高速铁路接触网悬挂形式及其主要技术参数

第二节高速铁路接触网一、接触悬挂形式及其主要技术参数自1964年日本开通世界上第一条高速铁路至今，世界发达国家已经致力于高速电气化铁路的研究和发展。经过30多年的运行、实验，使高速电气化铁路的车速不断提高，运营速度由220km／h提高到270km／h，正向300km／h进。法国是目前轮轨系列车时速的世界记录保持者，它于2007年4月4日进行的实验运行速度达到574．8km／h，在激烈竞争的市场经济条件下，各种交通工具之间为争夺市场运输份额，不断开发和引进高新技术，而提高铁路车速将给铁路参与市场竞争带来机遇。接触网结构在机车高速运行情况下，发生了许多重大变化，需要进行一系列的改革，采取什么样的悬挂类型来适应高速铁路，一直是各发达国家研究的课题。根据国外高速电气化铁路运行经验，高速滑行的受电弓，其抬升力在空气动力和自身惯性作用下，以列车速度平方的比例大幅度增加，因而使接触线产生较大的抬升量，当驶过等距支柱甚至在跨距中的等距吊弦时，会周期性激发接触线振动，它会使接触线弯曲应力增加，容易引发疲劳断线事故，同时这种振动可沿导线以一定速度传播，在遇到吊弦线夹和悬挂点时，会将波反射放大引起导线振荡，这是引起受电弓离线的主要原因，离线产生的电弧会烧伤接触线使磨耗增加，即电磨耗。当导线弯曲刚度小而张力大时，其波动速度可由下式求出：式中T——接触线张力（N）；ρ——线密度。为了减少导线抬升量，可提高其张力，减少接触网弹性不均匀性，同时也提高了接触线波动传播速度，不引起导线共振使受电弓取流状态更好。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、东北新于线、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160km／h的线路采用简单链形悬挂，在160km／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。1、简单链形悬挂以法国为代表的高速铁路采用此种类型，在1990年开通的速度为300km／h的大西洋新干线上采用，而且认为该悬挂类型完全可以满足330—350km／h，简单链形悬挂维修简单造价低，有多年成熟的运行经验。结构形式如图2-1所示。图2-1带预留驰度的简单链形悬挂性能特点：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。2、弹性链形悬挂德国开发的高速接触网普遍采用，并作为德国联邦铁路标准，其主要出发点是降低接触网弹性不均匀度，在80年代末修建的曼海姆到斯图加特高速铁路（250km／h）上采用，并计划在柏林至汉诺威、法兰克福至科隆间（300～400km／h）仍采用。弹性链形悬挂比简单链形悬挂弹性好，但造价较高。弹性链形悬挂的结构形式图如图2-2所示。在结构上，相对于简单链形悬挂在定位点处装设弹性吊索，主要有两种形式：“π”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，图2-2弹性链形悬挂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。3、复链形悬挂在1964年10月建成的日本东海道新干线上采用，时速为210km／h，它是用带弹簧的吊弦合成复链形悬挂。日本研究部门认为它适用于多弓受流情况，在今后300km／h高速线路上仍采用。复链形悬挂运行性能好，但造价高、设计复杂，施工和维修难度大，复链形悬挂结构形式如图2-3所示。图2-3复链形悬挂在结构上，承力索和接触导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。表2-2-1三种悬挂类型的定性比较我国高速铁路尚在试运行阶段，已提速的几条干线仍采用原来的接触悬挂类型，目前正在建设的广深高速铁路，采用全补偿简单链形悬挂，根据国外经验和我国铁路路轨现状，通过科技人员论证，普遍认为采用全补偿简单链形悬挂较为合适，特别是在车速不高的情况下，有利于投资少见效快，完全能够适应200㎞／h车速的要求。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：①高速铁路一般无超级超限列车通过，车辆限界为4800nlm；②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5300mm左右。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。表2-2-2为三种高速悬挂的结构高度。表2-2-2三种高速接触网悬挂的结构高度法国TGV-A德国Re330日本HC结构高度1.4m1.8m1.5m我国接触网的结构高度为1.1~1.6m。