既有普速鐵路接觸網設備冗余整治措施的探討

李世斌

（南寧鐵路局供電處，工程師，廣西 南寧 530029）

冗余設計技術是提高產品可靠性水平的有效設計技術之一。對產品進行冗余設計，就是對設計部分并聯相同（或不同）的單元、冗余單元和原單元實現相同的功能。當然，冗余設計在體現良好性能的同時，也存在局部的不足，比如冗余設計一定程度上會增加生產成本，導致性價比和效能比的降低。根據局部冗余比整體冗余可靠性高的定理〔1〕，對既有部分接觸網設備增設冗余措施，有利于提高接觸網整體可靠性。

南昆線1997年開通運營，隨著運輸需求逐年變大，接觸網設計存在不足也逐漸顯現，在1998年和2005年分別進行接觸網能力擴能改造，更換了部分承力索和支柱，并將部分水平拉桿支持裝置改為平腕臂支持裝置。但是在接觸網擴能改造后，由于長期受運輸繁忙、維修天窗不足及更新改造資金有限等因素的影響，設備老化，加速接觸網設備故障頻繁發生，嚴重干擾了正常的運輸生產。在有限的條件下，如何通過有效措施對既有接觸網設備進行整治，提高設備質量和安全可靠性，充分發揮設備潛能，保證運輸生產安全顯得尤為重要。

1 既有線接觸網運行暴露的問題

1.1 接觸網設計標準不高 南昆線接觸網設計標準偏低，造成接觸網穩定性和可靠性不高，主要表現在：接觸懸掛類型采用全補償簡單鏈形懸掛，部分正線接觸網承力索采用LXGJ-79型鍍鋅鋼絞線，部分區段采用H38型支柱，大部分支持裝置采用穩定性能較差的水平拉桿方式，造成接觸網結構穩定性不高；接觸網零部件主要采用早期標準生產的鉤頭鞍子、普通鋁合金定位器、定位環等系列產品；接觸網補償裝置使用小半徑滑輪組；吊弦、定位拉線基本上采用Φ4.0鍍鋅鐵線；接觸網防雷和防污能力不足，接觸網的絕緣泄漏距離為1 200mm，接觸網防雷設備較少，每個區間只有在電分段錨段關節處設置1臺避雷器等。

1.2 零部件制造工藝水平偏低 接觸網零部件大多采用早期標準生產制造。早期生產的鋁合金定位環和定位器等鋁合金接觸網零件容易失效〔2〕，經常發生定位環開裂缺陷。雖然銅合金、鋁合金、不銹鋼都具有優良的機械性能，但由于制造工藝和材料晶體組織等方面的不足，零部件在特定的介質環境下易發生應力腐蝕斷裂。在電力機車受電弓通過、風載荷、環境溫度變化等因素影響下，接觸網系統會發生振動，使接觸網零部件處于應力疲勞狀態，一旦環境中有腐蝕元素，如電化學腐蝕，接觸網零部件就會發生疲勞腐蝕斷裂〔3〕。此外，接觸網工區長期以來沒有使用精準度更高的力矩扳手，而僅是憑經驗使用快速扳手緊固接觸網零部件，也是造成接觸網零部件開裂的重要原因。

1.3 設備老化問題突出 在橋梁、隧道口、小半徑曲線、風口等處所，定位環、套管絞線、定位線夾等接觸網零部件由于長期受力較大，連接處磨損較嚴重，零部件的金屬性能和機械強度大幅下降，且長期電化學腐蝕，接觸網零部件容易出現開裂、斷裂現象，慣性故障頻繁發生。接觸網補償裝置滑輪、補償繩長期互磨后，機械性能嚴重下降，經常發生補償繩斷股現象。接觸網長期受電力機車取流較大的影響，主導電回路的電連接線老化、電連接線夾處過渡電阻增大，容易造成接觸網線索燒斷事故。此外，隧道口處接觸線定位用的硅膠絕緣子老化嚴重，絕緣水平嚴重下降等問題也大范圍出現。

1.4 設備運行環境問題突出 設備運行環境較突出的問題是接觸網防雷、防風、防破壞、防干擾能力不足，例如：接觸網雷害問題突出，雷雨天氣時經常發生懸式絕緣子被擊碎；隧道口處沒有設置防護網柵，隧道口和跨線橋處承力索沒有采取保護措施，藤蔓植物生長較快侵限或路外人員將異物拋入等，造成承力索燒斷事故；區間串補電容裝置、樞紐地區等處所不同供電單元的電分段錨段關節處，兩支接觸懸掛存在電壓差，承力索沒有采取防護措施，電力機車受電弓長時間短接兩支接觸懸掛的接觸線時，受電弓與接觸線間由于接觸不良而產生電弧，從而燒傷、燒斷接觸網線索；沿線危樹侵限問題突出，遇有大風天氣時，經常發生接觸網瞬間接地故障。

2 整治措施

以上所述的問題極大地影響著南昆線接觸網設備的安全運行。針對這些問題，近幾年通過對既有接觸網設備進行冗余整治，局部接觸網設備進行更新改造，接觸網安全可靠性得到了較大的提高，減少了對正常運輸生產的干擾。

2.1 對既有接觸網設備進行冗余整治 受投資費用有限、維修天窗和運輸繁忙等方面因素的影響，在短期內較難完成數量較大的接觸網水平拉桿支持裝置改造，主要采取的措施有：增設定位管環防磨斷加強線（見圖1所示），當定位管環斷裂后，防止定位管侵限，將接觸網參數控制在安全值內；將原來的3片懸式絕緣子增加為4片，將絕緣泄漏距離為1 200mm的棒式絕緣子全部更換為泄漏距離為1 400mm的，提高接觸網絕緣水平，增強防雷和防污能力；針對鉤頭鞍子可能磨斷的問題，在斜腕臂套管絞環處增加防磨斷加強線（見圖2所示）。

