高速鐵路接觸網(wǎng)不同導線組合的載流能力分析

秦曉宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

接觸網(wǎng)載流量是電氣化鐵路接觸網(wǎng)的基礎設計參數(shù)，也是決定牽引供電系統(tǒng)供電能力的主要控制因素，接觸網(wǎng)各導線的線材以及導線截面由供電專業(yè)確定，因此接觸網(wǎng)的載流量計算不僅是接觸網(wǎng)各導線選型的重要基礎，也是影響牽引供電方案設計的關鍵環(huán)節(jié)[1]。

我國高速鐵路和重載鐵路的快速發(fā)展使得列車牽引功率進一步提高，牽引供電系統(tǒng)的負荷電流成倍增大，因此對接觸網(wǎng)的載流能力提出了更高的要求。從目前的牽引供電設計來看，通常是先根據(jù)供電方案計算供電臂電流，然后再依據(jù)供電計算結(jié)果，結(jié)合實際運營經(jīng)驗選擇接觸網(wǎng)的導線組合，但這一過程并未對接觸網(wǎng)其他導線組合的載流能力展開過深入的分析和研究。

隨著新標準TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》與TB/T 3111—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金絞線》的發(fā)布與實施(以下簡稱“新標準”)，更是使接觸網(wǎng)的載流能力成為電氣化鐵路供電設計的關鍵技術(shù)指標[2]。因此有必要基于新標準，對高速鐵路接觸網(wǎng)導線的載流能力進行分析，以期尋找最合理優(yōu)化的導線組合方案，為今后的供電方案設計提供參考和技術(shù)對策。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)導線載流能力

1.1 新標準的主要修訂內(nèi)容

新標準對接觸網(wǎng)導線規(guī)格、材料類型、機電性能、載流量、磨耗性能等方面提出了更高的要求。

在接觸網(wǎng)規(guī)格方面，取消了85 mm2以及110 mm2規(guī)格接觸線，只保留120 mm2和150 mm2規(guī)格接觸線。對于銅鎂合金，新標準將其細化為CTM、CTMM、CTMH這3種。對于銅錫合金，新標準新增了CTSM、CTSH。新標準中還增加了我國自主研發(fā)、擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的銅鉻鋯合金接觸線CTCZ，以適應不同速度等級及載流量的要求[3]。

在載流量方面，舊標準僅給出了室外條件下，即環(huán)境溫度40 ℃，風速0.5 m/s，日照強度1 000 W/m2的持續(xù)載流量。新標準在此基礎上增加了室內(nèi)持續(xù)載流量的指標及其載流量試驗的條件要求。此外，新標準還說明了過載載流量的試驗要求。為了判斷接觸線和承力索的載流能力，新標準規(guī)定銅合金接觸線以及銅合金絞線的最高允許工作溫度為95 ℃和150 ℃[4]。

新標準中還增加了接觸線磨耗比作為評價指標，要求接觸線磨耗比應滿足≤0.015 mm2/萬弓架次(試驗用碳滑板、試驗用浸金屬碳滑板或其他復合基碳滑板)的規(guī)定[3]。這與原鐵道部發(fā)布的技術(shù)文件TJ/GD 011—2009 《200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件(OCS-2)》的要求是一致的[5]。

1.2 考慮接觸線磨耗的導線載流能力

1.2.1 銅(合金)接觸線磨耗面積計算方法

根據(jù)圖1，已知接觸線線材半徑A、B；磨耗高度h；接觸線中心至底面的高度a；則接觸線磨耗面積Sm(即圖中的陰影部分，mm2)可由公式(1)求得[6]

(1)

通過計算可得接觸線在運行過程中磨耗高度與磨耗面積的關系，并由此計算出不同磨耗程度下的接觸線磨耗比。

圖1 銅(合金)接觸線截面及相關參數(shù)

由公式(1)計算得出，當接觸線磨耗高度為1.6 mm時，150 mm2規(guī)格接觸線磨耗面積為9.892 mm2，磨耗比為6.5%；120 mm2規(guī)格接觸線磨耗面積為9.323 mm2，磨耗比為7.7%，如圖2所示。

