神朔鐵路接觸網大修改造方案研究

王碰雄

國家能源集團神朔鐵路分公司，陜西神木，719300

0 引言

電氣化鐵路作為國民經濟的大動脈，在我國交通運輸體系中有著舉足輕重的地位，是國家重要的基礎設施[1]。接觸網作為電氣化鐵路的組成部分，承擔著車、網連通的重要作用。神朔鐵路自電氣化開通以來，已運行近二十年，接觸網磨耗大，接近大修期；并且，隨著神朔鐵路近年來運量不斷增加，牽引負荷加大，部分區段接觸網載流能力已達到極限。因此，為適應現有運輸組織運量需求，需對全線接觸網運行現狀重新進行評估并針對存在的問題提出解決措施。

1 神朔鐵路接觸網運行現狀及存在問題

神朔鐵路公司運營里程266公里，神東（不含）至王家寨（含）采用直供加回流供電方式，王家寨（不含）至朔西采用AT供電方式[2-5]。接觸網正線1665.3742換算條公里、站線359.071換算條公里、專用線145.889換算條公里，合計2170.3342換算條公里。電分相34組（器件式分相27組，帶電自動過分相7組）。神朔鐵路自開通以來，歷經多次改造，邊改造邊運營，設備型號不統一，設備運行年限差異較大。近年來，部分區段接觸網設備故障次數增多，總維修時間變長，對列車的正常運行造成了不利影響。

1.1 接觸懸掛系統存在問題

神朔鐵路接觸網導線主要存在以下問題：

（1）神朔線現有鋼鋁復合導線217.973公里，主要分布在大柳塔（含）至神木北（含）區間上下行，神木北至府谷(含）區間下行；神池南至朔西區段。其中神池南至朔西區段2000年開通，大柳塔（含）至府谷（含）區間2002至2003年分段逐步開通?，F均已達到或接近大修年限。

（2）神朔線正線現有鋼鋁復合導線167個錨段，根據測量的磨耗數據統計，目前共有116個錨段磨耗超過15%（警示值），其中67個錨段磨耗超過20%（限界值）。

（3）由于導線材質不統一，且不同材質導線位置不集中，在站場岔區、區間錨段關節位置存在大量的銅鋁過渡，電化學腐蝕嚴重，目前通過頻繁更換線夾來維持設備正常狀態。

（4）鋼鋁復合導線目前已經大面積淘汰，絕大多數生產廠家已經停止生產鋼鋁復合導線，導致采購困難。目前神朔線用于正線的GLCN250鋼鋁復合導線庫存嚴重不足，不能滿足安全儲備需求。

（5）神朔線現有單線隧道50座，由于設計年代久遠、標準較低，凈空不足。導致現有導線高度不足（設計5750mm，實際最低點5377mm），需通過改變懸掛形式予以解決。

（6）由于管內61座隧道年代久遠，施工工藝落后，其中36座滲漏水嚴重，導致隧道內接觸懸掛腐蝕嚴重。

1.2 軟（硬）橫跨存在問題

隨著運量的逐年提升，站場作業量明顯增加，尤其是對站場接觸網提出更高的穩定性要求。現有站場除朱蓋塔站、賀職站、寇莊站場使用硬橫梁外，其余站場均使用軟橫跨結構。自開通以來，以上三站均未發生導流、機械方面的故障。反而在軟橫跨結構車站，發生過橫承燒斷、懸吊滑輪處導線燒傷斷股故障。

1.3 支柱與基礎存在問題

神朔鐵路不少區段接觸網支柱老舊，存在破損情況。個別區段支柱側面限界不夠，支柱容量不足，給運行帶來安全隱患，主要存在以下問題：

（1）更換銅導線后導線質量較鋁線有所增加，且供電能力提升工程后附加導線增加，H38鋼筋混凝土支柱容量不能滿足運行要求。目前神朔線共有H38鋼筋混凝土支柱361棵。

