高速铁路接触网悬挂形式

1、高速铁路接触网悬挂高速铁路接触网悬挂形式接触悬挂形式是指接触网的基本结构形式，它反映了接触网的空间结构和几何尺寸。不同的悬挂形式，在工程造价、受流性能、安全性能上均有差别，另外，对接触网的设计、施工和运营维护也有不同的要求。对高速接触网悬挂形式的要求是：受流性能满足高速铁路的运营要求、安全可靠、结构简单、维修方便、工程造价低。世界上发展高速铁路的主要国家如：日本、德国、法国的高速接触网悬挂形式是在不断改进中发展起来的，主要有三种悬挂形式：简单链形悬挂、弹性链形悬挂、复链形悬挂。各国对这三种悬挂形式有不同的认识和侧重，根据各自的国情发展自己的悬挂形式。日本的高速线路如：东海道新干线、山阳新干线、

2、东北新干线、上越新干线均采用复链形悬挂，近几年来，日本高速铁路又采用了简单链形悬挂；法国的巴黎一里昂的东南线采用弹性链形悬挂，巴黎一勒芒图尔的大西洋线采用接触导线带预留弛度的简单链形悬挂；德国在行车速度低于160 km/h的线路采用简单链形悬挂，在160 km/h及以上的线路采用弹性链形悬挂。下面分别介绍简单链形悬挂、弹性链形悬挂和复链形悬挂三种形式的结构和技术性能。简单链形悬挂简单链型悬挂结构简单，弹性均匀度较好，接触悬挂稳定性好，施工及运营管理方便，是世界上使用最多的一种悬挂类型。我国绝大部分电气化铁路都采用这种悬挂方式。结构形式如图31所示。 图31 简单链型悬挂（1承力索 2吊弦 3接

3、触线）性能特点：结构简单、安全可靠、安装调整维修方便，适应于高速受流。定位点处弹性小，跨中弹性大，造成受电弓在跨中抬升量大，跨中采用预留弛度，受电弓在跨中的抬升量可降低;定位点处易形成相对硬点，磨耗大。如果选择结构形式合理、性能优良的定位器，则可消除这方面的不足。弹性链悬挂弹性链形悬挂在简单链型悬挂基础上增加了一根弹性吊索，改善了接触网的弹性不均匀度。但结构比较复杂，弹性吊索安装、调整工作量大。在跨距较小时，弹性链形悬挂和简单链形悬挂弹性均匀性差别不大。结构形式如图32所示。 图32 弹性链形悬挂弹性吊索 2承力索 3吊弦 4接触线在结构上，相对于简单链形悬挂在定位点处装设弹性吊索，主要有两种

4、形式：“”形和“Y”形。弹性吊索的材质一般与承力索相同，其线胀系数与承力索相匹配。性能特点：结构比较简单，改善了定位点处的弹性，使得定位点处的弹性与跨中的弹性趋于一致，整个接触网的弹性均匀，受流性能好。其缺点是弹性吊索调整维修比较复杂，定位点处导线抬升量大，对定位器的安装坡度要求也较严格。三、复链型悬挂复链型悬挂在简单链型悬挂的基础上增加了一根辅助承力索，使接触网弹性更加均匀。但结构太复杂，施工及运营维护不方便，事故抢修难度大。目前只在日本使用。结构形式如图33 所示。 1 2 3 4 5 图33 复链型悬挂1承力索 2吊弦 3辅助承力索 4辅助吊弦 5接触线复链型悬挂在结构上，承力索和接触导

5、线之间加了一根辅助承力索。性能特点：接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂、抗风能力强。 总之三种悬挂类型在结构和技术性能方面存在着一定的差异，但理论研究与各国的运营实践都表明，三种悬挂类型均可满足客运专线列车高速运行要求。在我国TB10621-2009高速铁路设计规范规定高速铁路接触网悬挂类型采用全补偿简单链形悬挂或全补偿弹性链形悬挂。双弓或多弓取流时宜采用全补偿弹性链形悬挂。这是因为世界各国在确定悬挂类型时，除考虑接触网自身的和弹性不均匀度因素外，对取流受电弓的个数、受电弓的弹性受流的评价标准也是重要的考虑因素，同时，国际上在研发阶段通常采用计算机仿真手段，并结合具体工程及经济技术分析比较

