高速接觸網(wǎng)設計概述

高速接觸網(wǎng)設計概述2013年01月（主講人：吳鐵民）目錄一、高速接觸網(wǎng)的設計理念1．接觸網(wǎng)設計的安全性及可靠性2.接觸線的設計使用壽命3.接觸線的波動傳播速度4．接觸網(wǎng)的彈性及其不均勻度5.與高速接觸網(wǎng)相匹配的受電弓二、高速接觸網(wǎng)的相關(guān)設計標準1.弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準2.對高速接觸網(wǎng)的基本要求3.對受電弓的基本要求4.接觸線安全系數(shù)標準三、高速接觸網(wǎng)的設計方案1.接觸網(wǎng)懸掛方式2.接觸線的選擇3.導線高度4.結(jié)構(gòu)高度5.吊弦結(jié)構(gòu)形式6.腕臂結(jié)構(gòu)形式7.定位器設計思路8.張力補償裝置9.錨段關(guān)節(jié)形式10.線岔形式11.支柱形式12.基礎(chǔ)形式13.接觸網(wǎng)接地方式14.電分相設計四、高速接觸網(wǎng)的施工誤差五、高速接觸網(wǎng)的架線工藝第一部分高速接觸網(wǎng)的設計理念1.接觸網(wǎng)設計的安全性及可靠性高速鐵路由于列車運行高，列車制動距離長，一旦發(fā)生弓網(wǎng)事故，除了對受電弓產(chǎn)生毀滅性破壞結(jié)果外，同時將造成大面積的接觸網(wǎng)損壞。因此，應將高速接觸網(wǎng)設計的安全性放在第一位，尤其要處理好接觸網(wǎng)線岔及錨段關(guān)節(jié)處的設計方案，以杜絕弓網(wǎng)事故。另一方面，高速鐵路由于行車密度大（列車追蹤間隔3～4min），一般不設圖定維修天窗，而僅在夜間設有4～6個小時的固定維修天窗。因此，對接觸網(wǎng)的可靠性（特別是接觸網(wǎng)零部件）提出了更高的設計要求。2.接觸線的設計使用壽命對于高速弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸力較常速弓網(wǎng)受流系統(tǒng)有顯著的提高，離線率也將有所提高。因此，弓網(wǎng)間無論是機械磨耗還是電氣磨耗，較常速弓網(wǎng)受流系統(tǒng)都將加劇。為此，必須對接觸線的設計使用壽命提出明確要求，以便采取相應的設計措施予以保證。接觸線的設計使用壽命系按弓架次計算。參照國外設計理念，接觸線的設計使用壽命應在250萬弓架次以上，相當于平均每天170對車雙弓運行20年以上。為此，需要采用耐磨性能好的銅合金線。3.接觸線的波動傳播速度為了實現(xiàn)高速運行，接觸線應具有與列車最高運行速度相適應的波動傳播速度。根據(jù)國外高速鐵路接觸網(wǎng)運營經(jīng)驗，列車最高運行速度與接觸線的波動傳播速之比宜控制在0.7以下，否則將出現(xiàn)難以接受的燃弧率或離線率，燒損接觸網(wǎng)（特別是接觸線和吊弦）及受電弓滑板，進而縮短接觸網(wǎng)及受電弓滑板的使用，甚至引發(fā)接觸網(wǎng)斷線事故。為此，在接觸線截面確定的情況下，應盡量提高接觸線的張力，這就要求采用具有高抗拉強度的接觸導線。接觸線波動傳播速度（km/h）：式中：T----接觸線的張力（N）P----接觸線的線密度（kg/m）4.接觸網(wǎng)的彈性及其不均勻度隨著運營速度的提高，弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸壓力及接觸線的動態(tài)抬升量也將隨之加大。為了確保列車運行安全和延長接觸網(wǎng)的使用壽命，應將接觸線的動態(tài)抬升量限制在合理的范圍之內(nèi)。為此，要求接觸網(wǎng)應具有較小的彈性，而降低接觸網(wǎng)彈性最有效的途徑就是提高接觸網(wǎng)的張力。如果接觸網(wǎng)的彈性不均勻度太大，將導致接觸線和受電弓的運動軌跡不平緩，進而使得接觸線振動幅度加大，接觸線會因彎曲疲勞而縮短使用壽命。因此，應將接觸網(wǎng)彈性不均勻度限制在較小的范圍之內(nèi)，在接觸網(wǎng)懸掛方式確定的情況下，提高接觸網(wǎng)張力仍是降低彈性不均勻度最有效途徑。5.與高速接觸網(wǎng)相匹配的受電弓接觸網(wǎng)與受電弓是一個相互間共同作用而不可分割的動態(tài)受流系統(tǒng)。要想取得滿意的弓網(wǎng)受流質(zhì)量、實現(xiàn)高速運營的目標，不但要求接觸網(wǎng)應具有優(yōu)越的性能，而且還應要求與之匹配的受電弓也應具有優(yōu)越的性能。接觸網(wǎng)可按不同的速度目標值形成一系列的標準設計，受電弓也可按相應的速度目標值形成系列產(chǎn)品，如德國的標準接觸網(wǎng)有Re160、Re200、Re250、Re330系列，受電弓產(chǎn)品有DSA200、DSA250、DSA350、DSA380系列。弓網(wǎng)受流質(zhì)量優(yōu)劣與否，可通過計算機仿真模擬的手段或通過實際測試的方法，按相關(guān)標準對其結(jié)果進行評價。第二部分高速接觸網(wǎng)的相關(guān)設計標準1.弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準由于目前我國尚無高速運營經(jīng)驗，因此<<客運專線或高速鐵路設計暫行規(guī)定>>關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準引用了歐洲TSI標準（歐洲高速鐵路關(guān)于能量子系統(tǒng)共用技術(shù)規(guī)范），具體如下：1.弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準平均接觸力。從圖可知：當最高運行速度分別為200km/h、250km/h、300km/h和350km/h時，平均接觸力分別為109N、131N、157N和189N。接觸力最大標準偏差。該標準規(guī)定接觸力最大標準偏差為平均接觸力的30%。當最高運行速度分別為200km/h、250km/h、300km/h和350km/h時，對應的接觸力最大標準偏差分別為33N、39N、47N和57N。最高運行速度下的燃弧率。該標準規(guī)定為0.14%。定位器允許抬升量與實際最大抬升量之比值。該標準規(guī)定為2倍，亦即定位器允許上抬空間是正常情況下接觸線抬高量的2倍，以保證受電弓通過定位器點的安全。1.弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準當對弓網(wǎng)間動態(tài)受流質(zhì)量進行評價時，如果受測量手段限制，對接觸力（或標準偏差）和燃弧率只需評價其中的一個項目即可。例如，德國僅測接觸力，法國則僅測燃弧率。對于燃弧率的測定方法，TSI標準中有明確的規(guī)定。對于燃弧率標準的直觀判據(jù)，EN50119標準（關(guān)于鐵路應用—固定安裝—電力牽引接觸網(wǎng)）規(guī)定：如果每100m接觸網(wǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)時間大于10ms（且最大為25ms）的可見電弧不大于一次，則視為弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好。關(guān)于定位器允許抬升量與實際最大抬升量之比值，EN50119標準規(guī)定：如果定位器帶限位功能，該比值應不小于1.5倍。1.弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價標準不限位定位器工作原理限位定位器工作原理2.對高速接觸網(wǎng)的基本要求