（2）隨著大型養路機械的大面積應用，神朔線部分支柱不能滿足大型養路機械對側面限界的要求。神朔線共有支柱10087棵，其中有4034棵小于3.1m。

（3）神朔線早年地處干旱地區，設計之初對防洪要求較低，部分支柱基礎、拉線基礎設置在水溝及橋頭護錐內，近年陜北地區氣候治理效果顯著，雨量明顯增多，設置在水溝及橋頭的基礎形成防洪安全隱患，需重新布置錨段，變更基礎位置以消除防洪隱患。

2 接觸網載流評估計算

2.1 接觸網載流量計算

（1）計算方法

接觸網載流量是電氣化鐵路的基礎設計參數，也是決定牽引供電系統供電能力的重要參數。接觸網導線主要由承力索和接觸線構成。早期我國電氣化鐵道大量使用鋼材質承力索，由于鋼材質承力索為鐵磁材料，內阻抗大，分流作用有限，后來逐漸改用銅材質載流承力索，顯著提高了接觸網的載流能力。傳統的接觸網載流量計算方法只考慮接觸線、承力索和加強線（如果有）的并聯關系，按阻抗并聯進行分配電流。

本評估是基于牽引網多導體傳輸線數學模型，并考慮回流電路影響，對典型的實際的帶回流線的直接供電方式牽引網和自耦變壓器供電方式牽引網進行了計算與評估?？紤]到接觸網各導線自阻抗和導線間互阻抗對電流分配系數的影響，由于回流導線和供電導線之間存在電磁耦合作用，回流線（保護線）對接觸線、承力索及加強線的耦合影響不同，精確計算各并聯導線的電流分配系數需考慮回流電路的影響，這是對傳統的接觸網載流量計算方法的改進[6-7]。

接觸網的整體載流量取決于最早達到安全允許電流的導線。用各單根供電導線（接觸線、承力索或加強線等）的載流量INi除以對應的電流分配系數αi可以分別得到一個接觸網載流量ITi：

取全部m個載流量的最小值，作為接觸網的載流量，可使所有導線都不超過允許值。

（2）直接供電方式接觸網載流量

本評估對典型的帶回流線的直接供電方式牽引網進行了建模計算，其結構如圖1所示，列車取用的電流通過接觸網供給，鋼軌和與其并聯的回流線（NF線）構成回流導線，還有一部分電流通過大地回流。地中回流的比例與鋼軌對地漏泄電阻、回流線安裝位置及安裝方式、大地電阻率等因素有關，一般為10%～20%。

經計算，帶回流線的直接供電方式線路牽引網各線電流分配系數如表1所示，各單根導線的載流量如表2所示。以黃羊城-南梁（下行）段為例，算例中接觸線型號為GLCN250，承力索和回流線的型號皆為LBGLJ-185。

表1 牽引網電流分配系數αi

表2 牽引網各導線電流INi

根據上述接觸網載流量計算方法可得，載流量為1105A。對于帶回流線的直接供電方式牽引網，可采用增設加強線的方法提高接觸網載流量水平，加強線型號為LBGLJ-300，經計算得，增設加強線后接觸網載流量可提高至1684A。

（3）自耦變壓器供電方式接觸網載流量

自耦變壓器供電方式可以用兩類回路描述，一類是與直供牽引網類似的接觸網－鋼軌回路（TR回路），由牽引變壓器與兩個AT的上半繞組向列車供電；另一類是接觸網－正饋線回路（TF回路），由牽引變壓器向兩個AT供電。兩個回路電流均流過接觸網，但TR回路的回流導線為鋼軌和保護線，TF回路的回流導線為正饋線，如圖2所示。

當用TR回路描述時，AT供電方式牽引網各導線電流分配系數計算結果如表3所示，各單根導線的載流量如表4所示。以賀值-韓家樓段為例，接觸網型號為CTAH-150，承力索為JTMH-150，回流線為LBGLJ-95，根據上述計算原則可得，工作溫度95℃時（以下均按該工作溫度核算）的接觸網載流量為1026 A。若增設加強線，加強線型號為LGJ-185，則各線電流分配系數如表5所示，各單根導線載流量如表6所示，接觸網載流量可提高至1514A。