6、后，最终确定其采用何种悬挂类型。根据各国的仿真研究及运行结论，在单弓取流条件下，采用全补偿简单链形悬挂或全补偿弹性链形悬挂均可符合受流要求两者性能几乎相当。单弓取流或运输网络通道上的列车分布密度较小的高速线路、跨距相对较小、接触线张力相对较大的接触网系统可采用简单链型悬挂。根据仿真研究和运营经验表明，弹性链型悬挂和加大张力、减小跨距的简单链型悬挂（采用全补偿简单链型悬挂时，需根据仿真结果适当预留跨中弛度）相比，均可取得符合要求的受流效果，适应不同速度的动车组运行。但双弓或多弓取流时，弹性链型悬挂具有优良的弹性均匀度，对双弓或多弓运行条件产生的弓网系统振动和导线波动传播均有明显的改善，可延长弓网

7、寿命、改善接触网结构强度。因此，双弓或多弓取流时，宜采用弹性链型悬挂，但悬挂类型的设计需结合具体工程情况及经济技术综合分析比较后合理而定。高速铁路接触网、接触悬挂的技术参数接触悬挂技术参数的定义波动传播速度C:由于受电弓抬升力的作用，引起接触导线的振动，该点的振动传播速度称为波动传播速度。C与接触导线张力T和线密度的关系如下：C=(T/) 1/2 （3.2.1）式中：C波动传播速度T接触导线张力接触线线密度(2)无量纲速度：列车运行速度与波动传播速度C之比，当列车速度越接近C，即接近于1时，弓网振动越剧烈。与列车运行速度与波动传播速度C的关系如下：= /C。（3.2.2）式中：C波动传播速度无

8、量纲速度列车运行速度(3)多普勒系数：是无量纲速度的另一种表达式，=（C-）（C+）。为列车行驶速度；C为接触线波动传播速度。(4)反射系数：指接触网的振动波在非均质点被反射。这些非均匀质点如：吊弦线夹、接头线夹等，反射系数用下式表示：=mFm1/2cFc1/2mFm1/2（3.2.3）式中：m接触导线的线密度Fm接触导线的张力c承力索的线密度Fc承力索的张力。(5)增强因数：r=/ 接触网的振动波在非均质处被反射，被反射回的波形与该物体相向运动，并被继续向前运动的物体以输入能量的方式再次反射回去，波的能量被增强，增强因数用下式表示：r=/（3.2.4）式中：反射系数；-多普勒系数。(6)弹性

9、不均匀系数：反映一跨内跨中弹性和定位点弹性的差异程度。=EmaxEmin/Emax+Eminl00% （3.2.5）式中 Emax一跨内最大弹性 Emin一跨内最小弹性二、高速接触网的主要技术参数1导线高度：指接触导线距钢轨面的高度。它的确定受多方面的因素制约，如：车辆限界、绝缘距离、车辆和线路振动、施工误差等。一般地，高速铁路接触导线的高度比常规电气化铁路的接触导线低，这主要因为：高速铁路一般无超级超限列车通过，车辆限界为4 800 mm;为了减少列车空气阻力及空气动态力对受电弓的影响，受电弓的底座沉于机车车顶顶面，受电弓的工作高度较小。所以，高速铁路接触导线的高度一般在5 300 mm左右

10、。2结构高度：指定位点处承力索距接触导线的距离。它由所确定的最短吊弦长度决定的，吊弦长时，当承力索和导线材质不同时，因温度变化引起的吊弦斜度小，使锚段内的张力差小，有利于改善弓网受流特性；长吊弦的另一个优点是高速行车引起的导线振动时，吊弦弯度小，可以减少疲劳，延长使用寿命。我国接触网的结构高度为1.1 - 1.6 m。3跨距及拉出值：取决于线路曲线半径、最大风速和经济因素等。考虑安全因素及对受电弓滑板的磨耗，我国高速铁路一般在保证跨中导线及定位点在最大风速下均不超过距受电弓中心300 mm的条件下，确定跨距长度和拉出值的大小。4锚段长度：它的确定主要考虑接触导线和承力索的张力增量不宜超过10%

