海外項目接觸網工程幾個關鍵問題的思考與探討

楊 凡

0 引言

目前我國已經擁有高速鐵路設計、裝備制造、施工及運營的先進技術，具備了“走出去”的核心競爭力。世界各國鐵路標準不統一，環境差異大，為了更好地適應“走出去”的所在國家鐵路建設，充分體現我國高鐵技術優勢，本文對海外項目中接觸網的幾個關鍵設計問題進行深入探討。

1 弓網受流分析

弓網模擬分為接觸網靜態、動態特性參數計算和弓網動態模擬兩部分。接觸網靜態、動態特性參數包括接觸網彈性、彈性不均勻度、弓網接觸力、接觸線抬升量、離線率等。弓網動態模擬主要依靠仿真軟件進行。接觸網在高速運行的受電弓激勵下會形成復雜的振動，其靜態、動態特性參數受到線材特性、接觸線張力、彈性等條件制約。

1.1 接觸線材質標準對比

在列車運行過程中，接觸線直接與機車受電弓作摩擦運動傳遞電能，其對接觸網-受電弓系統的受流性能起到至關重要的作用，是牽引供電系統中最重要的材料之一，其質量直接影響機車的安全運行。關于接觸導線產品，歐盟目前執行的標準為EN 50149-2012《鐵路應用 固定設施 牽引供電銅及銅合金接觸線》，中國現行有效的標準為TB/T 2809-2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》，現將兩個標準進行對比，如表1所示。

表1 中歐接觸線標準對比

我國接觸線生產廠家不斷自主創新，在德國、日本等先進技術的基礎上，發明了強度高、導電性好的銅鉻鋯材質導線，并納入了最新標準；在我國舊標準里有85和110 mm2小截面的導線，但由于實際使用量少和系統化標準化的考慮，只保留了120和150 mm2兩種截面的導線。因此，從表1可以看出，除接觸線材質和導線截面有差異外，我國標準其他參數與歐標基本一致。

1.2 接觸線張力標準對比

承力索張力對接觸網的受流質量不起關鍵作用，降低承力索張力可以獲得較小的放大系數，因此承力索張力不宜太大。為了施工方便，承力索的張力應與接觸線的張力具有合理的配合關系。接觸線張力對受流質量起著關鍵作用，受流系統的許多性能指標直接由接觸線決定，如波動傳播速度、接觸線抬升量、接觸線磨耗、安全系數等。

歐標EN 50119《鐵路應用：固定設施-電氣牽引架空接觸線》中規定了接觸線、承力索的最大工作應力不大于其最小拉應力的65%，同時考慮各種折減系數；未規定不同速度下的接觸線最小工作張力，但規定了列車運行速度不大于接觸線波動傳播速度的70%。中國現有規范《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）中對張力做出規定，在考慮接觸線、承力索允許工作溫度、接觸線最大磨耗、風和冰荷載、補償裝置精度和效率等因素引起的折減系數后，允許工作應力不應大于其抗拉強度或拉斷力的65%，《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）對各速度等級下接觸網最小張力給出明確要求。實際工程中中國與其他國家的接觸網張力如表2所示。

表2 各國接觸網張力

由于接觸線張力對受流質量起關鍵作用，提高接觸線的張力可以改善接觸網的所有受流特性參數。因此，提高接觸線張力是一種調整接觸網使之達到適應較高速度的有力措施，對接觸網的穩定性和改善弓網動態關系具有良好效果。但須注意提高接觸線張力應同時考慮接觸線磨耗和安全系數。

1.3 彈性及其不均勻系數標準對比

良好的弓網關系要求接觸網具有均勻的彈性，降低靜態彈性還有利于減小接觸導線的抬升、減少接觸導線的疲勞。EN 50119第5.2.2條規定了彈性不均勻度的計算方法及影響彈性的因素，但未規定明確的數值。我國《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）中規定彈性鏈形懸掛的彈性不均勻度不大于10%，簡單鏈形懸掛的彈性不均勻度在設計速度為250、300 km/h時不大于40%，在設計速度為350 km/h時不大于25%。盡管各國對彈性不均勻度的規定數值不盡相同，但都是根據弓網要求而定。

一般而言，跨中的彈性大于定位點處彈性，彈性的大小與接觸網懸掛類型和綜合張力相關，跨中彈性的經驗公式為

式中：L為跨距；Tc、Tj分別為承力索和接觸線的額定張力；K為懸掛類型系數（彈鏈為3.5、簡鏈為4.0）。

定位點處的彈性與接觸網懸掛結構形式有關，簡單鏈形懸掛在定位點的彈性為跨中的30%～50%，主要取決于跨距的長度；彈性鏈形懸掛在定位點處設置合適的彈性吊索，其彈性將提高到跨中的80%左右。

