高速接触网设计概述

高速接触网设计概述2013年01月（主讲人：吴铁民）目录一、高速接触网的设计理念1．接触网设计的安全性及可靠性2.接触线的设计使用寿命3.接触线的波动传播速度4．接触网的弹性及其不均匀度5.与高速接触网相匹配的受电弓二、高速接触网的相关设计标准1.弓网受流质量评价标准2.对高速接触网的基本要求3.对受电弓的基本要求4.接触线安全系数标准三、高速接触网的设计方案1.接触网悬挂方式2.接触线的选择3.导线高度4.结构高度5.吊弦结构形式6.腕臂结构形式7.定位器设计思路8.张力补偿装置9.锚段关节形式10.线岔形式11.支柱形式12.基础形式13.接触网接地方式14.电分相设计四、高速接触网的施工误差五、高速接触网的架线工艺第一部分高速接触网的设计理念1.接触网设计的安全性及可靠性高速铁路由于列车运行高，列车制动距离长，一旦发生弓网事故，除了对受电弓产生毁灭性破坏结果外，同时将造成大面积的接触网损坏。因此，应将高速接触网设计的安全性放在第一位，尤其要处理好接触网线岔及锚段关节处的设计方案，以杜绝弓网事故。另一方面，高速铁路由于行车密度大（列车追踪间隔3～4min），一般不设图定维修天窗，而仅在夜间设有4～6个小时的固定维修天窗。因此，对接触网的可靠性（特别是接触网零部件）提出了更高的设计要求。2.接触线的设计使用寿命对于高速弓网受流系统，弓网间的动态接触力较常速弓网受流系统有显著的提高，离线率也将有所提高。因此，弓网间无论是机械磨耗还是电气磨耗，较常速弓网受流系统都将加剧。为此，必须对接触线的设计使用寿命提出明确要求，以便采取相应的设计措施予以保证。接触线的设计使用寿命系按弓架次计算。参照国外设计理念，接触线的设计使用寿命应在250万弓架次以上，相当于平均每天170对车双弓运行20年以上。为此，需要采用耐磨性能好的铜合金线。3.接触线的波动传播速度为了实现高速运行，接触线应具有与列车最高运行速度相适应的波动传播速度。根据国外高速铁路接触网运营经验，列车最高运行速度与接触线的波动传播速之比宜控制在0.7以下，否则将出现难以接受的燃弧率或离线率，烧损接触网（特别是接触线和吊弦）及受电弓滑板，进而缩短接触网及受电弓滑板的使用，甚至引发接触网断线事故。为此，在接触线截面确定的情况下，应尽量提高接触线的张力，这就要求采用具有高抗拉强度的接触导线。接触线波动传播速度（km/h）：式中：T----接触线的张力（N）P----接触线的线密度（kg/m）4.接触网的弹性及其不均匀度随着运营速度的提高，弓网间的动态接触压力及接触线的动态抬升量也将随之加大。为了确保列车运行安全和延长接触网的使用寿命，应将接触线的动态抬升量限制在合理的范围之内。为此，要求接触网应具有较小的弹性，而降低接触网弹性最有效的途径就是提高接触网的张力。如果接触网的弹性不均匀度太大，将导致接触线和受电弓的运动轨迹不平缓，进而使得接触线振动幅度加大，接触线会因弯曲疲劳而缩短使用寿命。因此，应将接触网弹性不均匀度限制在较小的范围之内，在接触网悬挂方式确定的情况下，提高接触网张力仍是降低弹性不均匀度最有效途径。5.与高速接触网相匹配的受电弓接触网与受电弓是一个相互间共同作用而不可分割的动态受流系统。要想取得满意的弓网受流质量、实现高速运营的目标，不但要求接触网应具有优越的性能，而且还应要求与之匹配的受电弓也应具有优越的性能。接触网可按不同的速度目标值形成一系列的标准设计，受电弓也可按相应的速度目标值形成系列产品，如德国的标准接触网有Re160、Re200、Re250、Re330系列，受电弓产品有DSA200、DSA250、DSA350、DSA380系列。弓网受流质量优劣与否，可通过计算机仿真模拟的手段或通过实际测试的方法，按相关标准对其结果进行评价。第二部分高速接触网的相关设计标准1.弓网受流质量评价标准由于目前我国尚无高速运营经验，因此<<客运专线或高速铁路设计暂行规定>>关于弓网受流质量评价标准引用了欧洲TSI标准（欧洲高速铁路关于能量子系统共用技术规范），具体如下：1.弓网受流质量评价标准平均接触力。从图可知：当最高运行速度分别为200km/h、250km/h、300km/h和350km/h时，平均接触力分别为109N、131N、157N和189N。接触力最大标准偏差。该标准规定接触力最大标准偏差为平均接触力的30%。当最高运行速度分别为200km/h、250km/h、300km/h和350km/h时，对应的接触力最大标准偏差分别为33N、39N、47N和57N。最高运行速度下的燃弧率。该标准规定为0.14%。定位器允许抬升量与实际最大抬升量之比值。该标准规定为2倍，亦即定位器允许上抬空间是正常情况下接触线抬高量的2倍，以保证受电弓通过定位器点的安全。1.弓网受流质量评价标准当对弓网间动态受流质量进行评价时，如果受测量手段限制，对接触力（或标准偏差）和燃弧率只需评价其中的一个项目即可。例如，德国仅测接触力，法国则仅测燃弧率。对于燃弧率的测定方法，TSI标准中有明确的规定。对于燃弧率标准的直观判据，EN50119标准（关于铁路应用—固定安装—电力牵引接触网）规定：如果每100m接触网范围内出现持续时间大于10ms（且最大为25ms）的可见电弧不大于一次，则视为弓网受流质量良好。关于定位器允许抬升量与实际最大抬升量之比值，EN50119标准规定：如果定位器带限位功能，该比值应不小于1.5倍。1.弓网受流质量评价标准不限位定位器工作原理限位定位器工作原理2.对高速接触网的基本要求