11、，且张力补偿器工作在有效工作范围内。高速铁路接触网的锚段长度与常规电气化铁路基本一样。5绝缘距离：参照电气化铁路接触网的绝缘配合标准。6吊弦分布和间距：吊弦间距指一跨内两相邻吊弦之间的距离，吊弦间距对接触网的受流性能有一定的影响，改变吊弦的间距可以调整接触网的弹性均匀度，但是，如果吊弦过密，将影响接触导线的波动速度，而对弹性改善效果不大，所以，确定吊弦间距时，既要考虑改善接触网的弹性，又要考虑经济因素。吊弦分布有等距分布、对数分布、正弦分布等几种形式，为了设计、施工和维护的方便，吊弦分布一般采用最简单的等距分布。7接触导线预留弛度：指在接触导线安装时，使接触导线在跨内保持一定的弛度，以减少受电

12、弓在跨中对接触导线的抬升量，改善弓网的振动。对高速接触网，简单链形悬挂设预留弛度，弹性链形悬挂一般不设预留弛度。8锚段关节：锚段关节是接触网的张力的机械转换关节，是接触网的薄弱环节，其设计和安装质量对受流影响较大，高速接触网一般采用两种形式的锚段关节：非绝缘锚段关节采用三跨锚段关节；绝缘锚段关节采用五跨锚段关节。安装处理上，尽量缩短接触导线工作支和非工作支同时接触受电弓滑板的长度，提高非工高速铁路接触悬挂的性能比较日本、法国和德国是世界上高速铁路发展比较快、比较多，被公认比较好的国家，但从这三个国家的高速接触网的型式来看，又各不相同。日本以采用复链形悬挂著称于世界，法国是采用简单链形悬挂为代表

13、的国家，而德国几乎是全部为弹性链形悬挂。一、几种高速接触网的悬挂类型复链形悬挂、弹性链形悬挂和简单链形悬挂都可以被用来作为高速接触网的悬挂类型，近30年来的运营经验已证明，这三种悬挂类型都取得了令人信服和满意的运营效果。几个主要国家的高速接触网技术参数综合比较如表3.3.1所示。几个主要国家的高速接触网的重要参数综合比较 表3.3.1国家及类型技术参数日本西班牙法国德国东海道北陆TGV东南TGV西洋Re250Re330(Y)悬挂结构型式HOYYOYY接触线材质CuGTCSCuAgCuCuCuAgCuAg截面(mm2)170110120120150120120张力(kN)152015142015

14、27预弛度(mm)50600656500承力索材质钢绞线PH青铜绞线锌青铜锌青铜青铜青铜截面(mm2)18015070656575120胀力(kN)25201514141521变Y形辅助索材质青铜锌青铜青铜青铜截面(mm2)35353535张力(kN)3.543.53.5长度(m)18151818技术参数日本西班牙法国德国东海道北陆rGV东南rGV西洋Re250Re330(Y)辅助承力索材质Cu截面(mm2)150张力(kN)15结构高度(m)1.50.951.81.41.41.81.8最大跨距(m)50506563636565接触线高度(m)555.34.9555.35.3之字值(mm)15

15、0300300200200300300跨中弹性(mm/N)0.30.750.60.70.730.60.4波动传播速度(km/h)355520426440426569反射因数rO4330.3630.4330.456多普勒因数a300km/hO170.1930.170.31400km/hO0030.0480.0030.17增强因数300km/h2.551.922.551.5400kmlh13.767.613.762.73供电制式AC225kV60HzAC225kV60HzAC25kV50HzAC225kV50HzAC225kV50HzAC15kV16 2/3HZAC15kV16 2/3HZ供电方式

16、AT直供十回流直供十回流AT直供十回流直供十回流最高速庋(km/h)240260300270(380)300(515)280(300)400受电弓数列3，6或8211或21或222开通时间（年）1964199519921981198919911995注：H为加辅助承力索的复链形悬挂；Y为加变Y形辅助索的简单链形悬挂；O为无变Y形辅助索的简单链形悬挂。但从三种悬挂类型看，日本较为复杂，法国较为简单。这是基于本国的情况和研究的着眼点有所不同，所以才各自走上自己认为是成功之路。1复链形悬挂日本采用复链形悬挂，也是经过了多方面研究的。在1964年日本东海道新干线正式开通之前，曾经用简单复链形悬挂、弹性

