電氣化鐵路接觸網受寒冷氣候影響及相應設計研究

黃鑫

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

隨著我國高速鐵路的飛速發展，電氣化鐵路覆蓋范圍越來越廣。接觸網系統作為電氣化鐵路的輸送電能的主要架構，其戶外無備用的特殊性使其必須時刻處于良好的工作狀態。但接觸網直接裸露于空氣中，極容易受到氣候、地形等因素的影響。寒冷地區冬季嚴寒干燥，多寒潮侵襲，降溫急劇，接觸網覆冰現象頻發，凍土災害極容易造成接觸網基礎的裂縫，惡劣的冬季氣候條件嚴重影響了高速鐵路的安全運行。

本文結合新建高速鐵路濟南至萊蕪的沿線氣候及地質情況，從寒冷地區特殊的氣候條件下，研究影響電氣化鐵路接觸網系統的變化，并結合其變化特性對接觸網的相關設計方案進行探討。

1 濟萊線氣象概況

新建高速鐵路濟萊至萊蕪北全線約117 公里，設計行車速度為350 公里/小時，是山東省“四橫六縱”高鐵路網中的重要一縱，項目建成后，通過濟南東客站連接濟濱、濟青高速鐵路，南延至臨沂連接魯南高鐵，將成為山東省魯中南地區又一條快速鐵路通道。

濟萊高鐵全線根據《建筑氣候區劃標準》（GB 50178-1993）地處寒冷地區，冬季較長且寒冷干燥，季節性凍土的最大深度為0.5m，冬季極端氣溫達-27℃，易產生覆冰災害。

2 接觸網系統受寒冷氣候影響的方面

（1）接觸網支柱基礎。季節性凍土具有凍脹和融沉等特性。我國部分寒冷地區季節性凍土深度可達3.9m，而國內接觸網普通支柱基礎的埋深一般為3m 或3.5m，無法達到凍土層以下的深度。且接觸網基礎混凝土在寒冷地區冬季施工容易發生凍害，產生裂縫，造成運營安全隱患。

（2）接觸網鋼柱材質。濟萊高鐵全線接觸網支柱及硬橫跨均為鋼材，如圖1 所示，隨著溫度的降低，鋼材的沖擊功逐漸降低，沖擊韌性下降非常快，極容易發生韌性斷裂。

圖1 16Mn 鋼焊縫低溫沖擊值示意圖

濟萊高鐵全線最低氣溫僅在-27℃，如果接觸網鋼柱及硬橫梁采用普通碳素結構鋼Q235，在極端低溫下，會發生韌性斷裂。嚴寒及寒冷地區高速鐵路除了需要考慮接觸網零部件在極端溫度下會產生沖擊荷載和交變荷載，還需要考慮其主要受力件及架構聯結應滿足弓網特性。如果采用普通焊接連接零部件，應充分考慮在低溫環境下施工操作帶來的不利影響。

（3）接觸網覆冰。覆冰是寒冷地區冬季產生的自然現象，某些地處寒冷地區的客運專線，采用夜間停電綜合維修方式，會有較長的時間沒有列車運行，夜間氣溫較低時接觸網系統導線上大面積覆冰，不但降低了接觸網系統的安全可靠性，還將直接導致列車運營時無法正常取流運行，造成大面積停運。覆冰自然災害發生后再使用普通機械除冰方法，會耗費大量的人力物力，且效率較低，會對接觸網系統的導線造成一定程度的機械損傷。

3 優化寒冷地區接觸網系統設計

（1）接觸網支柱基礎。接觸網的基礎形式應考慮土壤的凍結深度、凍拔、溶陷等特性，故不采用直埋基礎形式，季節性凍土區段宜采用擴大基礎或鉆孔灌注基礎并擴大底部，宜采用通過地腳螺栓和法蘭連接接觸網鋼支柱和基礎。當鐵路路基填料的抗凍脹性不滿足接觸網基礎穩定性要求時，接觸網支柱的基礎型式應結合石氣冷、通風管、熱棒和片石護坡、護道等不同路基形式，根據凍土的工程地質特征，考慮基礎凍拔力等要求，進行抗傾覆、基底應力、穩定性檢算，采取相應的防融沉、防凍脹措施。接觸網支柱基礎埋深應大于土壤的最大凍結深度，不應小于最大凍結深度以下0.6m。濟萊高鐵全線土壤最大凍結深度為0.5m，故接觸網基礎埋置深度應大于設計凍深0.6m。

（2）接觸網鋼柱及零部件材質。鋼材的材質應根據結構的重要性、連接方式和結構所處的環境溫度進行合理選擇，受沖擊荷載影響時應具有良好的最低溫度沖擊韌性。根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003 規定：對于需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有低溫沖擊韌性的合格保證，即接觸網鋼柱的材質應具有0°沖擊韌性合格保證。接觸網鋼結構材質一般為Q235 或者Q345，通過圖2 及圖3 的分析對比可知，Q235、Q345 沖擊功均隨著溫度降低而降低，但是Q345 結構鋼材沖擊功大于Q235 材質。因此，在極端的低溫環境下，Q345 材質韌性遠遠優于Q235。

圖2 Q345 結構鋼材沖擊功隨溫度變化圖

濟萊高鐵全線最低氣溫僅在-27℃，故全線接觸網鋼支柱材質均采用Q345B 低合金結構鋼，在冬季極端低溫氣候條件下，不易發生韌性斷裂。接觸網零部件在寒冷地區應保證具有耐沖擊，耐疲勞性能。銅合金及鋁合金材質均具有良好的低溫韌性，能在低溫下保持良好的力學性能，故嚴寒地區高速鐵路接觸網零部件應盡量減少使用鋼材質，多采用銅合金或鋁合金材質，如表1所示。高速鐵路接觸網零部件聯結宜采用螺栓、銷釘等連接方式。如表1 所示。

圖3 Q235 結構鋼材沖擊功隨溫度變化圖

表1 寒冷地區高速鐵路接觸網線材及零部件材質表

（3）接觸網覆冰。寒冷地區的電氣化鐵路應在設計前期考慮在變電所內加裝融冰裝置，一般為固定式直流融冰裝置。基本原理是通過整流變壓器及晶閘管組成的換流閥將交流電轉化為直流電，利用直流電流在線路電阻中產生熱量，使接觸網導線升溫，從而達到融化線路覆冰的效果。另接觸網系統設計應充分考慮跨線建筑物排水孔、結構變形縫、隧道口等處落水、結冰的影響。在跨線建筑物、隧道口等易發生落水處接觸網應做絕緣、防護措施。

4 建議

（1）目前電氣化鐵路覆蓋越來越廣，目前尚無寒冷及嚴寒地區相關設計規范，移動式融冰裝置、輸電線路覆冰檢測系統等針對接觸網覆冰災害的運營經驗尚不成熟，應在鐵路沿線的戶外極端低溫氣候條件下進行模擬實驗來采集數據或開展專題研究。

（2）為俄羅斯等地設計的高速鐵路應充分考慮Q345 材質的鋼材或已不能滿足嚴寒地區的極端氣候條件，應加快對高等級鋼材在接觸網鋼柱及零部件上的應用特性研究。