對于高速接觸網，一方面要求彈性盡可能的小以提高接觸網的穩定性，另一方面應盡可能降低彈性不均勻度以提高受電弓運行的平穩性。

1.4 弓網動態受流標準

接觸網動態參數包括波動傳播速度、動態接觸壓力及動態抬升量、離線率及離線時間等。

（1）接觸網與受電弓形成一個具有很小阻尼的彈性系統，受電弓的運行使導線抬高，在靜止狀態下，受電弓使導線在受電弓兩側對稱抬起，如果速度提高，導線將不對稱地抬高，受電弓前方導線的抬高程度小于后方。如果最終行車速度與波動傳播速度相同，則只有受電弓后面的接觸網受到干擾，發生共振，同時抬高值將遠遠超過靜態計算值。因此，接觸網的波動傳播速度決定了機車的最高運行速度。接觸線的波動傳播速度C為

其中，Tj為接觸線張力，mj為接觸線單位長度質量。

根據EN 50119規定：接觸網適應的最高行車速度必須小于導線波動傳播速度的70%。如果確定了接觸線波動傳播速度，即可計算出接觸網可以采用的運營速度的近似值：

其中，V為運營速度，β為接觸網運營速度與接觸線波動傳播速度之比。

從式（2）、式（3）可得到，提高接觸懸掛的綜合張力和降低導線單位質量可以提高列車的運行速度。對于高速接觸網系統，導線及張力的選擇需要遵循使C值足夠大的原則。

（2）接觸網動態壓力和抬升量數據可通過計算機仿真獲得，直觀易行，且易于更換條件及數據，效果顯著，不足之處是具有一定的近似性，但仍為目前研究動態受流的主要途徑和方法。本文借助CATMOS仿真軟件，針對國內接觸網典型參數進行建模，通過仿真的方法對接觸線抬升和接觸壓力進行分析。國內高鐵接觸網典型參數如表3所示。

表3 國內高鐵全補償彈性鏈形懸掛接觸網參數

圖1和圖2所示分別為接觸線抬升和接觸壓力的仿真曲線，仿真車速為350 km/h，橫坐標為仿真里程，單位m。

圖1 接觸線抬升仿真曲線

圖2 接觸壓力仿真曲線

依據歐洲接觸網系統標準EN 50119《鐵路應用：固定設施-電氣牽引架空接觸線》，速度大于200 km/h時，最小接觸壓力不小于0 N，最大接觸壓力不超過350 N，未對抬升量做出規定；UIC 799-2002《工作速度大于200 km/h的高速鐵路交流架空接觸系統特性》中規定，定位器定位點處接觸線最大允許抬升量為120 mm；德國DS 997.9113《接觸網設計、供貨、施工、運營維護原則和指標》中規定：當列車最大運行速度不大于230 km/h且采用德國標準受電弓時，抬升量為150 mm；當列車最大運行速度大于230 km/h，且采用歐洲標準型式的受電弓時，最大允許抬升量為200 mm。

我國《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）規定：200 km/h及以下速度等級，弓網最大接觸壓力為300 N，最大抬升量為120 mm；速度大于200 km/h時，最大接觸壓力不超過350 N，最大抬升量為150 mm。

從仿真結果可知，最大接觸壓力及抬升量均在標準允許范圍內，接觸壓力均勻，受電弓工作高度平穩，表明弓網關系良好，因此我國接觸網系統具有較好的適應性。結構高度可以根據所在國家的氣象條件進行調整，對于受風害影響小的地區，可以通過適當增大結構高度減小離線率，而對于風力較大地區，例如沿海的東南亞國家，可以通過減小結構高度增強懸掛穩定性。

1.5 適應性分析

從以上分析可知，我國高鐵經過多年的發展，接觸線材質、張力、彈性及不均勻度、弓網受流等方面的各項參數具有良好的適應性，同時能夠滿足國際標準的要求。

2 接觸網防雷措施

接觸網架設于高鐵線路上方，更易受到雷電的侵害，東南亞屬于熱帶雨林氣候，降雨和雷暴日較多，對于中國高鐵“走出去”項目，防雷措施顯得尤為關鍵。

2.1 防雷標準對比

IEC 60913-2013《軌道交通 地面裝置 電力牽引架空接觸網》中規定：在經常發生雷電過電壓的地區，如果接地體結構和電氣絕緣間隙無法避免閃絡故障，應采用浪涌保護器或其他方式進行保護。歐洲國家對接觸網防雷主要采用避雷器方式，德國平均每年每100 km接觸網可能僅遭受1次雷電沖擊。雷電對接觸網的直接沖擊會導致雷電沖擊過電壓，其在設計中考慮過采用過電壓保護裝置以限制雷電過電壓，一般應用避雷器。同時他們也認為，避雷器只能對過電壓進行有限的保護，一般只用于有頻繁雷電發生的地段，在其他區段，從經濟性或防護效益方面考慮，一般不設置防雷裝置。