17、复链形悬挂、带空气阻尼吊弦的复链形悬挂及多链形悬挂四种悬挂类型作了试验（见图3.3.1）。试验证明，多链形悬挂因安装、调整及维护太困难而首先被淘汰。带空气阻尼吊弦的复链形悬挂因其弹性值和阻尼值难以选定和控制（因为在试验中证明，由于采用多弓形式，前弓引起的振动，继续对后弓产生影响），因而使带空气阻尼吊弦的性能达不到应有的效果而被废置。而弹性复链形悬挂和简单复链形悬挂经试验证明，二者沿跨距的弹性均匀程度并无太大差别，而且，日本采用的是动力分散式的动车组，是多弓运行方式，形成前弓过后的多级振动，这种振动对后弓的受流产生较严重影响，在这种情况下，弹性复链形悬挂仍显现不出优越性，所以，最后决定采用简单复

18、链形悬挂。简单复链形悬挂的最大优点是沿跨距的弹性均匀，振动稳定性好，多弓运行时引起的多级振动波能得以有效吸收和控制。另外，从外界条件讲，日本是一个岛国，新干线地处沿海，强台风和地震较多，要求接触网有较好的风稳定性。(a)简单复链形悬挂 (b)弹性复链形悬挂(c)带空气阻尼吊弦的复链形悬挂 (d)多链形悬挂图3.3.1日本四种高速接触网悬挂类型（试验）2简单链形悬挂法国是在继日本之后，于20世纪70年代开始修建高速铁路，它吸取日本的经验，在列车的动力配置上选取动力集中式。在开始修建从巴黎到里昂的东南新干线时选择弹性链形悬挂，其受流情况良好，后来在修建大西洋新干线时又选用了简单链形悬挂，运行速度达

19、到300km/h以上，取得了较为满意的受流效果。法国承认简单链形悬挂在弹性性能和稳定受流方面与弹性链形悬挂相比是受到一定损失，但是，简单链形悬挂结构简单，节省了工程造价，同时维修容易，且工作量小，大大节省了维修费用。3弹性链形悬挂德国的高速铁路是在常规电气化铁路的基础上发展起来的，在接触网悬挂类型选择上做了多方面的系统研究，曾经制定了Re75型、Rel00型、Re160型等系列悬挂类型，因而是在Rel00型(适应速度为100km/h)、Re160型(适应速度为160km/h)的基础上着手研制Re200型、Re250型及Re330型等高速接触网的悬挂类型，从RelOORe250型全部为弹性链形悬

20、挂，德国大量的实测及运行试验证明，弹性链形悬挂Re200型、Re250型及Re330型分别在适应200km/h、250km/h及330360km/h的运行速度方面具有满意的受流效果。只是在研制速度为300km/h的悬挂类型时，也曾提出过采用复链形悬挂，并做了仿真模拟验证，但经过认真研究及论证，还没有实施就舍弃了这个方案。二、几种主要高速悬挂类型的比较1简单链形悬挂与弹性链形悬挂的比较简单链形悬挂与弹性链形悬挂，在结构上的主要差别是弹性链形悬挂在悬挂点处多加了变Y形弹性辅助索。简单链形悬挂与弹性链形悬挂在一定技术参数条件下，都能适应200300km/h的运行速度，甚至更高速度的要求，但是在受流性

21、能上，它们是有差别的。弹性链形悬挂的特点，是在支柱悬挂点处安装有变Y形弹性辅助索，它提高了接触网在悬挂点处的弹性，使跨距内的弹性趋于均匀，并同时可相应加大跨距的长度，理论分析和运营经验均证明，安装变Y形弹性辅助索有益无害。德国的试验表明，安装变Y形弹性辅助索后，使Re250型接触网在悬挂点处的弹性达到跨距中部弹性的80%，其弹性不均匀度反映更为明显，Re330型弹性不均匀度仅为8%。而法国大西洋新干线弹性不均匀度达41.4%。在运行的试验中，弹性链形悬挂充分显示了在受流性能方面的优点，特别是在双弓运行中，其后续弓的动态接触压力状态的改善表现甚为明显。变Y形辅助弹性索的长度和拉力对悬挂点弹性有重

