400 km/h接觸網技術標準體系探討

楊 佳 林宗良 鄧云川 魯小兵

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

為貫徹習近平總書記對鐵路工作的重要指示批示精神和黨中央、國務院決策部署，服務國家重大戰略發展，中國國家鐵路集團有限公司已啟動CR450科技創新工程，開展更高速度鐵路輪軌關系、弓網關系、空氣動力學以及多物理場耦合等基礎理論的深化研究，驗證更高速度運行條件下固定設施、移動裝備的安全性、匹配性和適用性，探索輪軌系統更高試驗速度和運營速度限值，研發更加安全、更加環保、更加節能、更加智能的復興號新產品，構建我國CR450高速鐵路技術和標準體系，全力推進我國高速鐵路技術的深入發展和技術引領。

弓網關系作為高速鐵路三大關鍵技術之一，在保障系統安全可靠運行上具有舉足輕重的地位。400 km/h接觸網將面臨更高速度運行的安全性、適應性、可靠性、匹配性、耐久性以及可維護性等問題，目前，更高速度下的弓網動態耦合機理尚不明確，弓網動力學仿真平臺尚不成熟，對軌、車以及氣動力等外部激擾影響下的弓網動態特性研究尚不全面，且國內外尚無可以借鑒的400 km/h接觸網技術標準及工程案例。因此，亟待在全面總結現有高速鐵路接觸網設計、制造、施工和運維經驗的基礎上，深入開展更高速度下弓網關系的理論研究和試驗論證，提出并分析400 km/h接觸網系統面臨的關鍵技術問題，形成400 km/h接觸網技術及標準體系，支撐CR450科技創新工程實施，確保弓網系統及裝備在400 km/h條件下長期、持續、安全、穩定運行。

1 400 km/h接觸網服役條件

接觸網結構復雜，沿線裸露架設，長期承受冰、雪、風、氣溫、雷電以及地震等外部環境作用[1]，還與路基、橋梁、隧道以及車輛、供電、信號等專業接口緊密。對于運行速度更高的400 km/h接觸網，其服役環境及接口條件的微小變化，都將影響到弓網系統的受流質量和列車的安全穩定運行。400 km/h接觸網服役環境及接口條件的影響分析如表1、表2所示。

表1 400 km/h接觸網外部環境影響分析表

表2 400 km/h接觸網接口條件影響分析表

2 400 km/h接觸網性能提升

基于現有技術方案及參數下的接觸網系統在400 km/h速度條件下運行時，弓網間振動加劇，接觸力波動及動態抬升大幅增加，弓網動態受流性能將急劇惡化。400 km/h接觸網必須具備更高、更優性能以滿足更高速度下弓網系統的安全性、可靠性及耐久性等要求。400 km/h接觸網性能提升措施如表3所示。

表3 400 km/h接觸網性能提升措施表

3 400 km/h接觸網關鍵技術

3.1 速度匹配

接觸網必須根據速度目標值開展設計，其系統應與速度等級相適應、匹配，設計速度影響并決定了技術標準體系的不同。對于400 km/h接觸網，其性能狀態與行車速度、設計速度、驗收速度等速度間的科學合理匹配尤為關鍵，否則將影響工程投資甚至系統方案的可行性。

(1)波動傳播速度

一般應按設計速度與接觸網波動傳播速度之比不大于0.7考慮，充分考慮承力索對波動傳播速度的作用，同時結合導線產品性能及工程應用情況，綜合選取系統的線材規格型號和匹配張力。

(2)設計速度

設計速度應按線路的最高設計速度選取。400 km/h接觸網系統應按設計速度400 km/h進行設計，其接觸線平順性和弓網受流性能等應按設計速度400 km/h進行性能評價，同時還應考慮開行單弓或雙弓運行時每個受電弓的受流質量。

(3)驗收速度

驗收速度應按線路的最高設計速度110%選取[4]。400 km/h接觸網系統應校核驗收速度440 km/h時的狀態及安全性，評估單弓運行時應能滿足弓網間的基本受流，不得出現鉆弓、侵限等安全問題。