表3 TR 回路牽引網電流分配系數αi

表4 牽引網各導線電流INi

表5 TR回路牽引網電流分配系數αi（增設加強線）

表6 牽引網各導線電流INi（增設加強線）

當用TF回路描述網絡時，各導線型號與上述算例相同。各導線電流分配系數計算結果如表7所示，各單根導線的載流量如表8所示。根據上述計算原則，經計算后得到AT供電方式接觸網載流量為1041A。若增設加強線，加強線型號為LGJ-185，則各線電流分配系數如表9所示，各單根導線載流量如表10所示，接觸網載流量可提高至1368A。

表7 TF 回路牽引網電流分配系數αi

表8 牽引網各導線電流INi

表9 TF 回路牽引網電流分配系數αi（增設加強線）

表10 牽引網各導線電流INi（增設加強線）

對于AT牽引網，存在回流網絡不同的兩個回路，按上述兩種建模方法可以確定兩個載流量，一個留有安全裕量的方法是取較小值，則該算例的載流量取值為1026A。

2.2 正線接觸網載流量評估

根據上文方法計算了全線各段不同導線組合下的載流量大小，結果如表11所示。導線的溫升時間常數一般為4～5min，受氣溫、風速及日照條件等因素影響會有變化。目前評估接觸網載流量并無明確標準和方法，本文取15min平均最大電流作為衡量標準。根據表3中全線接觸網載流量計算結果與實測結果對比，接觸網載流量不足的供電臂有：神木北-黃羊城、府谷-保德。這2個供電臂也存在牽引變壓器過載現象。另外，南梁-蛇口峁和賀職-義井兩個供電臂載流量余量處于臨界值。

表11 正線接觸網載流量

2.3 萬噸站側線股道GJ70+GLCN195接觸網載流量

承力索是電氣化鐵路接觸網中主要設備，應用于工程計算，單鏈型懸掛接觸網采用鍍鋅鋼絞線GJ-70承力索時，其穩態載流量為120A。隨著電氣化鐵路運營速度的不斷提高，要求承力索不但具有良好的承負載能力，而且還能起到一定的分流作用。

GLCN195為內包式鋼鋁接觸線，載流量參考值如表12所示，表中給出的載流量為環境溫度為35℃，最高工作溫度為80℃，當最高工作溫度為90℃時，表中各值相應提高10%。在一定環境溫度下，接觸線承受0.6倍持續載流量的電流負荷溫升穩定后，再施加一定的過載電流，使接觸線經過規定時間（20min或5min）溫度達到最高允許值。這個短時的過載電流稱為20 min過載流量或5min過載流量。載流量溫度校正系數如表13所示。

表12 GLCN195 載流量（參考值）

表13 載流量溫度校正系數表

當接觸網由多種導線組成時，其容許電流決定于最早達到安全允許電流的導線。導線電流及其持續時間表現為導線溫升及其對導線機械性能的影響。所以規定接觸網導線的最高溫度，銅導線不應超過80℃，鋁導線不應超過90℃，鋼導線和鋼鋁導線不應超過70℃。

對于接觸線GLCN195，由表12可知，其允許電流為430A，短時可允許20分鐘電流達470A，一般導線熱時間常數約為5分鐘，15～20分鐘即達到穩定溫度。簡單懸掛接觸網的容許電流即等于接觸導線容許電流。采用鋼承力索單鏈形懸掛的接觸網，容許電流的計算要比較復雜，因為鋼承力索的參數隨電流變化。常用的GJ-70的特性如表14所示。