22、要的影响，在悬挂点的区域增加变Y形弹性辅助索会使该区域的弹性升高，因此导致沿跨距的弹性基本上是均匀的(参见图3.3.2)，它说明了变Y形辅助索的长度和拉力对悬挂点弹性的影响。对于Re250型悬挂，当接触线为RiS120、承力索为Bz70、拉力为15kN时，采用18m长的辅助索，反定位悬挂点的弹性同跨距中心的弹性值接近相等，但正定位悬挂点只是略微陡一些。均匀的弹性使静态接触压力抬升恒定，并使受电弓的运行轨迹高度变化减小。变Y形辅助索的动态作用既可通过模拟计算，也可通过线路试验来验证。在汉诺威-乌尔茨堡的新建路线中，留有几个跨距没有安装变Y形辅助索。图3.2.3所示为在265km/h时有无变Y形弹

23、性索的动态接触压力曲线，其中图(a)为有变Y形辅助索的曲线，有辅助索的链形悬挂的接触压力的动态范围(70170N)明显小一些，在各悬挂点没有产生明显的接触压力峰值；图(b)为无变Y形辅助索的实测曲线，在无变Y形辅助索时，接触压力的动态范围(5019N)较大，偏差值上升，这说明变Y形辅助索对于高速接触网运行性能具有良好作用。(a)有变Y形弹性索 (b)无变Y形弹性索图3.3.2有无弹性索时的动态模拟接触压力曲线图3.3.3为模拟动态接触压力曲线，其中图(a)为有弹性索的实测曲线，图(b)为无弹性索时的实测曲线。二者比较明显看出，图(a)接触压力的动态范围小，最大值为140N，最小值为20N，标准

24、偏差值也小，其受流性能优于无弹性索的简单链形悬挂。 (a)有变Y形弹性索 (b)无变Y形弹性索图3.3.3运行速度为265kmh时实测的接触压力曲线图3.3.2及图3.3.3所示为高速动态测试及动态模拟，其结论是一致的，在高速动态受流方面，有变Y形弹性索时，具有明显的优越性。采用模拟弹性和接触压力来实现变Y形辅助索的设计，并使用相应的安装工具，准确、规范地安装变Y形弹性索，其增加的工程费用是有限的，而产生的运营效益却是无限的。相反，法国国铁在TGV-大西洋段的接触网使用了不带变Y形辅助索的简单链形悬挂，其结果是悬挂点处的弹性仅是跨中弹性的50%，从受流情况看，火花和起弧现象明显增多。在一次性投

25、资方面，带变Y形辅助索的弹性链形悬挂和简单链形悬挂相比较，相差甚少，前者约提高1%2%。在施工过程中，变Y形辅助索的安装必须达到应有的技术要求。鉴于带变Y形辅助索的弹性链形悬挂的显著优越性，所以，德国在设计Re330型接触网结构时，经反复论证及试验，保留了这一特点，这说明，在高速接触网中，弹性链形悬挂与简单链形悬挂相比，在受流性能方面前者优于后者，这一结论只是相对的，它并不排斥后者，只是看设计者的着眼点在哪里，在结构方面，后者毕竟相对比较简单了。2弹性链形悬挂与复链形悬挂的比较弹性链形悬挂与复链形悬挂在结构上截然不同，因为复链形悬挂多了一条辅助承力索，如图3.3.4所示，因而没有更多的可比性。

26、可是在高速受流方面，复链形悬挂因为多一条辅助承力索，所以它不仅具有良好的风稳定性和振动稳定性，而且接触线沿跨距距轨面的高度更趋于一致，其弹性在整个跨距内也更加均匀，对于高速受流的适应性会更好。实践证明，其受流性能在一定的速度段不仅优于简单链形悬挂，而且也优于弹性链形悬挂，其接触压力的曲线明显较弹性链形悬挂平缓，如图3.3.5所示。(a)Re330型 (b)HC型图3.3.4Re330型与HC型的结构比较(a)Re330型 (b)HC型图3.3.5Re330型与HC型悬挂的模拟接触压力曲线为了适应双弓及多弓（如日本的动力分散方式）高速受流的运行条件，日本采用了加设带辅助承力索的复链形悬挂。这种悬