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300mm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％，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：①非绝缘锚段关节采用三跨锚段关节；②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，提高非工作支的坡度。9．接触导线的张力：提高接触导线的张力，可以增大波形传播速度，改善受流性能，同时增加了接触网的稳定性。导线张力的确定受导线的拉断力，接触网的安全系数等因素影响。10．承力索的张力：受接触网的稳定性、载流容量、结构高度、支柱容量等因素影响，提高承力索的张力可以增加接触网的稳定性，但对弓网受流性能影响不大。减少承力索的张力，有利于减少反射系数，承力索的张力受接触网的结构高度的限制，也就是在一定的结构高度上，要保持跨内最短吊弦的长度。三、接触网的主要设备和零部件1、接触网的线材（1）．接触导线接触导线是接触网中直接与机车受电弓作摩擦运动传递电能的线材，它对接触网——受电弓系统的受流性能的好坏产生至关重要的作用，受流系统的许多性能指标直接由接触导线决定，如：波动传播速度、接触导线的抬升量、接触导线的磨耗、安全系数。表2-2-3给出了国外高速接触导线的比较。高速铁路对接触导线的基本要求如下：eq\o\ac(○,1)机械强度高；eq\o\ac(○,2))单位质量尽量小；eq\o\ac(○,3)导电性能好；eq\o\ac(○,4)良好的耐磨及耐腐蚀性能及高温软化特性，使用寿命长；eq\o\ac(○,5)摩擦性能与受电弓滑板相匹配。表2-2-3国外高速接触导线的比较·01gNm随着运行速度的提高，为了提高抗拉强度，增大波动传播速度、耐磨性，国外有关国家对高速铁路的接触导线都趋向于研制铜合金导线或复合导线。铜合金导线是在铜中加人其他金属元素，如镁、银，采用合金方法制成的。复合导线是用铜与另一种机械强度高的金属制成的。（2）．承力索承力索是接触网承载接触导线，并传输电流的线材。承力索的选用应符合下列条件：承力索的线胀系数与接触导线相匹配；机械强度高；耐疲劳、耐腐蚀性能好，耐温特性好；导电率高。国外高速铁路使用的承力索性能如表2-2-4所示。表2-2-4国外高速铁路使用的承力索性能表日本法国德国承力索镉铜绞线BZ65120-BZ张力/KN24.51421我国电气化铁路接触网的承力索一般采用95mm2和70mm2的铜合金绞线，增加承力索的张力可以增强接触网的稳定性。（3）．弹性吊索对弹性链形悬挂，弹性吊索一般选用截面积为35mn2的青铜绞线，张力为2．8～3．5kN。2、高速铁路接触网的支持装置（1）．支柱：由于高速铁路接触网的承力索和接触导线的张力增大，使作为接触网支撑的支柱受到较大的负荷，另外，还要考虑到接触网的稳定性问题。高速铁路接触网支柱的选择，区间一般采用环形等径预应力混凝土支柱；桥上支柱采用热浸镀锌钢柱；软横跨硬横跨支柱；跨度小时用环形等径预应力混凝土支柱，跨度大时选用热浸镀锌钢柱。（2）．硬横跨：是用于站场或两股以上线路的接触网支持钢结构，一般用型钢焊接成梁式结构横跨于线路上空，用于支持接触悬挂。这种刚性硬横跨的特点是，各股道上的接触网在机械上和电气上相互独立。接触悬挂在硬横跨上采用吊柱旋转腕臂的支持结构，其结构特性与区间中间柱基本相同，组合定位装置与区间的接触悬挂完全相同。硬横跨的优点是，机械上独立，结构稳定，抗风能力强，寿命长，在受流性能上与区间接触悬挂相同。法国、英国、日本等国家的高速铁路接触网几乎全部采用硬横跨。我国的高速铁路的接触网也趋向使用刚性硬横跨。（3）．腕臂支持结构：为了提高接触网的稳定性和安全性，高速铁路接触网采用刚性腕臂支持结构，由水平腕臂和斜腕臂组成的稳定三角形结构，提高了腕臂结构的整体稳定性和抗风能力。（4）．组合定位装置：组合定位装置包括：定位器、定位管、支持器，定位防风拉线和定位管防风支撑，这部分零部件对接触导线起定位和支持作用，影响弓网受流性能。在机械结构上它必须满足接触导线温度偏移，保证高速受电弓安全通过及接触导线抬高等要求。对定位器的要求：eq\o\ac(○,1)构造简单，安装方便，不形成接触悬挂硬点；eq\o\ac(○,2)材质上一般采用铝合金材料，重量轻，耐腐蚀；eq\o\ac(○,3)具有较高的强度；eq\o\ac(○,4)环路电阻小，不形成电损坏。3、高速接触网的终端锚固类零部件终端锚固类零部件包括：承力索终端锚固线夹、接触导线终端锚固线夹、张力补偿器、坠砣等。(1)张力补偿装置张力补偿装置是调整承力索、接触导线张力，使它们保持恒定的自动装置，是接触网的关键部件。高速铁路接触网一般有两种方式的自动张力补偿装置：①滑轮组自动补偿装置；②棘轮补偿装置。