高速鐵路接觸網(wǎng)懸掛形式及其主要技術參數(shù)

第二節(jié)高速鐵路接觸網(wǎng)一、接觸懸掛形式及其主要技術參數(shù)自1964年日本開通世界上第一條高速鐵路至今，世界發(fā)達國家已經(jīng)致力于高速電氣化鐵路的研究和發(fā)展。經(jīng)過30多年的運行、實驗，使高速電氣化鐵路的車速不斷提高，運營速度由220km／h提高到270km／h，正向300km／h進。法國是目前輪軌系列車時速的世界記錄保持者，它于2007年4月4日進行的實驗運行速度達到574．8km／h，在激烈競爭的市場經(jīng)濟條件下，各種交通工具之間為爭奪市場運輸份額，不斷開發(fā)和引進高新技術，而提高鐵路車速將給鐵路參與市場競爭帶來機遇。接觸網(wǎng)結構在機車高速運行情況下，發(fā)生了許多重大變化，需要進行一系列的改革，采取什么樣的懸掛類型來適應高速鐵路，一直是各發(fā)達國家研究的課題。根據(jù)國外高速電氣化鐵路運行經(jīng)驗，高速滑行的受電弓，其抬升力在空氣動力和自身慣性作用下，以列車速度平方的比例大幅度增加，因而使接觸線產(chǎn)生較大的抬升量，當駛過等距支柱甚至在跨距中的等距吊弦時，會周期性激發(fā)接觸線振動，它會使接觸線彎曲應力增加，容易引發(fā)疲勞斷線事故，同時這種振動可沿導線以一定速度傳播，在遇到吊弦線夾和懸掛點時，會將波反射放大引起導線振蕩，這是引起受電弓離線的主要原因，離線產(chǎn)生的電弧會燒傷接觸線使磨耗增加，即電磨耗。當導線彎曲剛度小而張力大時，其波動速度可由下式求出：式中T——接觸線張力（N）；ρ——線密度。為了減少導線抬升量，可提高其張力，減少接觸網(wǎng)彈性不均勻性，同時也提高了接觸線波動傳播速度，不引起導線共振使受電弓取流狀態(tài)更好。接觸懸掛形式是指接觸網(wǎng)的基本結構形式，它反映了接觸網(wǎng)的空間結構和幾何尺寸。不同的懸掛形式，在工程造價、受流性能、安全性能上均有差別，另外，對接觸網(wǎng)的設計、施工和運營維護也有不同的要求。對高速接觸網(wǎng)懸掛形式的要求是：受流性能滿足高速鐵路的運營要求、安全可靠、結構簡單、維修方便、工程造價低。世界上發(fā)展高速鐵路的主要國家如：日本、德國、法國的高速接觸網(wǎng)懸掛形式是在不斷改進中發(fā)展起來的，主要有三種懸掛形式：簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛、復鏈形懸掛。各國對這三種懸掛形式有不同的認識和側重，根據(jù)各自的國情發(fā)展自己的懸掛形式。日本的高速線路如：東海道新干線、山陽新干線、東北新于線、上越新干線均采用復鏈形懸掛，近幾年來，日本高速鐵路又采用了簡單鏈形懸掛；法國的巴黎一里昂的東南線采用彈性鏈形懸掛，巴黎一勒芒／圖爾的大西洋線采用接觸導線帶預留弛度的簡單鏈形懸掛；德國在行車速度低于160km／h的線路采用簡單鏈形懸掛，在160km／h及以上的線路采用彈性鏈形懸掛。下面分別介紹簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛和復鏈形懸掛三種形式的結構和技術性能。1、簡單鏈形懸掛以法國為代表的高速鐵路采用此種類型，在1990年開通的速度為300km／h的大西洋新干線上采用，而且認為該懸掛類型完全可以滿足330—350km／h，簡單鏈形懸掛維修簡單造價低，有多年成熟的運行經(jīng)驗。結構形式如圖2-1所示。圖2-1帶預留馳度的簡單鏈形懸掛性能特點：結構簡單、安全可靠、安裝調整維修方便，適應于高速受流。定位點處彈性小，跨中彈性大，造成受電弓在跨中抬升量大，跨中采用預留弛度，受電弓在跨中的抬升量可降低；定位點處易形成相對硬點，磨耗大。如果選擇結構形式合理、性能優(yōu)良的定位器，則可消除這方面的不足。