圖1 既有水平拉桿支持裝置冗余措施

圖2 鉤頭鞍子防磨斷冗余措施

2.2 對老化零部件或線索增加臨時冗余保護 既有接觸網長期運行后，部分接觸網零部件故障頻繁發生，受整治工作量、材料采購周期、維修天窗點等因素的影響，短期內較難全面完成設備整治工作，在設備進行大修或更新改造前，為確保設備安全運行，必須采取臨時過渡措施，典型的案例如下。

2.2.1 隧道承力索水平懸掛調整螺栓增加冗余保護

南昆線寧局管內共有135座隧道，隧道長度共計99.227 km，隧道內有3 423組承力索水平懸掛，水平懸掛的調整螺栓年久老化，抗疲勞能力下降，電力機車通過時振動導致調整螺栓裂斷，使水平懸掛下墜侵限，曾經造成1件影響較大的弓網事故。

冗余保護措施：用雙股Φ4.0鍍鋅鐵線與調節螺栓并聯作為冗余保護繩（見圖3所示），冗余保護繩的一般情況下處于不受力狀態，長度要合適以防止下垂侵限。通過冗余保護，已防止了多起調整螺栓裂斷引起的弓網故障，有效地保證接觸網安全運行。

圖3 隧道水平懸掛調整螺栓冗余保護

2.2.2 隧道內下錨補償裝置補繩償增加冗余保護

南昆線隧道內共有59組接觸網補償裝置，下錨補償繩在立柱滑輪轉角處長期受力，轉角處補償繩因疲勞而發生斷股，已出現過多起較嚴重的補償繩斷股故障，存在嚴重的塌網安全隱患。

冗余改造措施：在隧道下錨絕緣子與下錨立柱補償繩間加裝1根LXGJ79型油浸鋼絞線作為冗余保護繩（見圖4所示），綁扎線及鋼線卡子加裝按檢修工藝規定執行，冗余保護繩要做好防止下垂侵限措施，冗余保護繩在一般情況下處于不受力狀態。通過冗余保護措施，防止了補償繩斷導致的塌網事故。

圖4 隧道下錨補償繩冗余保護

2.2.3 接觸線接頭線夾“一改三”冗余整治 由于故障、施工等原因造成接觸線存在接頭，長期使用的接觸線與新采購同型號的接觸線結構參數一定程度上存在差別，在接觸線接頭處只安裝一個接頭線夾，連接強度不夠，不能滿足安全運行的要求，已出現過2次接觸線接頭線夾拉脫斷線事件，存在安全隱患。

冗余保護措施：接頭用3個接頭線夾連接（見圖5所示）。如果中間接頭線夾被拉脫，兩邊各有一個冗余保護線夾將受力拉住接觸線斷頭，暫時不會影響供電和行車安全，從而避免接觸線斷線事故。

圖5 接觸線接頭“一改三”冗余改造

2.3 采用制造工藝水平較好的零部件 根據接觸網軟連接系統概念和系統解決方案，聯合接觸網供電金具制造專業廠家，采集各種接觸網懸掛方式的實際數據，根據有關技術規范要求，計算出最佳的軟連接尺寸，完善接觸網零部件結構，達到適用范圍廣、耐腐蝕、互換性強，結構簡單、牢固，安裝、調整方便的新型軟連接零件，解決既有接觸網軟連接零件在日常運行中受腐蝕、電蝕、磨耗、振動等因素影響等諸多問題。

2.4 對局部接觸網設備進行更新改造 為提高既有接觸網設備裝備技術水平，參考高鐵接觸網設備裝配較先進的特點，對曲線區段的H38型支柱改為H 78型支柱，將既有水平拉桿支持裝置改為平腕臂支持裝置，并使用冗余設計的定位裝置〔4〕，增強定位環與定位電氣連接，減少電腐蝕，在鉤環破壞后，雖然電連接線不能作為鉤環備用，但可以降低故障影響，將故障導向安全（見圖6所示）；將使用Φ4.0鍍鋅鐵線制作的環節吊弦、軟橫跨直吊弦、分段絕緣器斜吊弦、定位拉線等，全部更換為整體吊弦。

圖6 冗余設計的接觸網定位裝置

2.5 對設備運行環境進行整治 提高接觸網防雷能力，由原來每個區間電分段錨段關節設置1臺避雷器，調整為隧道外每個錨段關節處設置1臺避雷器；在隧道口、跨線橋、不同供電單元的電分段錨段關節和隧道漏水處，對承力索加裝預絞絲防護條或輔助承力索；加強與工務部門的聯控協調，在隧道口上方增設安全防護網柵，對跨線橋管線進行遷改或加固，對隧道頂部和跨線橋漏水嚴重處所加裝引水板等。

3 結束語

通過以上冗余整治措施，較大地提高了既有線接觸網安全運行的可靠性，有效降低了接觸網故障影響范圍，縮短了故障設備修復時間，保證了鐵路運輸的效率。同時，既有線接觸網設備增設冗余措施，不僅可以最大限度發揮既有設備的潛能，降低發生接觸網設備事故的風險，且可以適當延長設備大修和更新改造周期，節約鐵路運營成本。

〔1〕孫懷義.冗余設計技術與可靠性關系研究.儀器儀表學報〔J〕，2007，28（11）

〔2〕錢云琪，胡月妹.鋁合金接觸網零件的失效分析和改進，電氣化鐵道〔J〕，2004（1）

〔3〕陳立明.接觸網零部件應力腐蝕斷裂分析.鐵道技術監督〔J〕，2012（2）

〔4〕闕明.接觸網定位裝置冗余設計探索，電氣化鐵道〔J〕，2011（4）