3.2 弓網關系

弓網系統是高速列車獲取持續動力的唯一途徑，其動態受流性能直接決定列車能否高速穩定運行。400 km/h高速鐵路弓網關系面臨的重難點技術如表4所示。

表4 400 km/h接觸網弓網關系關鍵技術及應對措施表

3.3 系統參數

400 km/h接觸網系統應至少包含接觸網和受電弓兩部分，兩者既相互獨立又緊密相關。系統方案及懸掛參數的建立必須基于接觸網服役環境和運行目標的要求，根據弓網動態耦合仿真分析，從系統性、匹配性、可靠性出發，反復優選接觸網-受電弓以及相互間的技術參數，才能達到400 km/h高速運行時弓網間的“完美”耦合。400 km/h接觸網受電弓參數和懸掛參數分別如表5、表6所示。

表5 400 km/h接觸網受電弓參數表

表6 400 km/h接觸網懸掛參數表

3.4 關鍵設施

接觸網設施主要包括錨段關節、電分相和道岔區布置，這些設施兼具電氣和機械性能要求，存在多錨段線索間相互交叉、位置重疊的現象，空間關系復雜，對400 km/h接觸網弓網受流性能及高速運行時的安全性能影響較大，屬于系統中的薄弱環節和重難點技術。

3.5 關鍵裝備

400 km/h接觸網安裝設計及裝備選型應滿足更大張力荷載、更高速度運行狀態下的安全性、可靠性、耐久性等要求，同時還應充分考慮電氣、機械及結構性能狀態等對400 km/h弓網耦合性能和高速安全運行的影響。400 km/h接觸網裝備需考慮的關鍵技術及應對措施如表8所示。

表7 400 km/h接觸網關鍵設施表

表8 400 km/h接觸網裝備關鍵技術及應對措施表

3.6 支柱及基礎

接觸網支(吊)柱及基礎應結合400 km/h路基、橋梁及隧道等土建工程的結構形式、設計參數進行設計，接觸網基礎應采用安全、可靠且耐受動荷載的預埋基礎。接觸網支(吊)柱的結構強度除應充分考慮列車按最高設計速度運行時引起的氣動力作用外，還應盡量減少支柱撓度，以降低其對400 km/h接觸網弓網動態耦合性能的影響。

3.7 施工及運營維護

建造安全、穩定、可靠的400 km/h接觸網工程，需要更加精準、更加精細化的施工，主要包括以下幾個方面：

(1)充分研究施工誤差及精度對400 km/h接觸網弓網受流性能的影響，制定合理、可行的施工質量要求及控制標準。

(2)對400 km/h接觸網錨段逐點、逐跨的腕臂、吊弦及彈性吊索等進行精準測量、計算和工廠化預配，提升安裝后接觸網的導線平順性及弓網受流性能。

(3)結合更大張力、更高平順性的要求，提升恒張力放線、吊弦及彈性吊索安裝的工法工藝，精細化調整接觸導線的平順性、吊弦高差、定位器及補償裝置狀態等，建造符合各項標準的400 km/h接觸網懸掛系統。

在400 km/h接觸網運營維護方面，應：(1)加快研究更高速度下的檢測方法及手段，積極采用更先進、更精準的檢測設備，全面提升檢測及評估技術；(2)結合400 km/h接觸網弓網動態受流性能及安全運行的要求，制定科學合理的運行檢修規則；(3)配置6C、PHM及監測預警系統等接觸網智能運維系統，提高運營維護能力。

4 400 km/h接觸網技術體系

結合CR450科技創新工程部署，400 km/h接觸網應從基礎理論、系統設計、裝備技術、施工建造、運營維護以及規范標準等方面著手，逐步構建400 km/h接觸網技術體系，系統架構圖建議如圖1所示。

圖1 400 km/h接觸網技術體系架構圖

5 結束語

400 km/h接觸網系統服役條件更加復雜、系統性能需求更高，本文基于現有鐵路建設運營情況，深入分析了更高速度下弓網系統面臨的關鍵技術問題，探討了具體的應對措施和思路，并提出了400 km/h接觸網技術標準體系初步構想。400 km/h接觸網較之350 km/h存在較大差異，且國內外尚無可供借鑒的技術標準及工程案例，后續還須進一步深化總結，深入開展科學試驗、工程試驗、產品試驗，論證400 km/h接觸網設計標準和相關參數的系統性、適應性、匹配性，驗證弓網系統在400 km/h速度下長期、持續、高速運行時的安全性、可靠性、耐久性和可維護性。