2、彈性鏈形懸掛德國開發(fā)的高速接觸網(wǎng)普遍采用，并作為德國聯(lián)邦鐵路標準，其主要出發(fā)點是降低接觸網(wǎng)彈性不均勻度，在80年代末修建的曼海姆到斯圖加特高速鐵路（250km／h）上采用，并計劃在柏林至漢諾威、法蘭克福至科隆間（300～400km／h）仍采用。彈性鏈形懸掛比簡單鏈形懸掛彈性好，但造價較高。彈性鏈形懸掛的結構形式圖如圖2-2所示。在結構上，相對于簡單鏈形懸掛在定位點處裝設彈性吊索，主要有兩種形式：“π”形和“Y”形。彈性吊索的材質一般與承力索相同，其線脹系數(shù)與承力索相匹配。性能特點：結構比較簡單，改善了定位點處的彈性，使得定位點處的彈性與跨中的彈性趨于一致，圖2-2彈性鏈形懸掛整個接觸網(wǎng)的彈性均勻，受流性能好。其缺點是彈性吊索調整維修比較復雜，定位點處導線抬升量大，對定位器的安裝坡度要求也較嚴格。3、復鏈形懸掛在1964年10月建成的日本東海道新干線上采用，時速為210km／h，它是用帶彈簧的吊弦合成復鏈形懸掛。日本研究部門認為它適用于多弓受流情況，在今后300km／h高速線路上仍采用。復鏈形懸掛運行性能好，但造價高、設計復雜，施工和維修難度大，復鏈形懸掛結構形式如圖2-3所示。圖2-3復鏈形懸掛在結構上，承力索和接觸導線之間加了一根輔助承力索。性能特點：接觸網(wǎng)的張力大，彈性均勻，安裝調整復雜、抗風能力強。表2-2-1三種懸掛類型的定性比較我國高速鐵路尚在試運行階段，已提速的幾條干線仍采用原來的接觸懸掛類型，目前正在建設的廣深高速鐵路，采用全補償簡單鏈形懸掛，根據(jù)國外經(jīng)驗和我國鐵路路軌現(xiàn)狀，通過科技人員論證，普遍認為采用全補償簡單鏈形懸掛較為合適，特別是在車速不高的情況下，有利于投資少見效快，完全能夠適應200㎞／h車速的要求。二、高速接觸網(wǎng)的主要技術參數(shù)1．導線高度：指接觸導線距鋼軌面的高度。它的確定受多方面的因素制約，如：車輛限界、絕緣距離、車輛和線路振動、施工誤差等。一般地，高速鐵路接觸導線的高度比常規(guī)電氣化鐵路的接觸導線低，這主要因為：①高速鐵路一般無超級超限列車通過，車輛限界為4800nlm；②為了減少列車空氣阻力及空氣動態(tài)力對受電弓的影響，受電弓的底座沉于機車車頂頂面，受電弓的工作高度較小。所以，高速鐵路接觸導線的高度一般在5300mm左右。2．結構高度：指定位點處承力索距接觸導線的距離。它由所確定的最短吊弦長度決定的，吊弦長時，當承力索和導線材質不同時，因溫度變化引起的吊弦斜度小，使錨段內的張力差小，有利于改善弓網(wǎng)受流特性；長吊弦的另一個優(yōu)點是高速行車引起的導線振動時，吊弦彎度小，可以減少疲勞，延長使用壽命。表2-2-2為三種高速懸掛的結構高度。表2-2-2三種高速接觸網(wǎng)懸掛的結構高度法國TGV-A德國Re330日本HC結構高度1.4m1.8m1.5m我國接觸網(wǎng)的結構高度為1.1~1.6m。3．跨距及拉出值：取決于線路曲線半徑、最大風速和經(jīng)濟因素等?？紤]安全因素及對受電弓滑板的磨耗，我國高速鐵路一般在保證跨中導線及定位點在最大風速下均不超過距受電弓中心300mm的條件下，確定跨距長度和拉出值的大小。4．錨段長度：它的確定主要考慮接觸導線和承力索的張力增量不宜超過10％，且張力補償器工作在有效工作范圍內。高速鐵路接觸網(wǎng)的錨段長度與常規(guī)電氣化鐵路基本一樣。5．絕緣距離：參照電氣化鐵路接觸網(wǎng)的絕緣配合標準。6．吊弦分布和間距：吊弦間距指一跨內兩相鄰吊弦之間的距離，吊弦間距對接觸網(wǎng)的受流性能有一定的影響，改變吊弦的間距可以調整接觸網(wǎng)的彈性均勻度，但是，如果吊弦過密，將影響接觸導線的波動速度，而對彈性改善效果不大，所以，確定吊弦間距時，既要考慮改善接觸網(wǎng)的彈性，又要考慮經(jīng)濟因素。吊弦分布有等距分布、對數(shù)分布、正弦分布等幾種形式，為了設計、施工和維護的方便，吊弦分布一般采用最簡單的等距分布。