电气化铁路接触网隔离开关引线长度计算探讨

杨 佳，鲁小兵，陈 可，缪晓宇，杨 承

0 引言

随着电气化铁路的快速发展，为考虑供电的灵活性和可靠性，需设置接触网隔离开关[1]。接触网隔离开关设置于接触网沿线，一端通过软铜绞线和线夹与接触网的承力索及接触线电气连接，另一端在隔离开关的设备线夹或支撑绝缘子处安装固定。目前，对于隔离开关引线（以下简称“引线”）的安装长度，现场一般根据引线两端点间距离、环境温度，结合施工经验适当考虑引线弛度直接确定。该方式施工简捷，但精度较差，未充分考虑温度、覆冰及风速等多种工况下接触网、引线各种线索的长度变化，以及对线索、线夹等安装荷载的影响。随着近年来低温、重覆冰以及大风等极端天气频发，极易出现引线等弛度过大而导致电气绝缘距离不够[2]，或引线张拉过紧而导致引线脱落或线夹断裂等问题，引发接触网停电跳闸，严重时导致列车停运甚至行车安全事故。因此，接触网隔离开关引线长度的确定及安装非常重要，其可靠性、稳定性已成为影响电气化铁路正常运行的关键因素之一。

本文基于电气化铁路接触网服役特性、隔离开关及引线安装特征，结合工程各种环境工况，提出引线长度计算方法、步骤，同时推导各种安装工况下的引线长度计算式，并给出实际工程计算示例。

1 隔离开关引线安装方案

接触网隔离开关安装在线路侧支柱上，用于接触网的供电分段，当某一侧接触网发生故障或因检修需要停电时，可打开该分段处的隔离开关，将该部分接触网断电，而其他部分接触网仍能正常供电，从而提高了接触网运行的可靠性和灵活性。

引线用于隔离开关本体与接触网间的电气连接，从安装位置上来看，一般可分为如下两种情形：（1）引线相对隔离开关远离中心锚结安装，即隔离开关位于引线与中心锚结之间，如图1（a）所示；（2）引线相对隔离开关靠近中心锚结安装，即隔离开关位于引线与下锚之间，如图1（b）所示。

图1 隔离开关引线安装示意

2 隔离开关引线安装工况

接触网隔离开关引线长度的选取主要考虑接触网、引线长度及空间位置变化后引起相应线索电气绝缘间隙、机械荷载等性能变化，因此，在进行引线长度计算时，应结合工程实际情况充分考虑各种极限工况。基于我国电气化铁路接触网工作条件，极限工况应至少包括最低气温、最高温度、最大覆冰、最大风速等4种计算工况[3]，典型工况极限取值见表1。

表1 引线长度计算典型工况

3 隔离开关引线计算

3.1 计算方法及步骤

基于接触网服役特性以及隔离开关、引线安装特征，结合设计图纸及现场测量，经综合研究与分析，得出与接触网相连的隔离开关引线长度的计算方法及步骤：

（1）现场测量或根据设计图纸确定隔离开关引线在隔离开关设备线夹处安装固定点与承力索间的垂直和水平距离。

（2）现场测量或根据设计图纸确定引线与承力索连接固定点距中心锚结装置的距离。

（3）根据承力索的线胀系数，结合温度、覆冰及风速等工况环境条件，确定引线与承力索连接固定点随温度变化的偏移量，以及引线在隔离开关设备线夹处的安装固定点及与承力索连接固定点间的距离。

（4）根据引线的线胀系数，结合引线许用应力或安装允许张力，确定引线在不同工况环境条件的长度。

（5）结合引线在线夹处的安装、固定、绑扎长度，确定引线所需长度。

3.2 简化计算式

结合上述引线计算方法及步骤，为方便现场施工并实现准确性及便捷性，结合图1，其简化计算式推导如下：

（1）现场测量或根据设计图纸确定引线在隔离开关线夹处固定点（A）与其连接承力索上投影点（E）的垂直距离（LAO）以及水平距离（LOE）。

（2）在接触网腕臂和定位器正常位置的温度时，根据设计图纸确定引线与承力索连接固定点（C）与该接触网锚段中心锚结装置间的距离（LZ-C）以及与E点间的距离LEC正。