对张力补偿装置的要求是，传动效率高，达到97％以上；安全可靠；耐腐蚀性能好，少维修，寿命长，有断线制动装置。坠砣采用铁坠砣。(2)承力索终端锚固线夹和接触导线终端锚固线夹这两种零件是接触网的主要受力部件，是保障接触网安全的关键零件。在结构上，有锥套式螺纹胀紧结构和楔形胀紧式结构两种。在材质上，整体铝青铜，紧固件采用不锈钢。其工作张力，应满足20～27kN。4、高速接触网的电连接类零件电连接是保证接触网各导线之间及各股道之间电流畅通的部件。对它的要求是：电连接线夹与接触导线或承力索间的接触电阻小，整体电连接导电性能好。在结构上，连接可靠，重量轻，耐腐蚀。在材质上，用纯铜和铝青铜。5、吊弦及吊弦线夹它是接触网的悬吊类零件，在接触网中调节接触导线弛度，又可分流，属于面广量大的零件。正确选用悬吊类零件将有效地保证接触网的受流性能，又能减少其维修工作量。在高速接触网中，一般先经过现场测量，再计算出每跨中每根吊弦的长度。在工厂将吊弦线夹和吊弦制成一体后，到现场直接安装。对吊弦及吊弦线夹的要求为：重量轻，体积小，耐腐蚀，安全可靠。材质上，吊弦采用青铜绞线；吊弦线夹采用铝青铜。6、高速接触网的线岔线岔是两股道接触网交叉处的装置，是接触网上的重要设备，在常速下，一般采用有交叉线岔，运行经验表明它完全能满足要求，但也存在着问题，交叉线岔硬点不易消除，机车无论从正线进入侧线，还是从侧线进入正线，在始触点处受电弓都要接触两条接触线，接触瞬间由于受电弓抬升力的作用，将要接触的导线总是比正在滑行的导线低，如图2-4所示。造成低侧导线，会沿受电弓滑板圆弧导角向上移动到接触板上，这就难免发生钻弓和打弓事故，也给现场施工和维修带来困难。尤其是高速铁路，这种滑动接触对接触线和受电弓危害极大，它直接影响着高速受电弓的运行安全，是高速接触网设计和安装中需要特别解决好的环节。高速接触网的线岔应满足下列要求：(1)满足正线高速行车，避免钻弓、打弓。(2)正线进渡线或渡线进正线时，保证受电弓平稳过渡。图2-4始触点处导线示意图(3)保证正线高速行车的受流质量，做到离线率低、硬点小，导线抬高量满足要求。(4)安装简单，维修调整方便。高速接触网线岔一般有交叉式和无交叉式两种形式，根据两种线岔的工作原理，我国的高速接触网适合采用无交叉式线岔。无交叉线岔平面布置如图2-5所示。由于道岔处钢轨没有超高，所以各自线路中心线与驶入该线的受电弓中心轨迹相重合。从图上看出，接触网道岔柱位于导曲线两内轨轨距666㎜处，正线接触线拉出值为333㎜，波线拉出值为距正线线路中心999㎜，渡线导线过岔后抬高下锚，在无交叉线岔区两导线均有坡度，渡线向下锚方向抬高3‰，正线坡度与渡线坡度相反为1‰（沿波线下锚方向降低）。图2-5无交叉线叉平面布置图无交叉线岔应达到以下两点要求：（1）机车受电弓沿正线高速行驶通过线岔时，不与渡线接触线接触，因而不受渡线接触悬挂的影响。（2）机车从正线驶入渡线时（或从渡线驶入正线），要使受电弓平稳过渡，不出现钻弓和打弓现象，且接触良好。无交叉线岔工作原理和技术要求当机车沿正线通过时，考虑受电弓最外端尺寸的半宽为673㎜，摆动200㎜，升高后的加宽为100㎜，所以机车受电弓靠渡线侧最外端距正线线路中心为：673十200十100＝973㎜而渡线导线距正线线路中心为999㎜，因此受电弓从正线导线上滑过时，不会触及渡线导线与波线接触网无关。当机车由正线驶入渡线时，经过计算和运行实践证明，在线间距126～526㎜之间受电弓与渡线接触线接触此段为始触区，在接触瞬间，因正线导线坡度与渡线坡度相反（即正线导线低，波线导线高），所以受电弓是逐渐的由低侧导线过渡到高侧导线，随着渡线导线坡度的降低使受电弓慢慢脱离正线，形成自然顺滑的平稳过渡。当机车从渡线驶入正线时，在线间距806～1306㎜之间时接触正线导线，而此时波线导线是逐渐升高，受电弓在上述适当位置处与正线导线自然接触，随着正线导线坡度影响，受电弓慢慢脱离渡线而进入正线。由于线岔区两导线有相反坡度的原因，使受电弓避免了在始触点处出现钻弓和打弓的危险，因此无交叉线岔工作状态明显优于交叉线岔。对无交叉线岔的技术要求是：（1）正线拉出值为333㎜，允许误差为±20㎜，渡线导线距正线线路中心为999㎜，误差为±20㎜。（2）在线间距126～526㎜间，为正线进入渡线时的始触区。线间距526～806㎜，是正线与渡线导线等高区。在806～1306㎜为渡线进入正线始触区，如图2—16—4所示。（3）在等高区内，铁路旁设立道岔柱，可安装定位装置及吊弦等设备，始触区内不允许安装任何悬挂和定位装置。（4）在线间距126～526㎜间，渡线比正线高H1，在线间距为806～1306㎜间，渡线比正线低H2，H1、H2与道岔型号和机车通过速度有关，需另行确定。（5）为了限制道岔定位点处导线的抬高，在定位装置上增加了弹性支撑和限位装置，使定位器的抬升量为100㎜以内。7、高速接触网的分相装置我国既有120km／h以下的电气化铁道的接触网