7．接觸導線預留弛度：指在接觸導線安裝時，使接觸導線在跨內保持一定的弛度，以減少受電弓在跨中對接觸導線的抬升量，改善弓網(wǎng)的振動。對高速接觸網(wǎng)，簡單鏈形懸掛設預留弛度，彈性鏈形懸掛一般不設預留弛度。8．錨段關節(jié)：錨段關節(jié)是接觸網(wǎng)的張力的機械轉換關節(jié)，是接觸網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，其設計和安裝質量對受流影響較大，高速接觸網(wǎng)一般采用兩種形式的錨段關節(jié)：①非絕緣錨段關節(jié)采用三跨錨段關節(jié)；②絕緣錨段關節(jié)采用五跨錨段關節(jié)。安裝處理上，盡量縮短接觸導線工作支和非工作支同時接觸受電弓滑板的長度，提高非工作支的坡度。9．接觸導線的張力：提高接觸導線的張力，可以增大波形傳播速度，改善受流性能，同時增加了接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性。導線張力的確定受導線的拉斷力，接觸網(wǎng)的安全系數(shù)等因素影響。10．承力索的張力：受接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性、載流容量、結構高度、支柱容量等因素影響，提高承力索的張力可以增加接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性，但對弓網(wǎng)受流性能影響不大。減少承力索的張力，有利于減少反射系數(shù)，承力索的張力受接觸網(wǎng)的結構高度的限制，也就是在一定的結構高度上，要保持跨內最短吊弦的長度。三、接觸網(wǎng)的主要設備和零部件1、接觸網(wǎng)的線材（1）．接觸導線接觸導線是接觸網(wǎng)中直接與機車受電弓作摩擦運動傳遞電能的線材，它對接觸網(wǎng)——受電弓系統(tǒng)的受流性能的好壞產(chǎn)生至關重要的作用，受流系統(tǒng)的許多性能指標直接由接觸導線決定，如：波動傳播速度、接觸導線的抬升量、接觸導線的磨耗、安全系數(shù)。表2-2-3給出了國外高速接觸導線的比較。高速鐵路對接觸導線的基本要求如下：eq\o\ac(○,1)機械強度高；eq\o\ac(○,2))單位質量盡量??；eq\o\ac(○,3)導電性能好；eq\o\ac(○,4)良好的耐磨及耐腐蝕性能及高溫軟化特性，使用壽命長；eq\o\ac(○,5)摩擦性能與受電弓滑板相匹配。表2-2-3國外高速接觸導線的比較·01gNm隨著運行速度的提高，為了提高抗拉強度，增大波動傳播速度、耐磨性，國外有關國家對高速鐵路的接觸導線都趨向于研制銅合金導線或復合導線。銅合金導線是在銅中加人其他金屬元素，如鎂、銀，采用合金方法制成的。復合導線是用銅與另一種機械強度高的金屬制成的。（2）．承力索承力索是接觸網(wǎng)承載接觸導線，并傳輸電流的線材。承力索的選用應符合下列條件：承力索的線脹系數(shù)與接觸導線相匹配；機械強度高；耐疲勞、耐腐蝕性能好，耐溫特性好；導電率高。國外高速鐵路使用的承力索性能如表2-2-4所示。表2-2-4國外高速鐵路使用的承力索性能表日本法國德國承力索鎘銅絞線BZ65120-BZ張力/KN24.51421我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)的承力索一般采用95mm2和70mm2的銅合金絞線，增加承力索的張力可以增強接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性。（3）．彈性吊索對彈性鏈形懸掛，彈性吊索一般選用截面積為35mn2的青銅絞線，張力為2．8～3．5kN。2、高速鐵路接觸網(wǎng)的支持裝置（1）．