摘 要：針對重載電氣化鐵路接觸網特點及對接觸網的要求，結合大秦線2億噸改造工程接觸網設計經驗，論述接觸網設計與相關專業(yè)的配合及重載接觸網設計的要點及建議，與國內同行共同探討。

關鍵詞：重載鐵路 接觸網 設計 研究

中圖分類號：U21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（c）-0126-02

重載鐵路大秦線全長653 km，設計之初按牽引質量1萬噸、年運量1億噸設計1992年全線開通運營。

大秦2億噸擴能改造工程，為既有電化線路改造，AT供電方式，接觸網線條較多，且與10 kV電力線合架。在2004年施工過程中要完成1.5億噸的運輸任務。設計過程中克服了技術要求高、站前和站后工程交叉設計的困難。針對重載鐵路牽引電流大、多機多弓牽引和既有設備限制的特點。經過方案研究、論證，確定技術可靠、經濟合理的設計方案。

1 改造前接觸網狀況及存在問題

1.1 接觸網懸掛類型

區(qū)間及站場正線采用GJ-100+TCG-110、站線采用GJ-70+TCG-85全補償簡單鏈形懸掛。結構高度一般為1100 mm。正饋線采用LJ-185或LJ-240，保護線、架空地線采用LGJ-70。

接觸懸掛持續(xù)載流量，已不滿足列車取流需要，隨著運量的持續(xù)增長，列車編組方式的變化，該問題更為突出；另外，在橋上及風口地段支柱間跨距較大，接觸網穩(wěn)定性較差，曾發(fā)生陣風將接觸線吹起造成打弓事故。

1.2 支柱

區(qū)間腕臂柱采用環(huán)形等徑預應力鋼筋混凝土支柱，站場軟橫跨柱及橋鋼柱一般采用涂漆防腐。支柱使用情況較好，但部分混凝土支柱存在裂紋現象。

1.3 支持裝置

腕臂結構一般為斜腕臂+水平拉桿形式；站場一般采用軟橫跨結構；隧道內一般采用吊柱支持結構。從運行情況來看，區(qū)間接觸網穩(wěn)定性較差，在陣風作用下，造成接觸網受流質量差，嚴重時造成弓網故障；部分隧道漏水嚴重，冬季時常發(fā)生結冰現象，造成正饋線接地短路事故。

1.4 接觸網零部件

大秦線既有接觸網主要受力件一般采用鑄鐵件，導致接觸網的可靠性較差，接觸網維護工作量大，曾發(fā)生零件斷裂現象。

2 接觸網設計方案研究

大秦線2億噸牽引供電系統(tǒng)擴能改造工程接觸網的改造特點是：

投資緊張：本次改造工程，需更換接觸懸掛1996條公里、附加懸掛3315條公里，增加和更換各種支柱6186根、更換軟橫跨1841組，更換腕臂及定位裝置24376套，以及既有設施拆除等。接觸網改造投資只有5.48億元。

設計周期短：整個改造工程設計時間只有90天。設計文件必須滿足施工進度要求，同時還要結合站前改造方案和既有接觸網的現狀情況，進行方案優(yōu)化。盡量減少過渡工程。

改造范圍大：除保留部分支柱保留外，接觸網其他所有設備均需拆除、更新。

質量要求高：開行2萬噸列車與開行1萬噸列車有著本質的區(qū)別。多機多弓牽引，對接觸網受流質量要求高。

根據以上特點，接觸網設計時，結合現場調查情況，對以下問題進行論證、分析。

2.1 弓網關系模擬研究

根據多機多弓的牽引特點，為了實現單元列車2萬噸，電力牽引需要多機牽引，也就是需要多個受電弓同時取流。接觸網從被迫振動到恢復到靜止狀態(tài)需要一定的時間，當多個受電弓同時運行取流時，由于前弓造成的接觸網的振動可能還未恢復到靜止狀態(tài)，后弓已運行到該處，后弓的受流質量會受到接觸網余振的影響，同時也會加大該處接觸線的抬升。多弓運行時，弓網間的動態(tài)關系不同于單弓運行，嚴重時會引起多弓共振，嚴重惡化受流質量。多弓運行時，受流質量不僅取決于受電弓和接觸網，還取決于弓間距及弓間距和接觸網跨距的配合關系。