表14 GJ70 特性

接觸線導線的漏阻抗為，

其絕對值為0.352Ω/km。承力索參數隨電流變化，故承力索漏阻抗可寫為：

其中0.1451g(dic/Rc)=0.323，rc和xoc為與電流有關的變量。

承力索漏阻抗與電流Ic的關系，應用表14和上式計算。設接觸導線電流為430A，那么，承力索漏阻抗為2.4Ω/km時電流Ic為63.0A，漏阻抗為2.6Ω/km時電流Ic為58.2A。按承力索漏阻抗分配給承力索的電流，可得接觸導線電流為430A時，Ic為60A。60A低于承力索允許電流120A。所以，忽略兩導線中電流的相位差，可知由GJ-70構成的單鏈形懸掛持續容許電流為430+60=490A。

接觸導線5min允許電流為650A時，按承力索漏阻抗分配給承力索的電流計算方法，Ic為71A，也低于承力索允許電流。所以單鏈形懸掛接觸網5分鐘容許電流為650+71=721A。

對于萬噸列，在站線通常不會超過5min，目前的萬噸站側線股道GJ70+GLCN195接觸網靠短時過載，能夠滿足需要。

3 接觸網大修改造方案研究

針對神朔鐵路牽引供電系統的現狀，在盡量維持既有接觸網的前提下，采用改移接觸網電分相的方式，均衡各區段牽引負荷分配，提高牽引網網壓，避免負荷電流過大超過接觸網導線載流量。

以下給出測試時段分區所電壓波動范圍（供電臂末端）、萬噸列車行駛經過供電臂末端的網壓數據，以及含有自動分相的神朔鐵路線路示意圖，參考GB/T 1402-2010和GB/T 28027-2011進行分析。

表15為實測分區所電壓情況，根據GB/T 1402-2010中4.1節電壓標準來分析電壓是否滿足要求。根據電力機車功率發揮特性，當接觸網電壓小于22.5kV時，電力機車將不能發揮額定功率，必須降額運行，所以電壓應不低于22.5kV才能保障機車牽引功率發揮。

表15 分區所電壓波動范圍

以功率因數相對較低、諧波電流注入相對更多的SS4B電力機車為參考，表16給出了“2+2”編組的萬噸列經過供電臂末端的網壓實測數據。根據表16中供電臂末端網壓實測數據可看出，萬噸列車經過保德--橋頭、橋頭--王家寨、王家寨--陰塔、陰塔--韓家樓4個供電臂末端時，網壓均低于22.5kV。部分區段供電臂末端網壓較低，原因是從保德分區所到義井分區所，海拔逐漸攀升，坡道較陡，如圖3所示，列車在供電臂末端處于爬坡階段，取流較大。

表16 萬噸列車供電臂末端網壓

根據自動過分相運用情況和線路實際條件，可適當調整優化以下電分相位置：陰塔、王家寨和橋頭。陰塔、王家寨和橋頭電分相位置向小公里方向移動，適當減輕陰塔-王家寨、橋頭-王家寨、橋頭-保德3個供電臂的負荷壓力，改善網壓條件，降低負荷電流，避免超過接觸網導線載流能力。

保德 府谷 11:58 25.56 合格 合格 未高于 未高于橋頭 21.85 合格 合格 未高于 未高于王家寨 橋頭 12:23 21.00 合格 合格 未高于 未高于陰塔 22.00 高于 高于 未高于 未高于韓家樓 陰塔 12:50 21.42 合格 合格 未高于 未高于賀職 27.29 合格 合格 未高于 未高于義井 賀職 13:33 22.82 合格 合格 未高于 未高于神池南 24.24 合格 合格 未高于 未高于

4 結論

本文對神朔鐵路牽引網的現狀及存在問題進行了分析，根據直供區段、AT供電區段以及車站牽引的載流量評估計算，提出了調整全線接觸網電分相設置的大修改造方案，檢算結果驗證了大修改造方案技術上是可行的。改造方案不改變接觸網的現狀，具有較好的經濟性。該研究對類似工程的相關研究具有較強的借鑒意義。