國(guó)鐵剛性接觸網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討

王小兵，張于峰，王 斌，楊志鵬，張文軒，王 婧

0 引言

近年來(lái)，在既有鐵路電氣化改造中的低凈空隧道內(nèi)、新建普速鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)逐漸采用剛性懸掛接觸網(wǎng)，滿(mǎn)足了運(yùn)營(yíng)需求，國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)已逐漸成為牽引供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備。現(xiàn)有的接觸網(wǎng)靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)驗(yàn)收規(guī)范、運(yùn)行維修規(guī)則未對(duì)剛性懸掛接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。筆者結(jié)合國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)工程實(shí)際應(yīng)用和動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸線(xiàn)平順性、弓網(wǎng)受流等方面分析國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)特征，對(duì)比柔性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)參數(shù)響應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)各參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)值的范圍進(jìn)行適用性分析，并提出國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建議值。

1 國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

剛性懸掛接觸網(wǎng)因其占用空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接觸網(wǎng)無(wú)張力、無(wú)斷線(xiàn)隱患、載流性能好、系統(tǒng)防災(zāi)抗震能力強(qiáng)、施工維護(hù)快捷等諸多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，適用于隧道內(nèi)安裝。國(guó)內(nèi)剛性懸掛接觸網(wǎng)應(yīng)用始于1999年廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)[1]，隨后在上海、南京、成都、北京、寧波等主要城市地鐵線(xiàn)路中均有采用。國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)于2006年首次應(yīng)用于蘭新線(xiàn)烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道[2]，之后在多條線(xiàn)路的低凈空隧道、特長(zhǎng)隧道中廣泛采用，累計(jì)應(yīng)用里程達(dá)330 km，剛性懸掛接觸網(wǎng)在我國(guó)電氣化鐵路領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)工程多為特殊情況下的探索性應(yīng)用，國(guó)鐵牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)維修規(guī)則中未明確剛性懸掛接觸網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》僅提出，為滿(mǎn)足運(yùn)輸?shù)男枰\(yùn)行速度不大于160 km/h的隧道，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)可采用剛性懸掛[3]；TG/GD 116—2017《普速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》僅規(guī)定了采用剛性懸掛時(shí)，電力機(jī)車(chē)（動(dòng)車(chē)組）的運(yùn)行速度不宜超過(guò)120 km/h[4]。

2 國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)參數(shù)特征

與柔性懸掛接觸網(wǎng)相比，剛性懸掛接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約空間、載流量大、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。國(guó)鐵正線(xiàn)投入運(yùn)用的剛性懸掛接觸網(wǎng)均采用隧道側(cè)壁腕臂式結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)為鉸接[2]，懸掛點(diǎn)具有一定的柔韌性，滿(mǎn)足順線(xiàn)路方向轉(zhuǎn)動(dòng)和弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)取流需求。通過(guò)控制吊柱的安裝位置、固定鉸座的安裝高度，調(diào)節(jié)定位線(xiàn)夾的水平位置以及定位線(xiàn)夾旋轉(zhuǎn)頭銅柱體的位置等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸線(xiàn)拉出值和高度的控制，如圖1所示。主要設(shè)備包含定位支持裝置、剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)、中心錨結(jié)、膨脹關(guān)節(jié)、分相裝置等。

圖1 國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)定位結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)特征

2.1.1 接觸線(xiàn)拉出值

拉出值的合理布置可使受電弓碳滑板的磨耗趨于均勻，由于剛性懸掛接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各錨段的匯流排一旦安裝完畢，尤其是膨脹接頭的膨脹間隙設(shè)置完成后，拉出值不能再做調(diào)整，否則膨脹接頭的間隙將發(fā)生變化。因此，剛性懸掛接觸網(wǎng)拉出值不存在初調(diào)和精調(diào)，僅在初安裝匯流排時(shí)一次調(diào)整到位。需重點(diǎn)控制剛?cè)徇^(guò)渡段、膨脹接頭、中心錨結(jié)、最大拉出值（正弦波波峰、波谷）設(shè)置位置等關(guān)鍵懸掛點(diǎn)拉出值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，其他一般懸掛點(diǎn)的拉出值以能滿(mǎn)足匯流排平滑過(guò)渡為準(zhǔn)。