UIC794标准（关于欧洲高速铁路网弓网间相互作用，1996年版）对高速接触网的基本要求如下：3.对受电弓的基本要求TSI标准对受电弓的基本要求如下：1600mm受电弓外形轮廓1950mm受电弓外形轮廓3.对受电弓的基本要求关于受电弓弓头宽度。欧洲国家受电弓弓头宽度类型较多，主要有1450mm、1600mm、1950mm三种，对于跨国运行列车，往往一列车上装备有2～3种不同弓宽的受电弓。为此，欧洲铁路联盟规定：对于新建高速铁路，接触网按能满足1600mm弓宽受电弓运行进行设计。我国既有电气化铁路机车受电弓弓头宽度一般为1950～2160mm，因此，我国客货共线或客运专线铁路将统一配备1950mm弓宽受电弓。关于受电弓弓头最大电气宽度。弓头最大电气宽度系指一架受电弓两条滑板之间的平行距离，主要是为了保证受电弓通过器件式电分相时不至于引起异相短路。如下图所示，要求d>l。4.接触线安全系数标准

EN50119标准关于接触线允许工作应力的规定如下：接触线的允许工作应力应不超过其最小拉应力的65%，并考虑接触线允许工作温度、允许磨耗面积、冰风荷载、补偿效率、终锚零件、接触线焊接情况等不利因素引起的折减系数。按照国内传统的概念，安全系数可以理解为线材的最小拉应力与其实际工作应力之比值。以德国、法国、西班牙的三条典型高速线为例，接触线的安全系数如下表：第三部分高速接触网的设计方案1．接触网悬挂方式高速接触网悬挂方式主要有三种，即复链、简链、弹链。国外经验表明，三种悬挂方式均能满足时速300km/h以上高速运营要求。承力索辅助承力索接触线复链简链承力索接触线弹链弹性吊索承力索接触线1．接触网悬挂方式复链型悬挂（主要代表国家为日本）的性能最为优越，接触网弹性最为均匀，接触线的动态抬升量也最小，最适合于高速运行。但因增加了一根辅助承力索，结构较变得复杂，施工及运营维护不方便，事故抢修难度大。弹性链形悬挂（主要代表国家为德国）因在悬挂点处增加了一根弹性吊索，可改善接触网的弹性不均匀性，但接触线动态抬升量较大，导线容易产生疲劳，且弹性吊索安装、调整工作量大，事故抢修难度也较大。简单链型悬挂（主要代表国家为法国）弹性不均匀度较大，动态接触力标准偏差较弹链和复链大，但能够满足高速弓网受流要求，接触网可达到预期的使用寿命（250万弓架次以上），且国内具有丰富的设计、施工及运营经验，更适合于我国国情。