UIC794標準（關(guān)于歐洲高速鐵路網(wǎng)弓網(wǎng)間相互作用，1996年版）對高速接觸網(wǎng)的基本要求如下：3.對受電弓的基本要求TSI標準對受電弓的基本要求如下：1600mm受電弓外形輪廓1950mm受電弓外形輪廓3.對受電弓的基本要求關(guān)于受電弓弓頭寬度。歐洲國家受電弓弓頭寬度類型較多，主要有1450mm、1600mm、1950mm三種，對于跨國運行列車，往往一列車上裝備有2～3種不同弓寬的受電弓。為此，歐洲鐵路聯(lián)盟規(guī)定：對于新建高速鐵路，接觸網(wǎng)按能滿足1600mm弓寬受電弓運行進行設計。我國既有電氣化鐵路機車受電弓弓頭寬度一般為1950～2160mm，因此，我國客貨共線或客運專線鐵路將統(tǒng)一配備1950mm弓寬受電弓。關(guān)于受電弓弓頭最大電氣寬度。弓頭最大電氣寬度系指一架受電弓兩條滑板之間的平行距離，主要是為了保證受電弓通過器件式電分相時不至于引起異相短路。如下圖所示，要求d>l。4.接觸線安全系數(shù)標準

EN50119標準關(guān)于接觸線允許工作應力的規(guī)定如下：接觸線的允許工作應力應不超過其最小拉應力的65%，并考慮接觸線允許工作溫度、允許磨耗面積、冰風荷載、補償效率、終錨零件、接觸線焊接情況等不利因素引起的折減系數(shù)。按照國內(nèi)傳統(tǒng)的概念，安全系數(shù)可以理解為線材的最小拉應力與其實際工作應力之比值。以德國、法國、西班牙的三條典型高速線為例，接觸線的安全系數(shù)如下表：第三部分高速接觸網(wǎng)的設計方案1．接觸網(wǎng)懸掛方式高速接觸網(wǎng)懸掛方式主要有三種，即復鏈、簡鏈、彈鏈。國外經(jīng)驗表明，三種懸掛方式均能滿足時速300km/h以上高速運營要求。承力索輔助承力索接觸線復鏈簡鏈承力索接觸線彈鏈彈性吊索承力索接觸線1．接觸網(wǎng)懸掛方式復鏈型懸掛（主要代表國家為日本）的性能最為優(yōu)越，接觸網(wǎng)彈性最為均勻，接觸線的動態(tài)抬升量也最小，最適合于高速運行。但因增加了一根輔助承力索，結(jié)構(gòu)較變得復雜，施工及運營維護不方便，事故搶修難度大。彈性鏈形懸掛（主要代表國家為德國）因在懸掛點處增加了一根彈性吊索，可改善接觸網(wǎng)的彈性不均勻性，但接觸線動態(tài)抬升量較大，導線容易產(chǎn)生疲勞，且彈性吊索安裝、調(diào)整工作量大，事故搶修難度也較大。簡單鏈型懸掛（主要代表國家為法國）彈性不均勻度較大，動態(tài)接觸力標準偏差較彈鏈和復鏈大，但能夠滿足高速弓網(wǎng)受流要求，接觸網(wǎng)可達到預期的使用壽命（250萬弓架次以上），且國內(nèi)具有豐富的設計、施工及運營經(jīng)驗，更適合于我國國情。