2.1.2 接觸線(xiàn)高度

剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性較弱，高速運(yùn)行的受電弓與接觸線(xiàn)應(yīng)保持良好的弓網(wǎng)關(guān)系，對(duì)接觸線(xiàn)高度的平順性要求較高，以減少離線(xiàn)與燃弧的發(fā)生。

2.2 接觸線(xiàn)平順性參數(shù)特征

2.2.1 硬點(diǎn)

剛性懸掛接觸線(xiàn)上無(wú)線(xiàn)夾，安裝簡(jiǎn)單，因此剛性懸掛接觸網(wǎng)不易產(chǎn)生硬點(diǎn)缺陷，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)中反饋硬點(diǎn)缺陷發(fā)生較多，已成為提高剛性懸掛接觸網(wǎng)運(yùn)行速度的關(guān)鍵制約因素。剛性懸掛接觸網(wǎng)硬點(diǎn)缺陷多發(fā)生在膨脹關(guān)節(jié)、分段絕緣器等位置，主要原因?yàn)榘惭b位置不理想或參數(shù)調(diào)整不到位。

2.2.2 一跨內(nèi)高差

設(shè)計(jì)規(guī)定剛性懸掛接觸網(wǎng)相鄰懸掛點(diǎn)高差不得超過(guò)所在跨跨距值的0.5‰，跨距越小跨中弛度越小，國(guó)鐵剛性懸掛點(diǎn)間距一般不大于8 m，相鄰懸掛點(diǎn)高度安裝誤差可控制在較小范圍內(nèi)。

2.3 弓網(wǎng)受流參數(shù)特征

2.3.1 弓網(wǎng)接觸力

弓網(wǎng)接觸力是反映弓網(wǎng)間動(dòng)態(tài)特性的主要作用參數(shù)[6]。弓網(wǎng)接觸力過(guò)大會(huì)造成接觸線(xiàn)與受電弓碳滑板間磨耗異常，增加運(yùn)營(yíng)成本；弓網(wǎng)接觸力過(guò)小，導(dǎo)電斑減少，接觸電阻增大，接觸表面發(fā)熱嚴(yán)重，增加弓網(wǎng)能耗；當(dāng)弓網(wǎng)接觸力為零時(shí)意味著出現(xiàn)弓網(wǎng)離線(xiàn)，將產(chǎn)生電弧。為保證受電弓取流質(zhì)量，弓網(wǎng)接觸力應(yīng)保證在一定范圍內(nèi)，國(guó)鐵電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組受電弓靜態(tài)接觸力一般為(70±10) N，動(dòng)態(tài)作用下弓網(wǎng)接觸力的波動(dòng)與速度關(guān)系較密切，隨著速度的提高，弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)不斷加劇[7]。

2.3.2 燃弧

大量關(guān)于地鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)運(yùn)用情況分析的文獻(xiàn)表明，剛性懸掛接觸網(wǎng)更容易產(chǎn)生弓網(wǎng)間燃弧，但關(guān)于國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)間燃弧的研究或分析較少。受電弓與接觸線(xiàn)相互滑動(dòng)運(yùn)行時(shí)，包含了多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電氣變化的過(guò)程[8]，受電弓通過(guò)適當(dāng)?shù)奶εc接觸線(xiàn)互相耦合，隨著列車(chē)速度的提高和振動(dòng)的加劇，剛性懸掛彈性較差的缺點(diǎn)使得弓網(wǎng)耦合狀態(tài)不良，繼而在受電弓滑板與接觸線(xiàn)之間產(chǎn)生電弧以維持電流的存在。

3 接觸網(wǎng)參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比分析

剛性懸掛與柔性懸掛接觸網(wǎng)參數(shù)特征有較大差別，選取典型長(zhǎng)大隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)最近5年的檢測(cè)數(shù)據(jù)與同線(xiàn)路柔性懸掛接觸網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，分析兩種不同類(lèi)型接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)的參數(shù)特征響應(yīng)。檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于按線(xiàn)路實(shí)際運(yùn)行速度運(yùn)行的接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)（檢測(cè)車(chē)受電弓升弓不受流），檢測(cè)數(shù)據(jù)按接觸網(wǎng)跨進(jìn)行各參數(shù)的核密度統(tǒng)計(jì)分析，兩種類(lèi)型接觸網(wǎng)統(tǒng)計(jì)跨數(shù)基本相同。

