大風區域電氣化鐵路接觸網防風技術

中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司 李其楠

1 引言

鐵路是國家基礎建設的重點投資項目，同時也為實現國民經濟發展提供關鍵助力[1]。電氣化鐵路在穿越大風區域時，其接觸網受到風力擾動的影響，不僅會帶來結構不安全因素，而且會影響電流和電信號傳輸的變化[2]。為了提高電氣化鐵路接觸網的抗風能力，本文研究鐵路接觸網防風技術改進方法，結合現有設計標準和相關理論研究成果，對產生問題的原因進行分析，并對強風地區接觸網設備選型提出優化建議。

2 風力對電氣化鐵路運行影響分析

2.1 風力過大影響鐵路運行安全性

接觸網在電氣化鐵路系統的穩定運行過程中，一方面傳遞動力信號，另一方面傳遞控制信號，相當于鐵路系統的神經中樞[3]。接觸網可以有效連接各種隔離開關、避雷器、高低壓變壓器和其他動力設備。通過觀察對比發現，風力過大時接觸網連接頭受到頻繁擾動，會增大事故出現的風險，可能發生的事故為連接線的連接部分反復磨損，存在斷裂的可能，會引發脫線；引線可能存在因為磨損出現斷股的現象，如果更換不及時，會影響信號的傳輸，給鐵路系統的安全穩定運行帶來風險；相鄰引線或者脫落的引線可能在風力的作用下，因為絕緣皮破裂而相互搭接，從而引發短路風險，嚴重時甚至會造成火災等自然災害事故。

2.2 防風措施不當會增加鐵路系統的運營成本

對于布設在大風區域的電氣化鐵路系統，需要做好觸控網防風措施[4]。由于防風措施的科學性和可操作性不強，可能會額外增加鐵路系統的運營成本。一方面，大風作為一種自然現象，很難觀測和預警，其發生頻率具有極大的隨機性，如果采用的防風措施過于復雜，必然會額外使用很多電器電子設備，這些電器電子設備需要調撥專項資金進行運維，導致鐵路系統的運營帶來額外支出。另一方面，如果鐵路系統觸控網防風措施不科學，在風力增大時發揮不了有效的作用，必然會導致鐵路系統因為風力破壞產生安全運行風險，從而造成安全事故。目前鐵路系統機務段采取人工觀測的方法監控風力變化，這種方法需要投入大量的人力，同時觀測結果不準確，為了減少因為防風措施不當造成的鐵路系統運營成本超額，除了制定科學合理的防風措施之外，還應該實現人工作業向智能化監測的轉型[5]。

3 電氣化鐵路觸控網防風可行方法

3.1 改進結構設計實現防風

接觸網是一個復雜的多元（連接點）耦合結構，具有強大的整體相關性。對接觸網的防風性能進行改進，基本的方法是改進結構設計。

鐵路接觸網為了增加抗風阻力，需要優化隔離開關與框架支柱之間的相對高度。隔離開關是鐵路系統必不可少的功能性元件，為了減少引線故障對接觸網本身供電能力的負面影響，隔離開關一般設置在接觸網的上網點處。工作人員為了實現結構平衡，設計隔離開關的安裝位置時需要進行受力分析。此時，除了實現靜態力學平衡之外，還需要考慮到風力的干擾。根據工程實踐經驗，隔離開關與接觸網上網點之間的距離至少要保持0.5m，當風力變大時需要適當降低。

研究人員在進行電氣化鐵路接觸網優化設計時，需要考慮到引線的絕對地緣距離因為熱脹冷縮現象而引發的變化。接觸網與各個元器件的連接節點以及接觸網上各種元器件之間的連接節點之間必須控制精準的長度裕度，但是由于鐵路接觸網經常分布在野外，不可控的環境溫度變化經常會改變長度裕度值，從而使各個連接節點之間的電阻值發生改變。因此，進行接觸網連接節點設計時，需要考慮到環境溫度變化的影響，同時需要進行風力對長度裕度值的動態影響模擬，使長度裕度值能夠抵消這兩種已知的動態值的不良影響，從而實現對接觸節點電阻值的精準控制。

3.2 利用增強技術實現防風

接觸網利用增強技術實現防風。一方面需要改進結構設計，比如架設支撐點的位置。在隔離開關與承力索的連接部位，需要架設相當于固定支撐點的托架。托架的形式一般設計成長條形，同時采用三腳架的形式進行支撐。三腳架與托架、托架與隔離開關和承力索的連接部分，這些接觸點的承力結構設計需要考慮到風力的沖擊，增加合適的結構穩定裕度才能夠保證在風力的沖擊下依然保持穩定。另一方面，需要采用新材料構建托架與三腳架。由于鐵路接觸網在實際運營過程中需要考慮到經濟成本，并且風力對接觸網的沖擊經常表現為長時間微擾動的形式，如果選擇的材料韌性不達標，很可能會因為微擾動引發共振從而對接觸網造成永久性破壞，或者經受不住風的擾動頻繁出現斷裂現象。因此，利用增強技術實現防風，既需要考慮到結構形式的改進，也需要選擇合適的材料。

