出值（正弦波波峰、波谷）设置位置等关键悬挂点拉出值满足设计要求，其他一般悬挂点的拉出值以能满足汇流排平滑过渡为准。

2.1.2 接触线高度

刚性悬挂接触网弹性较弱，高速运行的受电弓与接触线应保持良好的弓网关系，对接触线高度的平顺性要求较高，以减少离线与燃弧的发生。

2.2 接触线平顺性参数特征

2.2.1 硬点

刚性悬挂接触线上无线夹，安装简单，因此刚性悬挂接触网不易产生硬点缺陷，但实际运营中反馈硬点缺陷发生较多，已成为提高刚性悬挂接触网运行速度的关键制约因素。刚性悬挂接触网硬点缺陷多发生在膨胀关节、分段绝缘器等位置，主要原因为安装位置不理想或参数调整不到位。

2.2.2 一跨内高差

设计规定刚性悬挂接触网相邻悬挂点高差不得超过所在跨跨距值的0.5‰，跨距越小跨中弛度越小，国铁刚性悬挂点间距一般不大于8 m，相邻悬挂点高度安装误差可控制在较小范围内。

2.3 弓网受流参数特征

2.3.1 弓网接触力

弓网接触力是反映弓网间动态特性的主要作用参数[6]。弓网接触力过大会造成接触线与受电弓碳滑板间磨耗异常，增加运营成本；弓网接触力过小，导电斑减少，接触电阻增大，接触表面发热严重，增加弓网能耗；当弓网接触力为零时意味着出现弓网离线，将产生电弧。为保证受电弓取流质量，弓网接触力应保证在一定范围内，国铁电力机车或动车组受电弓静态接触力一般为(70±10) N，动态作用下弓网接触力的波动与速度关系较密切，随着速度的提高，弓网接触力波动不断加剧[7]。

2.3.2 燃弧

大量关于地铁刚性悬挂接触网运用情况分析的文献表明，刚性悬挂接触网更容易产生弓网间燃弧，但关于国铁刚性悬挂接触网弓网间燃弧的研究或分析较少。受电弓与接触线相互滑动运行时，包含了多种机械运动和电气变化的过程[8]，受电弓通过适当的抬升力与接触线互相耦合，随着列车速度的提高和振动的加剧，刚性悬挂弹性较差的缺点使得弓网耦合状态不良，继而在受电弓滑板与接触线之间产生电弧以维持电流的存在。

3 接触网参数特征响应对比分析

刚性悬挂与柔性悬挂接触网参数特征有较大差别，选取典型长大隧道刚性悬挂接触网最近5年的检测数据与同线路柔性悬挂接触网检测数据进行统计对比，分析两种不同类型接触网动态检测时的参数特征响应。检测数据来源于按线路实际运行速度运行的接触网检测车（检测车受电弓升弓不受流），检测数据按接触网跨进行各参数的核密度统计分析，两种类型接触网统计跨数基本相同。

两种不同类型接触网动态检测跨内平均速度的核密度统计如图2所示。可以看出，两者检测速度的分布区间及核密度曲线的极值位置基本一致，即能够利用所选的动态检测数据在速度基本一致时对两种不同类型接触网的动态响应特性进行对比分析。

图2 跨内平均速度核密度

3.1 接触网几何参数特征响应

接触网几何参数特征响应对比如图3所示。

图3 接触网几何参数特征响应对比

柔性悬挂接触网拉出值设计呈之字形布置（设计最大值400 mm），跨内拉出值最大值动态检测数据主要分布在100～400 mm，跨内最大动态拉出值达500 mm，跨内接触线高度最值（最大值和最小值去均值化）动态检测数据分布范围较大，动态最值偏离设计标准值较多，主要分布在0～50 mm，随着速度的提高分布范围更大，最大值达200 mm；刚性悬挂接触网拉出值设计呈正弦波布置（设计最大值200 mm），跨内拉出值最大值动态检测数据统计分布范围较为集中，分布在0～210 mm，跨内接触线高度最值（最大值和最小值去均值化）动态检测数据分布范围也较为集中，分布在0～20 mm，且不受速度影响。

3.2 接触线平顺性参数特征响应

接触网平顺性参数特性响应对比如图4所示。对于柔性悬挂和刚性悬挂，接触网硬点值具有相同的分布区间，主要分布在0～20g，均随着速度的提高分布范围增大，相同速度等级下刚性悬挂硬点值略比柔性悬挂硬点值分布离散；柔性悬挂接触网一跨内高差动态检测值主要分布在0～100 mm，随着速度的提高一跨内高差离散值增多，刚性悬挂接触网一跨内高差动态检测值集中分布在0～20 mm，受速度影响较小。

