國產接觸網在白俄羅斯電氣化鐵路中的應用

張 令

0 引言

近年來，隨著一大批時速350 km 客運專線相繼投入運營，中國鐵路吸引了海外眾多目光，越來越多的國家在鐵路建設方面尋求與中國合作，中國鐵路逐漸發展到由“引進來”到“走出去”的歷史性轉折點。作為中國在東歐地區承建的第一個鐵路項目——白俄羅斯奧希波維奇—日洛賓鐵路電氣化建設項目（下文簡稱白俄項目）正是在這樣的背景下啟動的。

白俄項目為既有線電氣化改造工程，線路為I級雙線鐵路，設計速度160 km/h，軌距1 520 mm，最小曲線半徑485 m。接觸網系統設計由白鐵聯盟設計院負責，中方負責詳細設計及部分接觸網設備材料的供貨和施工。由于歷史原因，白俄羅斯現行接觸網技術標準一直沿用前蘇聯標準，與中國現行的技術標準存在差異。雖然中國的接觸網產品電氣和機械性能總體要高于白俄羅斯方現行技術標準，但因標準差異，中國產品的外形、材質等參數無法與白俄羅斯方技術要求完全一致，給國產接觸網產品在白俄項目中的推廣和應用帶來極大困難。

1 兩國接觸網系統差異及兼容問題

1.1 接觸網設計理念的差異

根據白俄羅斯方接觸網標準要求，160 km/h的線路均采用全補償彈性鏈形懸掛，同時白俄羅斯方技術人員從主觀上也認為簡單鏈形懸掛無法適應項目的運營速度。因此，在初步設計階段，白俄羅斯方原型接觸網系統正線采用全補償彈性鏈形懸掛，具體導線組合為 ПБСМ95+МФ100（18 kN+10.5 kN），彈性吊索為35 mm2的銅合金絞線，張力3.5 kN；站線采用全補償簡單鏈形懸掛，具體導線組合為ПБСМ70+МФ85（10 kN+8.25 kN）。事實上，根據國內接觸網的設計與運營經驗，時速250 km/h 及以下線路接觸網采用全補償簡單鏈形懸掛是完全適宜的。

1.2 接觸網主要線材的差異

根據白俄羅斯方提供的技術文件顯示ПБСМ型承力索為銅包鋼絞線，МФ 型接觸線為銅接觸線，在符合中國現行鐵標的承力索、接觸線產品中無法找到完全相同的類型，尤其是接觸線，其懸吊溝槽角度和寬度與現行TB/T2809-2005 中完全不同（圖1、圖2）。

1.3 不同標準產品的兼容問題

眾所周知，接觸網零部件接口尺寸取決于與其連接線材的外形尺寸，如定位線夾、接觸線中錨線夾、接觸線電連接線夾、吊弦線夾等零件的齒形角度與接觸線的懸吊溝槽角度完全一致，才能確保兩者更緊密的貼合。另一方面，銅包鋼承力索由于其自身抗拉強度較大，原型系統中承力索的額定工作張力相對較大（18 kN），而中國類似速度等級線路的承力索額定張力一般為15 kN，與其配套的承力索終端錨固線夾、中心錨結線夾的滑動荷載、破壞荷載等力學指標主要以工作張力15 kN 考核，若配合銅包鋼線使用且不降低工作張力，可能導致零件安全裕度降低。

圖2 中國鐵標接觸線溝槽參數（27°+51°）示意圖

因此，線材和零部件必須在統一的標準平臺上配合使用才能確保系統的可靠性，有效控制技術風險。而根據白俄羅斯方標準重新研制非標的產品費時費力，在工期緊張的情況下不具備可操作性，只能采用國內主流接觸網產品（即線材和零部件均采用中國生產），并通過對接觸網系統設計方案進行優化，確保優化后的系統性能不低于原系統性能，才有可能說服業主接受中國產品。

2 接觸網系統優化設計

2.1 承力索及接觸線采用國內主流產品

結合國內外電氣化鐵路發展現狀，接觸線與承力索采用同類材質早已是一大趨勢，因兩者線性膨脹系數一致，在提高施工精度的同時也降低了運營維護工作量，對改善弓網受流性能效果明顯。國內承力索普遍采用銅或銅合金絞線，銅合金絞線具備耐高溫性能好、抗拉強度高等優點，可有效降低承力索斷線幾率，提高接觸網的安全可靠性，因此，優化后承力索采用JTМH 型銅合金絞線。

國內類似線路，接觸線主要以銅銀合金和銅錫合金線為主，銅錫合金線的導電率相對較低，但抗拉強度相對較高（430 МPa 以上）。在耐磨耗性能方面，銅錫合金線的耐磨性能優于銅銀合金線，在制造工藝方面，兩者基本無差別，均能滿足白俄項目的接觸線載流要求。經綜合考慮，優化后接觸線采用銅錫合金接觸線。

鑒于現行鐵標中已無標稱截面為100 mm2的接觸線產品，因此正線接觸線優化后采用與原型最為接近的CTS110 型接觸線。

2.2 正線張力體系優化設計

世界各國經過多年的運營實踐和理論研究逐漸形成了各自不同的弓網受流評判體系，但有一點是被大家一致認同的，即提高接觸網的波動傳播速度是提高列車運行速度的基本方向。EN50119 中明確規定列車運行速度在接觸線的波動傳播速度的70%以下。接觸線波動傳播速度理論公式為