27、挂的优点是使弹性性能更加趋于均匀，并使弹性差异系数下降，改善了受流条件，同时这种悬挂由于接触线和辅助承力索相距很近，接触线处于高阻尼状态条件下工作，大大提高了运行稳定性。德国采用加一条DIN482101-Bz120辅助承力索，其张力为21kN，该悬挂的结构高度为1.8m，辅助承力索在接触线的上方，相距200mm，不使用变Y形辅助索结构。经过计算，在跨距65m时，其弹性为0.27mm/N，即为Re250型接触网弹性的45%，这就使静态和动态抬升量更小。德国在设计Re330型接触网悬挂类型时，又采用了两种方案：其一是带变Y形辅助索的弹性链形悬挂，另一种就是这里所述的带辅助承力索的复链形悬挂。经过试

28、验，在300km/h时，两种运行受流条件基本一致，弹性链形悬挂和复链形悬挂的参数比较见表3.3.2。弹性链形悬挂和复链形悬挂的参数比较表3.3.2结构形式Re250Re330(Y)Re330(H)接触线型 号RiS120RiM120RiM120张力(kN)152727承力索型 号Bz70Bz120Bz120张力(kN)152121变Y形辅助索型 号Bz35Bz35张力(kN)3.53.5辅助承力索型 号Bz120张力(kN)21跨距m656565跨中弹性mm/NO.620.360.25反射因数rO.4330.4650.465波传播速度km/h426569569乡普勒因数a300km/hO.17

29、0.310.31350km/hO.100.240.24400km/hO.0030.170.17加强因数y300km/h2.551.51.5350km/h4.331.941.94400km/h13.762.732.73在速度为300km/h时模拟的接触压力曲线参见图3.3.5。两组曲线反映出复链形悬挂的接触压力的均匀度要相对好些。但在速度为350km/h及其以上时，带辅助承力索的复链形悬挂在弹性非均匀度及动态接触压力方面显示出明显的优势，受电弓抬升量减小，接触压力均匀。从表8.6.2可知，两者的波动速度和反射因数相同，动态参数、多普勒因数和增强因数也相同，因而，在双弓运行时复链形悬挂行驶效果更好

30、。尽管如此，因为复链形悬挂在线岔架设、补偿装置安装和锚段关节处结构复杂，技术处理难度大，且费用较为高昂，所以德国最后还是舍弃了带辅助承力索的复链形悬挂的方案，采用了具有变Y形辅助索的弹性链形接触悬挂型式。在高速电气化铁路大规模发展的条件下，选用复链形悬挂仍需慎重，因为它的应用受到诸多不利因素的限制，如：结构复杂，安装调试困难；由于多加了一条辅助承力索，接触悬挂的综合单位长度质量（或线密度）加大，波动传播速度受到限制，因而复链形悬挂继续提高运行速度的空间较小；接触线的波状磨耗严重；工程建设和运营维护费都高。就性能价格比而论，弹性链形悬挂优于复链形悬挂，若不是因特殊的原因，复链形悬挂被大量采用的可

31、能性很小。1995年，日本在总结自己的新干线经验时，发现复链形悬挂的接触线磨耗严重，特别是产生波状磨耗，这时日本又回过头来去考察和总结法国及德国已经采用的简单链形悬挂和弹性链形悬挂的优点和经验，在此基础上，于1998年修建北陆新干线时采用了简单链形悬挂，同时采用了新型接触线铜包钢接触线，这种线的特点是可以相应地加大接触线张力，借以减小悬挂的弹性，增加弹性的均匀度，提高悬挂的稳定性，取得了良好的受流效果。3复链形悬挂与简单链形悬挂的比较复链形悬挂与简单链形悬挂相比较，在结构上完全是不同的，无更多的可比性；在受流性能方面，复链形悬挂是远远优于简单链形悬挂的，但在工程造价及运营维护方面，简单链形悬挂具有无可比拟的优势。由此可以看出，各种悬挂都有它自己的优点。表3.3.2列出了几个主要国家的接触线的技术参数及波动速度，以便于比较。为了保证良好地受流，无量纲速度值不宜大于0.70。由此可以看出，日本采用的复链形悬挂，其值已接近0.70，因而运行速度已无法再继续大幅度地提高，这是日本急于在北陆线开发、采用简单链形悬挂的原因。关于列车运行速度和波动速度的关系可参见图3.3.3，从该图中可以看出，在列车运行速度小于波动速度C，时，接触线波动形状良好，而列车运行速度口接近或等于波动速度C，时，接触线产生严重变形，此时会产生线内应力集中，并产生摩