日本《電氣設施（新干線接觸網）設計施工標準》中對日本新干線的防雷措施進行了描述，根據雷擊頻度及線路重要程度，規定了相應的防雷措施，具體見表4。

表4 日本防雷措施

我國對高速鐵路防雷有較詳細的規定，《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）和《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）中規定“年均雷暴日超過40天的重點位置應設避雷器”，“雷暴日不小于40天的地區宜采用架空避雷線為主的設計措施。接觸網下錨絕緣子、分段絕緣子采用復合棒形絕緣子等防雷措施”。

2.2 避雷線架設方式

在關鍵部位設置避雷器是各國通用的做法，其對電氣設備免受瞬態過電壓危害具有很好的保護作用。避雷器防護的范圍較小，對于沿線雷害嚴重區段，可通過架設避雷線達到降低接觸網雷擊跳閘率的目的。架空避雷線是一種設計施工簡單、效果明顯的雷電防護措施，《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》（TB/T 3551-2019）給出了接觸網架空避雷線典型工程安裝示意圖。

避雷線采用線夾固定在避雷線肩架頂部，該安裝方式可以充分利用避雷線肩架的長度，將避雷線懸掛在最高處，可以最大限度地保護正饋線和接觸線等，在風速較小環境下可采用該常規做法。東南亞等國家地處熱帶海洋氣候區，泰國、馬來西亞等國家常年風速較大，偶爾還會有臺風發生，在大風情況下易出現附加導線舞動，導致導線固定點機械疲勞斷股，零部件連接處磨損嚴重（國內蘭新鐵路等線路發生過類似情況）。

2.3 改進措施

大風會引起避雷線頻繁振動，其懸掛方式至關重要，既要考慮導線疲勞問題，又要考慮懸掛裝置的結構穩定性。

（1）針對導線疲勞問題，可在支撐點處采用預絞式支撐線夾。預絞式線夾具有出眾的抗疲勞性能，沒有任何螺栓作用在導線上，減小了金具對導線的靜態壓應力和夾應力；線夾通過內含鋁合金加強件的特殊橡膠襯墊與導線相接觸，預絞絲護線條裝在橡膠襯墊外并纏繞在導線上，通過高強度鋁合金護套和固定夾片將導線懸掛到支柱上，進一步減小金具對導線的動態彎曲應力。該線夾的結構如圖3所示。

圖3 預絞式支撐線夾

（2）避雷線張力一般為5 kN，較小的張力導致弛度較大，在大風條件下易導致大幅度擺動甚至舞動現象，影響其結構穩定性，因此避雷線的懸掛方式宜對舞動起到抑制作用。導線受到不穩定的風致橫向風作用時，在導線背后形成以一定頻率上下交替變化的氣流旋渦，進而使導線受到上下交變脈沖力作用從而產生振動。懸掛點采用剛性連接時，相當于一個硬點將脈沖力毫無保留地反彈回去?？蓪覓禳c優化為懸垂線夾的柔性連接，懸垂線夾對脈沖力具有一定的卸載功能，可有效避免大幅擺動及擺動時應力集中，緩解導線“波節點”的疲勞。該結構會犧牲部分肩架高度，但對導線頻繁振動有較好的適應性，因此，在大風環境下建議采用懸垂安裝型式。

（3）為達到最佳的防舞動效果，還可以采用增加相間間隔棒措施（圖4），跨距中間使用復合材料相間間隔棒連接AF線和PW線，固定處均使用防磨型預絞式鎧裝懸掛連接裝置連接，使兩個原本相互獨立的舞動單元相互牽制，以達到抑制舞動的目的。從實際使用效果上看，相間間隔棒是當前效果較好、可靠性較高的一種防舞動裝置。