式中，C 為接觸線波動傳播速度，km/h；T 為接觸線張力，N；ρ 為接觸線線密度，kg/m。

由式（1）可知，提高接觸線波動速度可通過提高接觸線張力或降低接觸線的線密度來實現。使用CTS110 型代替МФ100 型，增大了接觸線的線密度，必須適當增加接觸線張力以提高接觸線波動速度，從而保證弓網受流質量不低于原型系統。結合國內工程經驗以及銅錫合金接觸線的抗拉強度，優化后接觸線張力采用13 kN。通過式（1）可分別求得2 種接觸線在2 種工作張力下波動速度：

CTS110 型：C= 412 km/h

МФ100 型：C= 390 km/h

同時，根據EN50119 規定，接觸線的設計使用應力不應大于其最大許用應力的65%。銅錫合金接觸線最大設計使用應力：

式中，Ktemp為溫度系數，取0.9；Kwear為接觸線允許磨耗系數，取0.8；Kload為風和冰荷載系數，取0.9；Keff為補償效率系數，取0.95；Kclamp為接觸線終端錨固線夾系數，取1；Kjoint為接觸線焊接接頭系數，取1。

計算求得：σw= 136 N/mm2。

由此可求得CTS110 型接觸線最大設計使用張力可達17.98 kN，當接觸線額定工作張力采用 13 kN 時，其強度安全系數完全滿足歐洲標準要求。

合理選擇承力索張力對提高接觸網安全性、可靠性和弓網受流質量同樣非常重要。原型接觸網系統中采用ПБСМ95 型銅包鋼絞線，額定張力為 18 kN，當采用JTМH95 型承力索后，工作張力如仍維持18 kN 已不合適。首先，銅鎂合金承力索抗拉強度低于前者，降低承力索工作張力能有效提高承力索的強度安全系數，從而提高接觸網系統的安全性和可靠性；其次，TB/T 2075-2010 中規定95型承力索終端錨固線夾最大工作荷重為16.5 kN，當工作張力超過該值后，零件的安全裕度有所降低；最后，有理論分析證明，通過降低承力索張力來減小增強因數γ 對改善受流質量是有利的。增強因數計算公式：

式中，TC、ρC、TJ、ρJ分別為承力索工作張力、承力索線密度、接觸線工作張力、接觸線線密度，Cp為接觸網波動速度，v 為列車運行速度。

通過式（3）—式（5）可以看出，在其他條件不變的前提下，采用增大接觸線張力，減小承力索張力的方法可以減小反射因數r，從而達到減小增強因數γ 的目的。

因此，正線承力索工作張力優化后由18 kN 降低至15 kN。正線接觸網張力體系推薦采用15 kN +13 kN（白俄羅斯方原設計為18 kN+10.5 kN）。

2.3 懸掛類型由彈性鏈形改簡單鏈形

目前各國廣泛采用的適應于160 km/h 及以上速度的接觸網懸掛類型主要有全補償簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛。

簡單鏈形懸掛具有結構相對簡單，節省投資，施工調整和運營維護相對方便，事故搶修難度較彈性鏈形懸掛小等優點；后者具有彈性不均勻度小，接觸壓力標準偏差較小等優點。結合項目線路條件的實際情況，區間小半徑曲線比較多，跨距較小，在該線路條件下采用彈性鏈形懸掛對提高受流質量效果并不明顯，同時，項目工期緊張，彈性鏈形懸掛不利于工期控制。綜合考慮，接觸網懸掛類型采用全補償簡單鏈形懸掛。

3 理論驗證

根據提出的優化設計方案，對比系統原型設計方案進行弓網受流質量模擬計算，以驗證系統方案的可行性。

3.1 接觸網參數

接觸網模擬計算參數見表1。

表1 接觸網模擬計算參數表

3.2 評判標準

弓網關系的評判標準主要基于歐洲標準EN 50119 及EN 50367，關鍵評判指標如下：

（1）最大動態接觸壓力Fmax＜300 N。

（2）最小動態接觸壓力Fmin＞0 N。

（3）標準偏差SDF≤0.3 Fm（平均動態接觸壓力）。

3.3 模擬結果

（1）速度160 km/h，接觸網采用彈性鏈形懸掛，弓網動態接觸壓力及接觸線抬高量曲線如圖3、圖4所示。

圖3 弓網動態接觸壓力曲線圖

圖4 接觸線抬高量曲線圖

（2）速度160 km/h，接觸網采用全補償簡單鏈形懸掛，弓網動態接觸壓力、接觸線抬高量曲線如圖5、圖6所示。

圖5 弓網動態接觸壓力曲線圖

圖6 接觸線抬高量曲線圖

3.4 模擬結果對比

通過以上模擬結果可以得出結論：優化后的簡單鏈形懸掛設計方案在理論上完全能滿足時速 160 km 的弓網受流質量要求，與原型彈性鏈形懸掛設計方案性能相當（表2）。

表2 2 種懸掛方式的模擬結果對比表

4 結語

白俄項目第一標段接觸網系統已于2013年3月順利開通，弓網運行狀況良好，實踐進一步證明優化后的接觸網系統設計方案是切實可行的。

國情不同必然導致標準、規范存在較大差異，客觀上給中國的接觸網系統“走出去”造成了諸多困難。只有在確保接觸網系統可靠性和安全性的前提下結合當地實際情況對接觸網系統設計方案大膽地進行優化處理，使中國現有產品發揮最大優勢，從整體性能上去滿足系統設計的要求，才能實現中國接觸網系統與境外鐵路系統的無縫對接，同時達到有效控制經濟和技術風險的目標。隨著中國承建的海外項目不斷增多，上述設計思路可為今后類似工程提供借鑒。

[1]于萬聚.高速鐵路電氣化接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

[2]TB/T 2075-2010.電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]TB/T 2809-2005.電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]EN50119.Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S].Brussels:CENELEC,2001.

[5]EN50367.Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line(to achieve free access) [S].Brussels:CENELEC, 2006.