因此，我國客運專線接觸網(wǎng)擬采用簡單鏈型懸掛。2．接觸線的選擇

國外時速300km/h及以上接觸線的應用情況2．接觸線的選擇從國外高速客運專線接觸線的使用情況來看，主要以銅錫和銅鎂合金線為主。銅錫和銅鎂線均能滿足高速鐵路高抗拉強度的要求，在導電性方面，0.2%含量的上述合金線有80%左右的導電率，而0.5%含量的上述合金線則只有60%左右的導電率，且硬度較高，對施工要求也較高。另外，銅錫接觸線的生產(chǎn)工藝相對簡單，成品率高，易于實現(xiàn)國產(chǎn)化，目前國內(nèi)已有2家合資工廠能夠生產(chǎn)銅錫接觸線；而銅鎂接觸線生產(chǎn)工藝復雜，成品率低，制造成本比銅錫接觸線要高50%以上，國產(chǎn)化難度較大。我國客運專線將以采用銅錫合金接觸線為主。3．導線高度在滿足建筑限界的情況下，接觸線的懸掛高度應盡量低，以減小空氣動力對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響。國外高速鐵路接觸線高度如下：日本：5000mm法國：5080mm德國：5300mm我國客運專線車輛建筑限界高度為4800mm，綜合考慮絕緣距離、導線弛度、施工誤差等因素，客運專線接觸線懸掛點高度定為5300mm，最低點高度為5150mm。4．結(jié)構(gòu)高度

結(jié)構(gòu)高度大小主要取決于允許的最短吊弦長度。對于兩端都有吊弦線夾的整體式吊弦來說，吊弦長度越短，其呈現(xiàn)的剛度越大，對弓網(wǎng)受流越不利。根據(jù)國外經(jīng)驗，對于高速而言，最短吊弦長度不宜小于800mm，與之對應的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度不宜小于1400mm。國外高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度如下：法國：1400mm（簡鏈）德國：1600mm或1800mm（彈鏈）日本：950mm（簡鏈）或1500mm（復鏈）

注：日本接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度較小，主要是其采用了承力索端無吊弦線夾的絕緣式吊弦，吊弦的卸載機理與整體式吊弦有所區(qū)別。5．吊弦結(jié)構(gòu)形式吊弦結(jié)構(gòu)形式大體可分為以下三類：無雞心環(huán)式整體吊弦。該種吊弦兩端均采用壓接工藝，雖然具有一定的載流能力，但運營實踐表明，壓接處容易出現(xiàn)疲勞斷裂。國外（如法國）以及國內(nèi)早期電氣化線路有應用（如廣深、京鄭），目前國外高速線以及國內(nèi)線路已基本不用。帶雞心環(huán)式整體吊弦?？煽朔o雞心環(huán)式整體吊弦壓接處易斷裂的缺點，同時載流能力強、吊弦不易被燒損。目前，國內(nèi)外大多采用該種吊弦。絕緣吊弦。該種吊弦主要是日本采用，由于其卸載機理不同于其它吊弦，故接觸網(wǎng)需要的結(jié)構(gòu)高度較小。5．吊弦結(jié)構(gòu)形式6．腕臂結(jié)構(gòu)形式法國：套管絞環(huán)+鉤頭鞍子形式6．腕臂結(jié)構(gòu)形式德國：不可調(diào)承力索座形式6．腕臂結(jié)構(gòu)形式日本：可調(diào)承力索座形式6．腕臂結(jié)構(gòu)形式意大利：可調(diào)承力索座形式7．定位裝置設計思路歐洲標準EN50119規(guī)定：當定位器不帶限位功能時，其自由抬升空間至少應為接觸線實際抬升量或模擬抬升量的2倍；當帶限位功能時，定位器自由抬升空間至少應為接觸線實際抬升量或模擬抬升量的1.5倍。歐洲標準prEN50367規(guī)定：受電弓動態(tài)包絡線的上抬量為接觸線實際抬升量或模擬抬升量的2倍。受電弓動態(tài)包絡線的左右擺動量與線路、軌道、機車等的性能有關(guān)，實測值較難確定，一般根