圖2 銅(合金)接觸線磨耗計算

1.2.2 磨耗比的選擇

若根據(jù)新標準中接觸線磨耗比≤0.015(mm2/萬弓架次)的要求，以信號機3 min布點、4 min追蹤、一列車雙弓運行的極限情況作為前提條件。經(jīng)計算，接觸網(wǎng)運行30年(接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計壽命應不小于30年[7])，產(chǎn)生的磨耗面積為9.855 mm2。當接觸線截面為120 mm2時，磨耗比為8.21%，當接觸線截面為150 mm2時，磨耗比為6.57%。接觸網(wǎng)導線共計657萬弓架次。

該計算結(jié)果與1.2.1節(jié)的計算結(jié)果相一致，且滿足TB10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》以及TG/GD124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》的相關要求[7-8]。

為了對比分析，主要考慮200～250 km/h速度等級下接觸線的極端運行情況，此時磨耗比按限界值20%計算[8]。

1.2.3 導線允許載流量

當考慮接觸線磨耗時，接觸線的允許載流量會減小，減小量約為允許載流量乘以磨耗比。本文分別取不同的磨耗比δ，對室外條件下，最高允許工作溫度為95℃及150℃時的接觸線載流能力進行修正，結(jié)果如表1所示。

表1 接觸線允許持續(xù)載流量 A

2 接觸懸掛組合方案供電能力

目前牽引供電設計大多以接觸網(wǎng)的載流需求作為前提，并依靠工程經(jīng)驗大致選取接觸懸掛導線組合，但并未對接觸懸掛不同導線組合的載流能力展開過系統(tǒng)的分析。基于此，對不同導線組合下的接觸網(wǎng)載流能力進行計算。

2.1 電流分配系數(shù)

高速鐵路接觸網(wǎng)懸掛類型通常采用全補償彈性鏈形懸掛，該種模式下，接觸網(wǎng)可以看成由接觸線、承力索并聯(lián)組成。設接觸線和承力索的電流分配系數(shù)分別為kc，kj，則接觸網(wǎng)各導線的電流分配比例由相關阻抗確定，計算公式如下[9]

(2)

式中，zc，zj分別為分索、接觸線的單位自阻抗，zjc為接觸線和承力索之間的單位互阻抗。僅考慮其中一種鏈形懸掛接觸網(wǎng)空間位置參數(shù)(表2)，根據(jù)新標準中對接觸線和承力索的相關參數(shù)描述，可求得導線阻抗值，進而求得接觸網(wǎng)各導線的電流分配系數(shù)。

表2 接觸懸掛相關基礎參數(shù)

注：未考慮加強線。

2.2 不同導線組合接觸網(wǎng)綜合載流能力

根據(jù)電流分配關系以及接觸網(wǎng)各導線的持續(xù)載流量，對接觸網(wǎng)不同導線組合的綜合載流量及線索載流能力利用率進行計算。限于篇幅，僅展示考慮磨耗下，導線最高允許工作溫度取95 ℃時的計算結(jié)果。

若采用承力索/接觸線為JTMM120/CTM150組合方式，在室外試驗條件下，該組合導線電流分配比kc/kj為0.511/0.489；接觸網(wǎng)允許載流量為859 A，該線索組合的匹配受限于接觸線載流能力，接觸線處于欠載狀態(tài)。其載流能力利用率為93%。

3 接觸網(wǎng)導線選型與配置

3.1 導線選型流程

(1)首先估算接觸網(wǎng)載流量，按工程經(jīng)驗大致選取導線組合，以保證供電方案的合理性。

(2)根據(jù)設計方案計算接觸網(wǎng)的載流需求，校核不同導線組合的載流能力。

(3)考慮工程特點和接觸網(wǎng)載流量需求，經(jīng)綜合比選后確定最佳的導線配置方案。

3.2 載流量需求計算

牽引供電計算的供電臂電流特征值有供電臂平均電流、有效電流、短時最大有效電流、20 min有效電流以及瞬時最大電流等[10]，根據(jù)不同電流特征值的適用范圍，選取最合適的參數(shù)校核接觸網(wǎng)導線的載流量。

