鐵路牽引供電系統接觸網結構的防災研究

馬永廣

[摘? ? 要]鐵路牽引供電系統接觸網結構常面臨各種災害的困擾，造成自身性能受損，若能借助仿真設計方法，明確防災思路，可保障接觸網結構完整性。在此之上，本文簡要分析了鐵路牽引供電系統接觸網結構類型及其設計要求，并結合影響要素，從冰災、風災、冰風災等三個方面的防災方法展開論述，促使鐵路牽引供電系統擁有良好的運行可靠性。

[關鍵詞]鐵路牽引供電系統;接觸網;覆冰載荷

[中圖分類號]U225.4 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–0–02

Research on Disaster Prevention of Catenary Structure

of Railway Traction Power Supply System

Ma Yong-guang

[Abstract]The catenary structure of the railway traction power supply system often faces various disasters， causing its own performance to be damaged. If the simulation design method is used to clarify the disaster prevention ideas， the structural integrity of the catenary can be guaranteed. On top of this， this article briefly analyzes the type of catenary structure of railway traction power supply system and its design requirements， and combines influencing factors to discuss disaster prevention methods from three aspects： ice disasters， wind disasters， and ice wind disasters. The industry gives reference to promote the railway traction power supply system to have good operational reliability.

[Keywords]railway traction power supply system; catenary; icing load

作為電氣化鐵道中布設于鋼軌上空的接觸網結構，常用于高壓輸電線，在鐵路系統運行中發揮著重要作用。接觸網結構大體上包含定位裝置以及支柱、接觸懸掛等部分。在實際運行期間，多呈現“之”字形。由于各地降雨降雪頻率、風力風向不同，造成鐵路接觸網常因災害出現自身穩定性降低后果。此時，若能在不同工況下研究具體的防災路徑。

1 鐵路牽引供電系統接觸網結構類型及其設計要求

1.1 結構類型

接觸網實則是電氣化鐵路中重要的供電網絡，又可稱為架空電纜。從相關研究中可了解到：接觸網電壓多在25～30 kV。若位于城市地區，則以直流電壓為主，即750 V。在總結接觸網具體類別時，可按照不同的懸掛方式做出相應的結構分類。第一種是簡單接觸懸掛。它是在鐵路上方借助接觸線進行加固懸掛。為了維護接觸網懸掛安全，常常安裝張力補償裝置，繼而達到接觸網的自由調節。而且還多在懸掛點位處新增約16 m的吊索結構，依靠吊索彈性功能，以免懸掛時產生較高的壓力;第二種是鏈形接觸懸掛，此種接觸網是依靠吊弦予以懸掛，聯合承力索，促使接觸線能夠順利懸掛在接觸網結構上，最終可在減緩接觸線懸掛跨距弛度的前提下，確保此種懸掛方式下形成的接觸網結構穩定性優良。與第一種懸掛方式相比，第二種花費的費用偏高，結構復雜，施工難度較大。然而，整體性能卻有所提升。相關人員在電氣化鐵路工程建設環節，需根據工程造價范圍以及工況條件確定如何設置接觸網。

1.2 設計要求

鐵路牽引供電系統中的接觸網結構，在其具體設計環節，常需要遵從下列多項要求：①無論是在高速狀態下運行還是在冰天雪地里操作，都要求接觸網結構彈性適中且能夠正常供應電流;②在接觸網結構的安裝中，其中選用的零配件應當質量過硬，且具備一定的抗磨、耐腐蝕優勢;③接觸網的安裝應當實現對地絕緣;④為了提高搶修效率，確保鐵路能夠縮短供電間歇時間，還以簡便化結構為首選;⑤接觸網的安裝應注重其經濟性，尤其是鋼材等材料的使用量。只有充分考慮上述技術要求，才能確保接觸網建成后能夠為鐵路牽引供電系統提供可靠的輸電線路，促進電氣化鐵路的穩定運行。