因此，我国客运专线接触网拟采用简单链型悬挂。2．接触线的选择

国外时速300km/h及以上接触线的应用情况2．接触线的选择从国外高速客运专线接触线的使用情况来看，主要以铜锡和铜镁合金线为主。铜锡和铜镁线均能满足高速铁路高抗拉强度的要求，在导电性方面，0.2%含量的上述合金线有80%左右的导电率，而0.5%含量的上述合金线则只有60%左右的导电率，且硬度较高，对施工要求也较高。另外，铜锡接触线的生产工艺相对简单，成品率高，易于实现国产化，目前国内已有2家合资工厂能够生产铜锡接触线；而铜镁接触线生产工艺复杂，成品率低，制造成本比铜锡接触线要高50%以上，国产化难度较大。我国客运专线将以采用铜锡合金接触线为主。3．导线高度在满足建筑限界的情况下，接触线的悬挂高度应尽量低，以减小空气动力对弓网受流质量的影响。国外高速铁路接触线高度如下：日本：5000mm法国：5080mm德国：5300mm我国客运专线车辆建筑限界高度为4800mm，综合考虑绝缘距离、导线弛度、施工误差等因素，客运专线接触线悬挂点高度定为5300mm，最低点高度为5150mm。4．结构高度

结构高度大小主要取决于允许的最短吊弦长度。对于两端都有吊弦线夹的整体式吊弦来说，吊弦长度越短，其呈现的刚度越大，对弓网受流越不利。根据国外经验，对于高速而言，最短吊弦长度不宜小于800mm，与之对应的接触网结构高度不宜小于1400mm。国外高速铁路接触网结构高度如下：法国：1400mm（简链）德国：1600mm或1800mm（弹链）日本：950mm（简链）或1500mm（复链）

注：日本接触网结构高度较小，主要是其采用了承力索端无吊弦线夹的绝缘式吊弦，吊弦的卸载机理与整体式吊弦有所区别。5．吊弦结构形式吊弦结构形式大体可分为以下三类：无鸡心环式整体吊弦。该种吊弦两端均采用压接工艺，虽然具有一定的载流能力，但运营实践表明，压接处容易出现疲劳断裂。国外（如法国）以及国内早期电气化线路有应用（如广深、京郑），目前国外高速线以及国内线路已基本不用。带鸡心环式整体吊弦。可克服无鸡心环式整体吊弦压接处易断裂的缺点，同时载流能力强、吊弦不易被烧损。目前，国内外大多采用该种吊弦。绝缘吊弦。该种吊弦主要是日本采用，由于其卸载机理不同于其它吊弦，故接触网需要的结构高度较小。5．吊弦结构形式6．腕臂结构形式法国：套管绞环+钩头鞍子形式6．腕臂结构形式德国：不可调承力索座形式6．腕臂结构形式日本：可调承力索座形式6．腕臂结构形式意大利：可调承力索座形式7．定位装置设计思路欧洲标准EN50119规定：当定位器不带限位功能时，其自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍；当带限位功能时，定位器自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的1.5倍。欧洲标准prEN50367规定：受电弓动态包络线的上抬量为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍。受电弓动态包络线的左右摆动量与线路、轨道、机车等的性能有关，实测值较难确定，一般根