強風地區高速鐵路接觸線預坡度探討

李會杰

0 引言

目前，國內正在進行大規模鐵路建設，到2012年全國鐵路營業里程將達到11 萬公里，電化率達到50%以上。這些鐵路建設項目許多位于大風區或者強風區。特別是新疆地區南疆線、蘭新線嘉烏段等，分布有前百里風區、百里風區、三十里風區等，風區長度超過了500 km。在這些風區內，大風頻繁、風力強勁而且變化劇烈，個別地區如百里風區最大瞬時風速超過了60 m/s。大風破壞鐵路設施、吹翻列車等事故時有發生，對鐵路運輸造成了重大損失。接觸網作為向機車供電的設施，因其無備用性，故障停電將中斷行車，牽扯面廣，因此是整個供電系統最薄弱環節。目前，國內在強風對接觸網影響方面研究已經開始。筆者認為，弓網受流作為接觸網3 項主要研究內容之一，應成為強風對接觸網影響研究的主要組成部分。本文分析了側向強風引起接觸線高度變化后對弓網受流的影響，提出了接觸線設置預坡度建議，以期為強風地區接觸網設計提供相關參考。

1 強風對接觸線高度的影響

1.1 接觸網正反定位簡述

為避免與接觸線滑動摩擦的受電弓滑板不均勻磨耗，并保證在曲線及風力作用下，接觸線與受電弓連續接觸，接觸線沿著線路向兩側偏移，如圖1 所示。由此形成線路同一側立柱時，接觸網腕臂柱出現正定位及反定位2 種方式，其示意圖略。

正常情況下，為滿足弓網受流要求，正定位和反定位的懸掛點處接觸線高度相同。

圖1 接觸網相對線路位置圖

1.2 強風假設條件

本文在描述強風特征時，作如下簡化定義：

（1）風向垂直線路，正定位處具有向上抬升定位線夾趨勢，且正、反定位處風向相同。

（2）風速穩定，不考慮脈動風影響，上吹角為θ。

1.3 正反定位裝置無風影響分析

無論正定位裝置還是反定位裝置，在無側向風吹情況下，均處于靜止狀態。此時受力如圖2 所示，定位器受向下的重力G、接觸線施加的抬升力T1及水平力T2作用。在3 個力作用下，定位器以定位支座為軸保持力矩平衡，如式（1）：

圖2 定位器受力示意圖

1.4 正定位裝置受側向風影響分析

當側向風吹時，正定位裝置受力狀態見圖3。

式（2）中，G、L、T2、h、l1為定值，而v、T1為變量。

若T1= 0，式（2）變化為

此時風速

圖3 側向風吹正定位裝置受力示意圖

若風速v＞v1時，則定位器開始以定位支座為軸逆時針旋轉抬升，直至另一個平衡點。此時T1豎直向下，接觸線對其施加的抬升力改為向下拉力。設定位線夾處抬升量為Δl11，則可得式（5）。

1.5 反定位裝置受側向風影響分析

當側向風吹時，反定位裝置受力狀態見圖4。與正定位裝置不同，即使存在較小的側向風，反定位裝置的力矩平衡狀態也會被打破，產生以定位支座為軸，向下的旋轉，直至達到新的平衡裝置。設定位線夾向下移動量為 Δl12，此時平衡狀態方程見式（6）。

圖4 側向風吹反定位裝置受力示意圖

1.6 受側向風后接觸線狀態

由圖5 可知，在側向風作用下，正、反定位裝置呈相向運動狀態。設接觸網跨距為K，接觸線工作張力為T，則可得式（7）。

圖5 側向風吹接觸線整體狀態示意圖

當v≤v1時，Δl11= 0，由式（2）、式（6）、式（7）聯立可得Δl12；當v＞v1時，由式（5）、式（6）、式（7）聯立可得Δl11、Δl12。進而可得接觸線坡度：