支柱：由于高速鐵路接觸網(wǎng)的承力索和接觸導線的張力增大，使作為接觸網(wǎng)支撐的支柱受到較大的負荷，另外，還要考慮到接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性問題。高速鐵路接觸網(wǎng)支柱的選擇，區(qū)間一般采用環(huán)形等徑預應力混凝土支柱；橋上支柱采用熱浸鍍鋅鋼柱；軟橫跨硬橫跨支柱；跨度小時用環(huán)形等徑預應力混凝土支柱，跨度大時選用熱浸鍍鋅鋼柱。（2）．硬橫跨：是用于站場或兩股以上線路的接觸網(wǎng)支持鋼結構，一般用型鋼焊接成梁式結構橫跨于線路上空，用于支持接觸懸掛。這種剛性硬橫跨的特點是，各股道上的接觸網(wǎng)在機械上和電氣上相互獨立。接觸懸掛在硬橫跨上采用吊柱旋轉腕臂的支持結構，其結構特性與區(qū)間中間柱基本相同，組合定位裝置與區(qū)間的接觸懸掛完全相同。硬橫跨的優(yōu)點是，機械上獨立，結構穩(wěn)定，抗風能力強，壽命長，在受流性能上與區(qū)間接觸懸掛相同。法國、英國、日本等國家的高速鐵路接觸網(wǎng)幾乎全部采用硬橫跨。我國的高速鐵路的接觸網(wǎng)也趨向使用剛性硬橫跨。（3）．腕臂支持結構：為了提高接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，高速鐵路接觸網(wǎng)采用剛性腕臂支持結構，由水平腕臂和斜腕臂組成的穩(wěn)定三角形結構，提高了腕臂結構的整體穩(wěn)定性和抗風能力。（4）．組合定位裝置：組合定位裝置包括：定位器、定位管、支持器，定位防風拉線和定位管防風支撐，這部分零部件對接觸導線起定位和支持作用，影響弓網(wǎng)受流性能。在機械結構上它必須滿足接觸導線溫度偏移，保證高速受電弓安全通過及接觸導線抬高等要求。對定位器的要求：eq\o\ac(○,1)構造簡單，安裝方便，不形成接觸懸掛硬點；eq\o\ac(○,2)材質上一般采用鋁合金材料，重量輕，耐腐蝕；eq\o\ac(○,3)具有較高的強度；eq\o\ac(○,4)環(huán)路電阻小，不形成電損壞。3、高速接觸網(wǎng)的終端錨固類零部件終端錨固類零部件包括：承力索終端錨固線夾、接觸導線終端錨固線夾、張力補償器、墜砣等。(1)張力補償裝置張力補償裝置是調整承力索、接觸導線張力，使它們保持恒定的自動裝置，是接觸網(wǎng)的關鍵部件。高速鐵路接觸網(wǎng)一般有兩種方式的自動張力補償裝置：①滑輪組自動補償裝置；②棘輪補償裝置。對張力補償裝置的要求是，傳動效率高，達到97％以上；安全可靠；耐腐蝕性能好，少維修，壽命長，有斷線制動裝置。墜砣采用鐵墜砣。(2)承力索終端錨固線夾和接觸導線終端錨固線夾這兩種零件是接觸網(wǎng)的主要受力部件，是保障接觸網(wǎng)安全的關鍵零件。在結構上，有錐套式螺紋脹緊結構和楔形脹緊式結構兩種。在材質上，整體鋁青銅，緊固件采用不銹鋼。其工作張力，應滿足20～27kN。4、高速接觸網(wǎng)的電連接類零件電連接是保證接觸網(wǎng)各導線之間及各股道之間電流暢通的部件。對它的要求是：電連接線夾與接觸導線或承力索間的接觸電阻小，整體電連接導電性能好。在結構上，連接可靠，重量輕，耐腐蝕。在材質上，用純銅和鋁青銅。5、吊弦及吊弦線夾它是接觸網(wǎng)的懸吊類零件，在接觸網(wǎng)中調節(jié)接觸導線弛度，又可分流，屬于面廣量大的零件。正確選用懸吊類零件將有效地保證接觸網(wǎng)的受流性能，又能減少其維修工作量。在高速接觸網(wǎng)中，一般先經(jīng)過現(xiàn)場測量，再計算出每跨中每根吊弦的長度。在工廠將吊弦線夾和吊弦制成一體后，到現(xiàn)場直接安裝。對吊弦及吊弦線夾的要求為：重量輕，體積小，耐腐蝕，安全可靠。材質上，吊弦采用青銅絞線；吊弦線夾采用鋁青銅。