兩種不同類(lèi)型接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)跨內(nèi)平均速度的核密度統(tǒng)計(jì)如圖2所示。可以看出，兩者檢測(cè)速度的分布區(qū)間及核密度曲線(xiàn)的極值位置基本一致，即能夠利用所選的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)在速度基本一致時(shí)對(duì)兩種不同類(lèi)型接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 跨內(nèi)平均速度核密度

3.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)特征響應(yīng)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比

柔性懸掛接觸網(wǎng)拉出值設(shè)計(jì)呈之字形布置（設(shè)計(jì)最大值400 mm），跨內(nèi)拉出值最大值動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)主要分布在100～400 mm，跨內(nèi)最大動(dòng)態(tài)拉出值達(dá)500 mm，跨內(nèi)接觸線(xiàn)高度最值（最大值和最小值去均值化）動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)分布范圍較大，動(dòng)態(tài)最值偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值較多，主要分布在0～50 mm，隨著速度的提高分布范圍更大，最大值達(dá)200 mm；剛性懸掛接觸網(wǎng)拉出值設(shè)計(jì)呈正弦波布置（設(shè)計(jì)最大值200 mm），跨內(nèi)拉出值最大值動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布范圍較為集中，分布在0～210 mm，跨內(nèi)接觸線(xiàn)高度最值（最大值和最小值去均值化）動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)分布范圍也較為集中，分布在0～20 mm，且不受速度影響。

3.2 接觸線(xiàn)平順性參數(shù)特征響應(yīng)

接觸網(wǎng)平順性參數(shù)特性響應(yīng)對(duì)比如圖4所示。對(duì)于柔性懸掛和剛性懸掛，接觸網(wǎng)硬點(diǎn)值具有相同的分布區(qū)間，主要分布在0～20g，均隨著速度的提高分布范圍增大，相同速度等級(jí)下剛性懸掛硬點(diǎn)值略比柔性懸掛硬點(diǎn)值分布離散；柔性懸掛接觸網(wǎng)一跨內(nèi)高差動(dòng)態(tài)檢測(cè)值主要分布在0～100 mm，隨著速度的提高一跨內(nèi)高差離散值增多，剛性懸掛接觸網(wǎng)一跨內(nèi)高差動(dòng)態(tài)檢測(cè)值集中分布在0～20 mm，受速度影響較小。

圖4 接觸網(wǎng)平順性參數(shù)特性響應(yīng)對(duì)比

3.3 弓網(wǎng)受流參數(shù)特征響應(yīng)

弓網(wǎng)受流參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比如圖5所示。柔性懸掛接觸網(wǎng)和剛性懸掛接觸網(wǎng)具有相似的弓網(wǎng)接觸力響應(yīng)特征，弓網(wǎng)接觸力最大值主要分布在80～160 N，最小值主要分布在40～100 N，隨著速度的提高弓網(wǎng)接觸力增大且離散值增多；剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在0～30 N，柔性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在10～20 N；兩種類(lèi)型接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差均隨著速度的提高而增大。

圖5 弓網(wǎng)受流參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

普速鐵路接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)受電弓升弓不受流，檢測(cè)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確分析燃弧參數(shù)特征響應(yīng)，選取同條件下綜合檢測(cè)列車(chē)在某隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)連續(xù)5年的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)燃弧參數(shù)特征進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該剛性懸掛接觸網(wǎng)除膨脹關(guān)節(jié)、分段絕緣器等特殊位置外，其他區(qū)段未出現(xiàn)明顯的燃弧特征。

4 剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討

目前，國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)均為長(zhǎng)大線(xiàn)路中的局部應(yīng)用，為適應(yīng)柔性懸掛接觸網(wǎng)參數(shù)特征要求，在有剛性懸掛接觸網(wǎng)應(yīng)用的線(xiàn)路中運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組受電弓弓頭外形輪廓、靜態(tài)壓力等參數(shù)仍然按適應(yīng)柔性懸掛接觸網(wǎng)性能配置。

4.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)評(píng)價(jià)