3.3 通過引線合并實現防風

研究人員通過將單一的引線進行合并來實現提高電氣化鐵路接觸網的防風效果，這也是增強防風性能的重要技術措施。高鐵接觸網上的引線，在其分散時，防風能力減弱，而將引線通過綁扎進行合成，則會顯著提高引線的自身穩定性。通常比較科學的引線綁扎形式是呈“品”字形進行綁扎。

4 電氣化鐵路觸控網防風實現實例

4.1 仿真設置

選擇京九線途經湖北某縣的一段鐵路進行仿真試驗。該路段所經地理位置復雜，屬于兩山夾縫之間的風口地帶，頻繁遭受長時間、大風力的擾動。研究人員為了改進鐵路接觸網的防風性能，需要構建接觸網的氣動仿真模型。

氣動仿真模型采用基于COMSOL 架構的二次開發軟件實現。選擇典型的直鏈形懸掛方式進行全補償優化仿真。接觸網支架的類型選擇Φ300×8.5的鋼管柱，匹配張力與偏移量預設值見表1。

表1 匹配張力和偏移量預設值

4.2 仿真結果

本文采用改進結構形式的方式實現防風性能的增強，主要研究隔離開關與接觸網上網點之間的距離與結構強度的變化關系。假設風力的速度為3m/s，直鏈形懸掛方式的結構強度與隔離開關和接觸網上網點，相對距離與結構強度之間的變化關系如圖1所示。

圖1 相對距離與結構強度之間的變化關系

由圖1 可知，選擇相對距離的最小值為0.5m，結構強度與相對距離之間的變化關系不是線性的。隨著隔離開關和接觸網上網點之間的相對距離不斷增大，直鏈形懸掛方式的結構強度會逐漸增強，其承力性能不斷變優；當相對距離增加到某一個限定值之后，結構強度會逐漸下降。根據仿真結果可以判斷，當風速為3m/s 時，最佳的相對距離為1.05m，此時結構強度達到最大值，約325kN。

另外，可以改變風速值，研究當相對距離為1.05m 時，風速與結構強度之間的變化關系如圖2所示。

圖2 風速與結構強度之間的變化關系

由圖2 可知，在固定的相對距離條件下，風速與結構強度之間的變化關系同樣是非線性的。隨著風速的增加，在隔離開關和接觸網上網點之間的相對距離為最優值時，直鏈形懸掛方式的結構強度會逐漸增強，并且在風速達到2.25m/s 時達到最大值。結果說明，通過調整相對距離，可以使接觸網的結構強度在一定范圍內保持對風力帶來的干擾實現有效抑制，從而實現接觸網的相對穩定。但是，這種相對穩定狀態會隨著風速的增加而遭到破壞，會隨著風速的增大而出現結構強度下降趨勢。因此，選擇隔離開關和接觸網上網點之間的相對距離時，需要綜合考慮風速的影響，這樣才能夠選擇最優的相對距離，并且在較大的裕度范圍內實現結構強度的穩定。

4.3 結構改進注意事項

研究人員采用改進結構設計的方式，提高大風區域電氣化鐵路接觸網的防風性能，在設計和施工中需要注意以下事項。

一是采用系統的觀點分析問題并提出設計方案。由仿真實例可以看出，為了提高接觸網的防風強度，不僅需要考慮風速的大小，還需要綜合考慮隔離開關和接觸網上網點之間的相對距離。這說明，研究人員在進行鐵路接觸網防風方案設計時，需要綜合考慮多種要素，需要關注結構強度變化受到多種因素的制約作用，這樣才能夠以最低的成本實現結構強度的最優設計。

二是提高施工水平。鐵路接觸網通過多元器件實現多種電氣元件的連接，屬于相對精密的鐵路設備。因此，在進行施工時，一方面需要關注因為元件不同位置分布帶來的形狀變化，另一方面需要對元件連接進入接觸網之后相關電阻值的變化進行實時測量，避免因為元器件和結構設計的改變引起電阻值超標給接觸網電流傳輸帶來額外的限制，從而影響接觸網的實際使用性能。

5 結語

大風區域電氣化鐵路接觸網防風技術的改進實現，是一個復雜的系統工程，不僅需要關注技術實現的細節，同時需要綜合考慮多種因素的影響。本文結合風力對電氣化鐵路運行效能的影響分析，提出了改進電氣化鐵路觸控網防風性能的可行性方法，選擇京九線途經湖北某縣的一段鐵路進行仿真試驗，說明了如何利用改進結構形式的方式實現防風性能的增強。運維人員在后續的施工中，需要圍繞本文提出的技術措施進行深入研究，提出具體可行的施工方案，同時采用系統論的觀點分析多因素耦合帶來的復雜影響，這樣才能夠進一步提升電氣化鐵路接觸網的防風性能，保障鐵路的安全穩定運行。