（3）结合工程环境条件，分别确定在最高温度、最低气温、最大覆冰以及最大风速4种环境工况下引线与承力索连接固定点（C）随温度变化偏移（至B或D）后，与引线在隔离开关线夹固定点（A）间的距离（HAD）。由于接触网导线随温度变化热胀冷缩，并与接触网下锚坠砣位置密切相关，因此，HAD的确定需充分考虑引线与下锚（或中心锚结）间的相互位置关系，结合第1节中引线安装位置，HAD的计算应包含以下两种情况：

a.引线相对隔离开关远离中心锚结安装（即靠近接触网下锚端），详见图1（a）。若温度降低，引线与承力索连接固定点（C）向中心锚结处移动（至B），引线弛度将增加；若温度升高，C点将向下锚端移动（至D），引线弛度将减小。由于引线长度较短，其自身变化量较小，与最大覆冰以及最大风速相比，最高温度显然应属于最不利工况，此时引线安装长度一般可按最高温度工况进行控制，计算式如下：

式中：tmax为最高计算温度，℃；tmin为最低气温，℃；α为承力索线胀系数，1/℃。

b.引线相对隔离开关靠近中心锚结安装（即远离接触网下锚端），详见图1（b）。若温度升高，引线与承力索连接固定点（C）向接触网下锚端移动（至B），引线弛度增加；若温度降低，C点将向接触网下锚端移动（至D），引线弛度减小。结合接触网工程特点，此时引线安装长度一般可按最低气温或最大覆冰工况进行控制。

最低气温时，计算式同式（1）。

最大覆冰时：

式中：tb为最大覆冰时温度，℃。

（4）根据引线的许用应力或安装允许工作张力，分别确定引线在最高温度、最低气温、最大覆冰及最大风速4种环境工况时的线索长度[4]：

式中：g为引线在不同环境工况下的荷载，N；N为引线的许用应力或安装允许工作张力，N。

（5）结合引线两端安装、固定及绑扎等所需长度（L安装绑扎），并考虑施工裕量50mm，最终确定引线的安装长度L：

4 工程计算示例及验证

4.1 工程计算示例

某工程项目环境工况组合如下：最高计算温度80℃（覆冰0mm、风速0m/s）；最低气温−40℃（覆冰0mm、风速0m/s）；最大覆冰20mm（温度−5℃、风速10m/s），最大风速30m/s（覆冰0 mm、温度10℃）。承力索采用铜合金绞线（线胀系数为0.17×10-4）[5]；隔离开关引线采用TJR1-95（外径14.28mm、单位质量0.895kg/m），许用应力23500N，其安装允许工作张力500N。引线相对隔离开关靠近中心锚结安装度。现根据第3节中引线长度计算方法、步骤计算隔离开关引线长度。

（1）现场测量或根据设计图纸确定：LAO=3m，LOE=3.1m。

（2）在腕臂和定位器正常位置时的温度，根据设计图纸确定：LEC正=5.5m，LZ-C=600m。

（3）根据计算式计算线索长度HAD。

工况1：最低气温−40℃（覆冰0mm、风速0 m/s）时，由式（1）可得HAD= 7.48m。

工况2：最大覆冰20mm（温度−5℃，风速10m/s）时，由式（2）可得HAD= 7.19m。

（4）结合引线安装的允许工作张力（500N），根据式（3）计算LAD。

工况1：最低气温−40℃（覆冰0mm、风速0 m/s）时，LAD= 7.49 m。

工况2：在最大覆冰20mm（温度−5℃，风速10m/s）时，LAD= 7.24 m。

综上，引线安装长度在考虑允许工作张力及最低气温（工况1）时为最不利工况，LAD=7.49m。

（5）结合引线两端安装、固定、绑扎等所需长度L安装绑扎=100mm，以及施工裕量50mm，且考虑引线距接地体以及其他线索较远，最终确定该工点的隔离开关引线安装长度L为7640mm。

4.2 工程验证

结合成渝客专提质改造工程，选取最大风速时工况为最不利工况，计算确定出隔离开关引线安装长度的理论值；同时对现场安装的隔离开关引线进行多次测量，并与理论计算值进行对比（表2），可知理论计算值与现场测量数据差距非常小，在工程应用中可忽略不计，验证了本文提出的简化计算式的正确性及实用性。

表2 计算实例计算结果对比 m

5 结论

本文结合接触网服役特性，充分考虑工程多种环境工况，提出接触网隔离开关引线长度计算方法、步骤，并推导出简化计算式，通过工程项目现场测试验证，该方法简单、高效、易用，计算结果精准，避免了事故隐患，可替代传统的经验操作方法，同时也为引线施工工厂化预配提供了理论数据，进一步优化了高质量、精细化设计及施工工艺控制[6]，有利于推进精品工程建设，保障电气化铁路可靠、稳定运行。