2 鐵路牽引供電系統接觸網結構的影響要素

2.1 覆冰載荷

在研究鐵路牽引供電系統接觸網結構的影響因素時，還需要采用有限元元件進行仿真設計，假設本次研究活動中使用的鋼材彈性模型為2.02×1011 MPa，密度為7.8×103 kg/m3。而瓷絕緣子的彈性模量及其密度分別為0.54×1011、2.7×103 kg/m3。其中選用的吊弦材料為鍍鋅鐵線，外界鎂銅合金承力索。在此研究活動中，需結合有限元軟件建立的仿真模型，判斷在其覆冰條件下受到的不同作用力。接觸網會受到橫縱兩個方向的覆冰荷載影響。其中垂直（縱向）方向上的作用力以及水平方向（橫向）上的覆冰質量，均可參照下述公式予以計算，而后知道不同覆冰荷載工況下的作用力差異。

F垂直=-mil

M水平=-migl·Lcosθ

其中，mi、l、θ、L分別是覆冰質量、接觸網導線長度、凝冰角度、冰心-導線中心間距。對于覆冰質量（mi）的計算方法多按照（S為冰厚，ρ冰為冰密度）得出具體值。結合各地區常見覆冰厚度，多在10 ～30 mm。代入相關數值后，可發現隨著覆冰厚度的增加，接觸網何載荷明顯增加[2]。

2.2 風壓載荷

在確定風壓載荷對接觸網結構帶來的影響程度時，一般需參照下述公式得出風壓值（P）而后推算出風壓與風速（v）的關系。即，其中ρ是指空氣密度。而后利用r與ρg的相等關系，判定風壓公式還可轉換為，式中r為空氣重度。為了更加直觀地分析風壓與風速關聯，還可代入具體的氣壓值以及重力加速度等數值，繼而知曉隨著風速增加，風壓也隨之加大。

3 鐵路牽引供電系統接觸網結構防災方法

3.1 冰災防災

鐵路牽引供電系統接觸網結構在遇到降雪降雨天氣時，極易形成覆冰層，而后導致接觸網性能下降，甚至不利于維護結構完好性。結合上述研究成果，在不同覆冰厚度下，位移量的變化會隨著覆冰厚度的增加逐漸變大，造成應力增加時，對接觸網線路產生的危害也會越來越大。若電氣化鐵路中的供電系統不能依靠接觸網結構獲取供應電流，將嚴重影響鐵路運行質量，甚至加劇運行風險。基于此，相關人員在現場需采取有效措施增強接觸網防災能力，尤其是冰災條件下，更需要重視除冰效果。通常情況下，適用于冰災的防災措施包含以下兩點。

（1）制訂接觸網破冰計劃，由于冰災下接觸網結構會形成冰層，繼而在施壓下導致導線可靠性下降。此時應定期觀察接觸網覆冰厚度，并選擇適合的除冰方法，提高接觸網運行穩定性。常用破冰方法包含機械破冰以及熱力融冰、自然脫落3種。①由相關人員對接觸網上的冰層借助冰車、鏟刀等工具進行破除。②運用短路電流，依靠接觸網內部加熱電阻的發熱功能，達到冰層融化。③隨著季節的突然變化，造成原有的冰層僅在短時間內自然脫落。但此種方法可能性偏低。相關人員需在冰災下切實做好除冰工作，由此優化接觸網的運行性能。

（2）改造橫跨材質與分相裝置，以往在電氣化鐵路接觸網建設中多以軟橫跨作為支撐梁，導致自身承載力不強，一旦遭遇冰災，自然不能保持優良彈性。因此，可選用硬橫梁，對原有橫跨予以改造，便于改造設計后，接觸網結構具備突出的抗災能力。另外，對于接觸網結構在冰災情況下的絕緣性變化程度，還可對原有的分相裝置進行改造，繼而削弱冰災對接觸網結構產生的不利影響[3]。

由此可知，應針對覆冰載荷提出可靠的改進建議，用于增強接觸網結構抗災能力，借此滿足不同工況下鐵路運行需求。

3.2 風災防災

風災的出現也會對接觸網結構產生不良影響。結合本次研究成果，可找到風災條件下，引起接觸網懸掛點位移量最大的部分，而后對其進行加固設計，便于優化后系統能夠重新恢復原有的穩定性。在仿真試驗中假設的風速為37 m/s。此時從0 ～80 s變化過程中，風災條件下，接觸網具備支撐應力的點位會隨著時間的后延而出現位移先增后減趨勢。其中位移量會從0 m逐漸增加為0.3 m以上，而后達到峰值后會逐漸降低到0.15 m。此時會隨著風力載荷的變化，導致鐵路牽引供電系統出現明顯的不穩定變化情況。因此，風災也是導致接觸網結構性能下降的關鍵性要素。