本文以此模型，利用Samcef Field V6.1 計算了接觸網組合JTMH120 + CTS150、工作張力23.5 kN+ 25 kN、結構高度1 400 mm、跨距50 m 時不同風速情況下的正、反定位裝置抬升量。結果見表1。

表1 不同風速情況下正反定位裝置抬升量表

2 接觸線預坡度

EN50119 規定了不同速度的接觸線允許坡度，其中時速160 km 為3.3‰、時速200 km 為2‰、時速250 km 為1‰、時速大于250 km 為0。可見，減少坡度能提高受電弓沿接觸線滑行速度，改善弓網受流質量。因此，設計中應盡可能降低接觸線坡度。

綜上可知，在側向風吹情況下，接觸線會產生一定坡度，惡化了弓網受流質量。筆者針對該情況，提出了接觸線“預坡度”概念（見圖6），具體方法為正定位接觸線夾設在位置，反定位設在位置，此時接觸線坡度由式（8）得

由此可知預坡度為原側向風吹坡度1/2，但方向相反。

在設預坡度且側向風吹時，正、反定位處接觸線開始相向運動，大約分別在位置達到靜止狀態，此時接觸線坡度由式（7）得

圖6 接觸線預坡度示意圖

由此產生的坡度接觸線因側向強風而產生的坡度減少了1/2。無風狀態下，分別設置在距接觸線靜止高度為側向風吹時抬升（下降）量1/2 位置，但方向與側向風吹時運行方向相反。由此產生了接觸線在無風靜止狀態下的坡度，即預坡度，見圖6接觸線預坡度靜止位置。當側向風吹時，正、反定位裝置處接觸線開始相向運動，大約距側向風吹接觸線抬升（下降）量1/2 位置達到平衡狀態，見圖6 接觸線預坡度風偏位置。

3 弓網仿真驗證

為驗證設置預坡度后的弓網受流質量，本文進行了相應的弓網仿真驗證。

3.1 邊界條件

接觸網懸掛類型：全補償簡單鏈形懸掛；

承力索、接觸線規格及工作張力：JTMH120 +CTS150（23.5 kN + 25 kN）；

結構高度：1 400 mm；

跨距：50 m；

接觸線高度：

a.設置預坡度前，正定位5 300 mm + 107 mm，反定位5 300 mm - 3 mm，接觸線坡度2.2‰；

b.設置預坡度后，正定位5 300 mm - 53.5 mm，反定位5 300 mm + 1.5 mm，接觸線坡度1.1‰；

受電弓：采用DSA350 受電弓，雙弓弓間距200 m；

仿真速度：350 km/h。

3.2 仿真結果

由表2 可知，設置預坡度后，無論前弓還是后弓，接觸壓力標準偏差、最大接觸壓力及抬升量明顯降低。顯然，設置預坡度對改善弓網受流質量有明顯作用。

表2 接觸線設置預坡度前后弓網受流匯總表

4 建議

（1）時速較低時，由于接觸線坡度對弓網受流影響非常低，可不考慮設置接觸線預坡度。時速較高如250 km 及以上時，接觸線坡度對弓網受流影響較大，建議設置預坡度以降低側向風對弓網受流影響。

（2）設置預坡度僅能將因側向風引起的接觸線坡度降低1/2，并不能最終消除該坡度。根據EN50119 規定，時速350 km 時接觸線坡度要求為0。顯然設置預坡度后仍無法滿足弓網受流要求（表2 數據可證明），但可以改善弓網受流質量。針對我國設計時速350 km 多條鐵路穿越大風區情況，建議根據實際情況確定大風區接觸網設計標準及弓網受流標準，比如將接觸線允許坡度確定為1‰，適當提高允許離線率等。

（3）除設置預坡度外，由式（2）、式（6）、式（7）、式（8）可知，采取增大接觸線工作張力、設置擋風墻而減小風速、容量及風偏滿足要求時盡可能增大跨距等方案，可減小因側向風引起的接觸線坡度。