图4 接触网平顺性参数特性响应对比

3.3 弓网受流参数特征响应

弓网受流参数特征响应对比如图5所示。柔性悬挂接触网和刚性悬挂接触网具有相似的弓网接触力响应特征，弓网接触力最大值主要分布在80～160 N，最小值主要分布在40～100 N，随着速度的提高弓网接触力增大且离散值增多；刚性悬挂接触网弓网接触力标准差主要分布在0～30 N，柔性悬挂接触网弓网接触力标准差主要分布在10～20 N；两种类型接触网的弓网接触力标准差均随着速度的提高而增大。

图5 弓网受流参数检测数据对比

普速铁路接触网检测车受电弓升弓不受流，检测数据不能准确分析燃弧参数特征响应，选取同条件下综合检测列车在某隧道刚性悬挂接触网连续5年的检测数据对燃弧参数特征进行分析。统计数据显示，该刚性悬挂接触网除膨胀关节、分段绝缘器等特殊位置外，其他区段未出现明显的燃弧特征。

4 刚性悬挂接触网动态检测评价标准探讨

目前，国铁刚性悬挂接触网均为长大线路中的局部应用，为适应柔性悬挂接触网参数特征要求，在有刚性悬挂接触网应用的线路中运行的电力机车或动车组受电弓弓头外形轮廓、静态压力等参数仍然按适应柔性悬挂接触网性能配置。

4.1 接触网几何参数评价

基于受电弓的外形轮廓、柔性悬挂接触网的参数特征，普速铁路接触网动态检测评价标准针对柔性悬挂接触网拉出值和接触线高度分别制定了一级、二级缺陷范围值。国铁刚性悬挂接触网设计最大拉出值为200 mm，远小于受电弓外形轮廓对接触线拉出值的安全限值要求，刚性悬挂接触网高度安装误差易于控制。结合以上对接触网几何参数特征响应的对比分析，建议国铁刚性悬挂接触网动态检测不对接触线拉出值做限值缺陷评价，接触线高度按超出设计标准值±20 mm做限值缺陷评价。

4.2 接触线平顺性参数评价

刚性悬挂接触网跨距一般不大于8 m，接触线安装高度容易控制，无较大弛度和抬升量变化，一跨内高差特征响应主要分布在0～20 mm，受速度影响较小，检测数据受检测系统误差影响较大，因此建议刚性悬挂接触网动态检测不对一跨内接触线高差做限值缺陷评价。

接触网硬点的限值评价目的主要是为保护受电弓和接触网设备运行的安全，国铁刚性悬挂接触网与柔性悬挂接触网采用了相同的受电弓，且硬点参数特性响应相似，因此建议刚性悬挂接触网硬点评价标准与柔性悬挂接触网动态检测评价标准保持一致。

4.3 弓网受流参数评价

弓网接触力的大小主要与接触网性能、受电弓静态抬升力和列车运行速度相关，根据图4所示的弓网接触力特征响应对比结果，刚性悬挂接触网和柔性悬挂接触网具有相似的弓网接触力特性响应和接触力值分布范围。刚性悬挂接触网弓网接触力标准差较大，这主要与刚性悬挂接触网弹性弱的特性相关，高速运行时弓网间振动较大。弓网接触力主要影响接触线和滑板的磨耗，但刚性悬挂接触线无张力，可以承受更大的磨耗量。目前运营的线路中，刚性悬挂接触网在线路中的占比较小，刚性悬挂接触网不是影响受电弓滑板磨耗的主要因素。

国铁刚性悬挂接触网燃弧参数特征响应不明显，不如地铁刚性悬挂接触网燃弧剧烈，主要由于以下几方面原因：国铁刚性接触网采用侧壁腕臂式安装方式，较地铁垂直吊架安装方式具有更好的柔韧性，具备一定量均匀分布的弹性；国铁牵引供电电压为交流25 kV，地铁牵引电压一般为直流1.5 kV，因此国铁机车或动车组牵引电流较地铁车辆小很多；国铁机车或动车组运行速度高，配置了较地铁车辆性能更优的受电弓，具有更好的弓网跟随性，且运行速度相对均匀，不存在频繁加速减速情况。

基于以上弓网受流参数特征响应对比及分析，建议刚性悬挂接触网弓网接触力、燃弧以及接触网电压参数动态检测评价标准保持与柔性悬挂接触网评价标准一致。

4.4 建议评价标准

根据以上对刚性悬挂接触网参数特性分析、刚性悬挂与柔性悬挂接触网参数特征响应对比分析以及各参数评价标准的适用性分析，参照《普速铁路接触网运行维修规则》中动态检测评价标准的划分方法[4]，提出160 km/h及以下速度国铁刚性悬挂接触网动态检测建议评价标准，如表1所示。

表1 国铁刚性悬挂接触网动态检测建议评价标准

5 结语

本文根据工程应用实际探讨提出了国铁刚性悬挂接触网动态检测评价标准建议值。目前国铁刚性悬挂接触网的总体占有比例偏小，相关的科学研究相对较少，运营维护经验有限，掌握的检测分析数据存在一定的局限性，编制并形成系统的评价标准体系还需要进行大量的试验研究，并不断总结相关规律，为刚性悬挂接触网的设计、施工和运维提供支撑。