6、高速接觸網(wǎng)的線岔線岔是兩股道接觸網(wǎng)交叉處的裝置，是接觸網(wǎng)上的重要設備，在常速下，一般采用有交叉線岔，運行經(jīng)驗表明它完全能滿足要求，但也存在著問題，交叉線岔硬點不易消除，機車無論從正線進入側線，還是從側線進入正線，在始觸點處受電弓都要接觸兩條接觸線，接觸瞬間由于受電弓抬升力的作用，將要接觸的導線總是比正在滑行的導線低，如圖2-4所示。造成低側導線，會沿受電弓滑板圓弧導角向上移動到接觸板上，這就難免發(fā)生鉆弓和打弓事故，也給現(xiàn)場施工和維修帶來困難。尤其是高速鐵路，這種滑動接觸對接觸線和受電弓危害極大，它直接影響著高速受電弓的運行安全，是高速接觸網(wǎng)設計和安裝中需要特別解決好的環(huán)節(jié)。高速接觸網(wǎng)的線岔應滿足下列要求：(1)滿足正線高速行車，避免鉆弓、打弓。(2)正線進渡線或渡線進正線時，保證受電弓平穩(wěn)過渡。圖2-4始觸點處導線示意圖(3)保證正線高速行車的受流質量，做到離線率低、硬點小，導線抬高量滿足要求。(4)安裝簡單，維修調整方便。高速接觸網(wǎng)線岔一般有交叉式和無交叉式兩種形式，根據(jù)兩種線岔的工作原理，我國的高速接觸網(wǎng)適合采用無交叉式線岔。無交叉線岔平面布置如圖2-5所示。由于道岔處鋼軌沒有超高，所以各自線路中心線與駛入該線的受電弓中心軌跡相重合。從圖上看出，接觸網(wǎng)道岔柱位于導曲線兩內軌軌距666㎜處，正線接觸線拉出值為333㎜，波線拉出值為距正線線路中心999㎜，渡線導線過岔后抬高下錨，在無交叉線岔區(qū)兩導線均有坡度，渡線向下錨方向抬高3‰，正線坡度與渡線坡度相反為1‰（沿波線下錨方向降低）。圖2-5無交叉線叉平面布置圖無交叉線岔應達到以下兩點要求：（1）機車受電弓沿正線高速行駛通過線岔時，不與渡線接觸線接觸，因而不受渡線接觸懸掛的影響。（2）機車從正線駛入渡線時（或從渡線駛入正線），要使受電弓平穩(wěn)過渡，不出現(xiàn)鉆弓和打弓現(xiàn)象，且接觸良好。無交叉線岔工作原理和技術要求當機車沿正線通過時，考慮受電弓最外端尺寸的半寬為673㎜，擺動200㎜，升高后的加寬為100㎜，所以機車受電弓靠渡線側最外端距正線線路中心為：673十200十100＝973㎜而渡線導線距正線線路中心為999㎜，因此受電弓從正線導線上滑過時，不會觸及渡線導線與波線接觸網(wǎng)無關。當機車由正線駛入渡線時，經(jīng)過計算和運行實踐證明，在線間距126～526㎜之間受電弓與渡線接觸線接觸此段為始觸區(qū)，在接觸瞬間，因正線導線坡度與渡線坡度相反（即正線導線低，波線導線高），所以受電弓是逐漸的由低側導線過渡到高側導線，隨著渡線導線坡度的降低使受電弓慢慢脫離正線，形成自然順滑的平穩(wěn)過渡。當機車從渡線駛入正線時，在線間距806～1306㎜之間時接觸正線導線，而此時波線導線是逐漸升高，受電弓在上述適當位置處與正線導線自然接觸，隨著正線導線坡度影響，受電弓慢慢脫離渡線而進入正線。由于線岔區(qū)兩導線有相反坡度的原因，使受電弓避免了在始觸點處出現(xiàn)鉆弓和打弓的危險，因此無交叉線岔工作狀態(tài)明顯優(yōu)于交叉線岔。對無交叉線岔的技術要求是：（1）正線拉出值為333㎜，允許誤差為±20㎜，渡線導線距正線線路中心為999㎜，誤差為±20㎜。（2）在線間距126～526㎜間，為正線進入渡線時的始觸區(qū)。線間距526～806㎜，是正線與渡線導線等高區(qū)。在806～1306㎜為渡線進入正線始觸區(qū)，如圖2—16—4所示。（3）在等高區(qū)內，鐵路旁設立道岔柱，可安裝定位裝置及吊弦等設備，始觸區(qū)內不允許安裝任何懸掛和定位裝置。（4）在線間距126～526㎜間，渡線比正線高H1，在線間距為806～1306㎜間，渡線比正線低H2，H1、H2與道岔型號和機車通過速度有關，需另行確定。（5）為了限制道岔定位點處導線的抬高，在定位裝置上增加了彈性支撐和限位裝置，使定位器的抬升量為100㎜以內。7、高速接觸網(wǎng)的分相裝置我國既有120km／h以下的電氣化鐵道的接觸網(wǎng)