相關人員為了應對風災威脅，還可從多個部分提出可行性風災防治建議，便于增強接觸網結構的風災抗災能力。此處可參照先進的防災經驗。如某地區曾因十級風造成接觸網結構出現故障問題，而且故障點位于風口直線區段，跨距為60 m左右。面對此次故障，維修人員專門對鐵路接觸網結構做出相應調整，最終降低風災下的接觸網故障率。因此，本次仿真試驗中也可以以此為基礎，總結出明確的防災步驟，便于提高接觸網結構抗災水平。

（1）選用強承載絕緣子，以便在風災下能夠有良好的抗壓能力，以免因機械運動，導致接觸網結構出現明顯偏移。

（2）接觸網原本是以“之”字形分布，此時則應當擴大其幅度，以便接觸網結構中的定位裝置等部分能夠擁有突出的拉力，這樣可適當抵消風力載荷，也能減小風災對接觸網擺動幅度的刺激。此外，還可重新進行“之”字形設計。例如，可從正反定位兩個部分，將其拉出值進行拓展與后退，繼而降低偏移量。尤其是在強風干擾下，也依舊能夠保持接觸網結構壓力分布的均勻性。

（3）減小跨距，一般可采用增設支柱的形式，縮小跨距，而后能夠確保在小跨距下降低水平方向的偏移量，必要時還可在承力索部分安裝防風錘，借助外力施加抗風壓力，盡管在風災干擾下，也能始終保持鐵路牽引供電系統接觸網結構的平穩性，延長接觸網的使用年限，為電氣化鐵路工程的高質量建設奠定基礎[4]。

3.3 冰風災防災

通常在降雪降雨天氣里會伴有大風。此時，在開展接觸網防災仿真設計工作時，還需分析在兩種災害交叉出現的情況下，接觸網結構的變化情況。隨著風壓載荷與覆冰載荷的逐漸加大，處于20 mm冰厚與30 m/s風速災害狀態下，接觸網壓力會在時間后延中有所加大。直到達到40 s時會出現些許波動，之后則進入降壓階段。在雙重災害條件下，相關人員還需準確測量固定支撐點的偏移量，若超出330 mm，且覆冰厚度為20 mm以上，此時可先行考慮是否需要停運，以免加大鐵路行駛風險。此外，還可準確測量風冰災環境里，承力索以及腕臂應力值的變化范圍。由于風災的風壓載荷變化不確定，此時則需要在風災減弱時，對接觸網結構的具體性能予以測定，并開展破冰工作，這樣才能避免后期風災等級再次加大時，造成接觸網結構無法承載雙重災害，而出現嚴重故障。冰災的處理需在風災變小時予以解決。而風災則應當在尚未出現冰災前就提前更換各種配件，致使鐵路牽引供電系統持久性具備完整的接觸網結構供應條件。

4 結束語

鐵路牽引供電系統常需要在接觸網輔助下實現鐵路供電。而在不同工況條件下，接觸網結構的穩定性及其運行可靠性都會呈現出差異性變化。對此，本文專門以仿真設計方法，優化鐵路供電性能，使其在冰災、風災、冰風災情況下，都能有效維護系統運行安全，特別是在風速超出37 m/s，且覆冰20 mm以上工況下，更需要加強接觸網管理，繼而在防災設計中積累豐富的實踐經驗。

參考文獻

[1] 王玘.基于健康狀態的高速鐵路牽引供電系統主動維護策略研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[2] 于洋.電氣化鐵路牽引供電對鐵路信號設備的影響分析[J].電力設備管理，2020（8）：152-154.

[3] 王璟，張于峰.高速鐵路牽引供電系統健康管理及故障預警體系[J].中國高新科技，2019（14）：81-83.

[4] 劉長利.高速鐵路智能牽引供電系統的快速自愈重構技術研究[J].鐵道標準設計，2020（4）：162-167.