3.3 工程實例

以某新建客運專線為例，選取典型供電區(qū)間對接觸網(wǎng)導線配置原則進行分析。

該線路設計最高運行速度為250 km/h，開行CRH5型動車組(短途采用8輛編組，長途采用16輛編組)和HXD3機車。采用240 min矩形天窗，列車最小追蹤間隔5 min。

設計根據(jù)行車原始資料對供電臂電流特征值進行計算，并考慮8輛編組緊密運行、8輛編組追16輛編組緊密運行以及16輛編組緊密運行3種情況進行校核，結(jié)果如表3所示。

表3 供電臂各種電流特征值計算結(jié)果 A

根據(jù)表3計算結(jié)果，供電臂瞬時最大電流值最大，但接觸網(wǎng)載流量僅考慮持續(xù)載流量，因此瞬時電流不作為評價指標。另一方面，其出現(xiàn)概率相對較低，以此特征值進行載流量校核可能會造成資源浪費。20 min有效電流和短時最大有效電流在16輛編組緊密發(fā)車情況下達到最大值，分別為850 A和1 034 A，考慮到本線僅開行1趟長途16輛編組動車組，因此結(jié)合實際運營情況，按8輛編組追16輛編組緊密運行情況進行校核更為合理，此時20 min有效電流、短時最大有效電流分別為637,754 A。因此本文選取20 min有效電流和短時最大有效電流來分別校核導線的持續(xù)載流量及過載載流量。

根據(jù)載流量需求，選擇6種導線組合方案進行分析，如表4所示。導線的最高允許工作溫度越高，其所允許傳輸?shù)碾娏髟酱蟆．斂紤]20%最大磨耗時，CTMH150+JTMH120、CTSM150+JTMH120、CTSH150+JTMH120導線組合能滿足接觸網(wǎng)的綜合載流量需求，且CTSM150+JTMH120的綜合載流量較高，載流利用率也較高。而CTSM120+JTMH95組合利用接觸線自身過載能力也能滿足要求。因此，從電氣性能方面，這4種導線組合均具備供電能力。

高速鐵路接觸網(wǎng)導線除了具備良好的電氣性能以外，還應采用抗拉強度高、耐腐蝕能力強、耐高溫性能好的銅合金線。《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》規(guī)定，120 mm2銅合金接觸線應選用20 kN張力，150 mm2銅合金接觸線應選用25 kN張力[5，11]，則CTSH、CTMM、CTMH、JTMH均符合條件。

表4 不同導線組合載流量

注：1.表中載流量系按環(huán)境溫度40 ℃，風速按0.5 m/s的室外條件計算而得；

2.取δ=δ30時，120 mm2接觸線磨耗按8.21%考慮，150 mm2接觸線磨耗按6.57%考慮。

另一方面，銅錫接觸線相較于銅鎂造價較低，施工工藝相對簡單，常用于我國已運營的250 km/h電氣化鐵路中[1]。考慮本工程相鄰鐵路線路的導線組合情況，經(jīng)技術(shù)造價綜合比選后，推薦采用CTSM150+JTMH120導線組合。

4 結(jié)論

基于以上分析結(jié)果，對設計速度為200～250 km/h的高速鐵路接觸網(wǎng)導線選型提出以下建議：

(1)從導線組合矩陣看，接觸網(wǎng)有多種組合均能滿足本工程接觸網(wǎng)的載流量需求，若考慮導線的過載能力，則接觸網(wǎng)導線載流的安全裕度較大，因此設計中應對多種導線組合進行分析，確定最優(yōu)的導線配置方案。

(2)從載流量角度出發(fā)，根據(jù)本文供電臂電流計算結(jié)果可知，接觸網(wǎng)最高工作溫度可選取為95 ℃。

(3)相較于按接觸線磨耗限界經(jīng)驗值選取磨耗比的方法，本文采用的按接觸線系統(tǒng)設計壽命選擇磨耗比的方法更加符合運行實際，使其接觸網(wǎng)導線選型也更加合理靈活。

(4)采用20 min最大有效電流和短時最大電流來校核接觸網(wǎng)持續(xù)載流量及過載載流量更為合理；

(5)本文研究對接觸網(wǎng)導線選型具有一定的參考價值，但在實際設計中常常會遇到特殊線路，比如大坡度等，因此需結(jié)合具體項目特點具體分析。