圖4 相間間隔棒措施

根據風區線路結構，設計特殊長度和連接方式的復合材料相間間隔棒，長度適應現場安裝需要，連接方式與固定線夾配套設計，保證現場安裝方便快捷。相間間隔棒外形與復合絕緣子相似，但兩者的工作方式存在明顯差別。相間間隔棒的連接金具、芯棒、護套均適應項目要求進行設計，絕緣強度按35 kV等級設計，以保證電氣安全性能。

2.4 適應性分析

對國內外幾種防雷技術措施進行比選，針對雷暴日較多且有大風的環境條件，高速鐵路避雷線可采用增加預絞式線夾、懸垂結構型式和相間間隔棒措施來達到減輕零部件疲勞及抑制舞動的目的。

3 供電線架設方案

3.1 供電線標準對比

我國《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）對供電線做出以下規定：“供電線宜采用架空方式，地形困難處及上網處可采用電纜方式”，國外雖對接觸網供電線未做出硬性規定，但法國TGV、西班牙AVE、日本新干線等線路普遍采用架空方式。中國高鐵“走出去”需要適應當地國情、法律法規等多方面的要求。

3.2 供電線架空方式

考慮到工程經濟性和維護便利，國內供電線多采用架空形式，支柱一般采用格構式鋼柱，基礎一般是根據地質專業提供的相關土壤參數和地基承載力選擇相應的擴大式基礎。

國外氣象條件和地質條件與中國不盡相同，以印尼雅萬高鐵為例，沿線所經地區為高地震烈度區（8度），設計時應將抗震設防作為重點，采取適宜的結構措施確保高鐵安全。格構式鋼柱的桿件為角鋼，正常情況下容量足夠，但腹桿所承受的最大剪力設計值較小，根據《電氣化鐵路接觸網軟橫跨鋼柱構造圖（通化（2006）1001）》，結構適用于設防烈度7度及以下地區。因此對于8級地震烈度地區，可采用多棱柱結構（圖5），柱身采用Q355鋼材，縱向焊縫平整，整體性好，抵御地震荷載產生的水平振動較格構式鋼柱強很多，設計時需對支柱進行形變和穩定性檢算，選擇合適的高度及容量。

圖5 多棱柱

雅萬高鐵萬隆區段處在湖積地層中，分布有不同厚度的軟土，以淤泥、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土為主，最大厚度可達34.0 m。由于沉降嚴重，采用樁基礎需要穿過軟土層，工程造價較高。一般的擴大式基礎如圖6所示，該基礎的基地面積較大，基坑開挖及回填土的工程量較大，印尼降水量大，擴大基礎基坑開挖后若未及時回填，容易引起積水，加上軟土承載力不足，很容易造成坍塌。

圖6 一般擴大式基礎

結合軟土不宜深開挖、大開挖的特點，可將供電線基礎優化為縱斷面為T形的擴大基礎，如圖7所示。先用物理力學性能良好的巖土材料置換地基中的軟土，預壓一定時間達到承載力要求后再進行基礎施工。T型基礎分水平的翼板和豎直的腹板兩部分，腹板平面尺寸較小，埋入土層一定深度，抵抗傾覆力矩，翼板平面尺寸較大，滿足地基承載力要求。T型基礎可減少施工深開挖的工作量，降低施工難度，相應也減少了支護費用，從而降低工程造價。

圖7 T型擴大式基礎

在設計時，以《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）為理論依據計算，T型基礎應同時滿足地基承載力和側向抗傾覆的要求。

3.3 供電線電纜敷設方式

如果當地的地質條件較差，供電線基礎施工困難，或存在其他不確定因素，例如國外多數國家土地為私有，前期供電線徑路未納入征地范圍內，后期二次征地很困難，針對這些情況可采用電纜敷設方式。電纜敷設方式相對架空方式投資會高很多，應盡量減小供電線長度，設計初期在專業配合方面注意以下兩點：

（1）行車電分相檢算后，與變電專業溝通，使變電所選址位置盡量靠近分相處，最好在分相里程范圍內；

（2）變電所選址在滿足相關規范的前提下，盡量靠近線路，以減小所址與線路之間“夾心地”的征地面積。

3.4 適應性分析

接觸網供電線施工工況比較復雜，需要考慮當地環境和法律法規的制約，氣象地質條件較惡劣時，架空供電線可采用多棱柱和T型擴大式基礎；受征地制約時可采用電纜敷設方式。

4 結語

我國高速鐵路接觸網裝備經過多年發展，積累了較多設計、施工、運營維護經驗，已形成一套自主的電氣化鐵路接觸網標準體系。在中國高鐵“走出去”工程中，可以結合不同地區、不同條件下的工況對體系進行修正，形成一個更加完善的理論體系，更有利于開拓海外市場。