基于受電弓的外形輪廓、柔性懸掛接觸網(wǎng)的參數(shù)特征，普速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)柔性懸掛接觸網(wǎng)拉出值和接觸線(xiàn)高度分別制定了一級(jí)、二級(jí)缺陷范圍值。國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)最大拉出值為200 mm，遠(yuǎn)小于受電弓外形輪廓對(duì)接觸線(xiàn)拉出值的安全限值要求，剛性懸掛接觸網(wǎng)高度安裝誤差易于控制。結(jié)合以上對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)特征響應(yīng)的對(duì)比分析，建議國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)不對(duì)接觸線(xiàn)拉出值做限值缺陷評(píng)價(jià)，接觸線(xiàn)高度按超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值±20 mm做限值缺陷評(píng)價(jià)。

4.2 接觸線(xiàn)平順性參數(shù)評(píng)價(jià)

剛性懸掛接觸網(wǎng)跨距一般不大于8 m，接觸線(xiàn)安裝高度容易控制，無(wú)較大弛度和抬升量變化，一跨內(nèi)高差特征響應(yīng)主要分布在0～20 mm，受速度影響較小，檢測(cè)數(shù)據(jù)受檢測(cè)系統(tǒng)誤差影響較大，因此建議剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)不對(duì)一跨內(nèi)接觸線(xiàn)高差做限值缺陷評(píng)價(jià)。

接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的限值評(píng)價(jià)目的主要是為保護(hù)受電弓和接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全，國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)與柔性懸掛接觸網(wǎng)采用了相同的受電弓，且硬點(diǎn)參數(shù)特性響應(yīng)相似，因此建議剛性懸掛接觸網(wǎng)硬點(diǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與柔性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

4.3 弓網(wǎng)受流參數(shù)評(píng)價(jià)

弓網(wǎng)接觸力的大小主要與接觸網(wǎng)性能、受電弓靜態(tài)抬升力和列車(chē)運(yùn)行速度相關(guān)，根據(jù)圖4所示的弓網(wǎng)接觸力特征響應(yīng)對(duì)比結(jié)果，剛性懸掛接觸網(wǎng)和柔性懸掛接觸網(wǎng)具有相似的弓網(wǎng)接觸力特性響應(yīng)和接觸力值分布范圍。剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差較大，這主要與剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性弱的特性相關(guān)，高速運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)間振動(dòng)較大。弓網(wǎng)接觸力主要影響接觸線(xiàn)和滑板的磨耗，但剛性懸掛接觸線(xiàn)無(wú)張力，可以承受更大的磨耗量。目前運(yùn)營(yíng)的線(xiàn)路中，剛性懸掛接觸網(wǎng)在線(xiàn)路中的占比較小，剛性懸掛接觸網(wǎng)不是影響受電弓滑板磨耗的主要因素。

國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)燃弧參數(shù)特征響應(yīng)不明顯，不如地鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)燃弧劇烈，主要由于以下幾方面原因：國(guó)鐵剛性接觸網(wǎng)采用側(cè)壁腕臂式安裝方式，較地鐵垂直吊架安裝方式具有更好的柔韌性，具備一定量均勻分布的彈性；國(guó)鐵牽引供電電壓為交流25 kV，地鐵牽引電壓一般為直流1.5 kV，因此國(guó)鐵機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組牽引電流較地鐵車(chē)輛小很多；國(guó)鐵機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度高，配置了較地鐵車(chē)輛性能更優(yōu)的受電弓，具有更好的弓網(wǎng)跟隨性，且運(yùn)行速度相對(duì)均勻，不存在頻繁加速減速情況。

基于以上弓網(wǎng)受流參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比及分析，建議剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)接觸力、燃弧以及接觸網(wǎng)電壓參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)保持與柔性懸掛接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一致。

4.4 建議評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上對(duì)剛性懸掛接觸網(wǎng)參數(shù)特性分析、剛性懸掛與柔性懸掛接觸網(wǎng)參數(shù)特征響應(yīng)對(duì)比分析以及各參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用性分析，參照《普速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》中動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分方法[4]，提出160 km/h及以下速度國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)建議評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)建議評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際探討提出了國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建議值。目前國(guó)鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)的總體占有比例偏小，相關(guān)的科學(xué)研究相對(duì)較少，運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)有限，掌握的檢測(cè)分析數(shù)據(jù)存在一定的局限性，編制并形成系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，并不斷總結(jié)相關(guān)規(guī)律，為剛性懸掛接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供支撐。