受電弓間距。

根據大秦線試驗機車DJ1的特點，要實現2萬噸機車牽引需要四機牽引。如果四機連掛并且都升弓運行，弓間距如下：

35.3m+35.3m+35.3m+35.3m

接觸網主要技術參數如下。

跨距：65 m；

接觸線：CTA-150 mm2，張力15 kN；

承力索：JTM-150 mm2，張力；15 kN；

2.1.1 四機連掛模擬結果

列車速度：80 km/h。

受電弓型號：因未知受電弓具體數學模型，以相近受電弓模擬計算。

2.1.2 雙機連掛模擬結果

如果牽引方式為列車頭尾牽引，即在列車頭有兩臺機車，中間有兩臺機車，因為兩萬噸列車較長，前面兩臺機車造成的接觸網振動不會影響中間的兩臺機車的運行狀況。因此只研究相鄰兩臺機車的受流狀況。當采用相同的條件時，模擬結果如表1， 表2所示。

2.1.3 弓網模擬結論

從模擬結果表1，2可知，不管四機連掛，還是雙機連掛，第一個受電弓的抬升相差不大，但四機連掛時由于受電弓間的互相影響，第二個弓的動態(tài)抬升要大于兩機連掛時，并且四機連掛時的第三個和第四個的受電弓的抬升也比第一個受電弓大。因此整體上來說，四機連掛時接觸線的動態(tài)抬升量比雙機牽引大。多弓運行時，由于受電弓間互相影響，弓網間關系變得更加復雜，比如：接觸線動態(tài)抬升偏大。如果在設計時不注意這些變化，會惡化弓網關系。因此，在具體設計之前應根據機車布置方式和受電弓的類型詳細研究，根據計算結果指導接觸網的設計。

2.2 主要設計原則確定

2.2.1 懸掛類型確定（含附加導線）

由于AT供電方式接觸網線材數量多、結構復雜，不僅要考慮線材機械強度要求，還要對牽引網網絡的電流分布關系進行系統(tǒng)的分析和計算。從技術及經濟的角度合理地選擇線材截面、材質，使線材中的電流分布與線材的截面的選擇達到最佳效果。

經方案比選，確定接觸網懸掛類型為：正線采用JTM150+CTA-150全補償簡單鏈形懸掛、車站到發(fā)線有效長為2800 m時采用JTMH95+CTA-120全補償簡單鏈形懸掛、車站到發(fā)線有效長為1700 m時采用JTMH70+CTA-85全補償簡單鏈形懸掛。為了滿足載流量的要求，正線承力索為低鎂含量鎂銅合金絞線（150 mm2、Mg0.2%），其導電率不小于80%IACS。接觸懸掛載流量不能滿足的區(qū)段，采用加強線進行電流加強。

為了提高接觸網可靠性，采用鋼芯鋁絞線；隧道內正饋線擬采用膠聯(lián)聚乙烯絕緣抗冰導線。牽引變電所、AT所供電線采用2×LGJ-300/15鋼芯鋁絞線，分區(qū)所供電線采用2×LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，正饋線根據載流需要分別采用2×LGJ-185/10、1×LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，保護線采用LGJ-95/15鋼芯鋁絞線。

2.3 主要設備及金具選擇

2.3.1 支柱

腕臂柱支柱類型維持Φ400等經圓桿不變，只對容量不夠和支柱裂紋嚴重的支柱進行更換。新增的接觸網鋼柱采用熱浸鍍鋅防腐。

對軟橫跨容量不夠的支柱進行更換。為節(jié)約投資，對部分拆除的接觸網鋼柱在滿足使用要求時，進行涂漆后利舊使用。

對橋上60 m以上的大跨距，按增加支柱減小跨距處理，以增強接觸網的穩(wěn)定性。

2.3.2 支持裝置

全線腕臂結構改為平腕臂，腕臂采用5 mm壁厚的無縫鋼管，以提供腕臂強度及剛度。并設腕臂支撐，正定位及反定位均增加定位管支撐以增強接觸網的穩(wěn)定性；車站的懸掛采用軟橫跨方式。

隧道外腕臂絕緣子采用高強度瓷質棒式絕緣子（12 kN），隧道內采用復合絕緣子（12 kN）。絕緣子泄漏距離為1200 mm，上下行分段絕緣子泄漏距離為1600 mm。

2.3.3 接觸網零件的研究

由于150 mm2的接觸線、承力索在國內電氣化鐵路上是第一次使用，與之配套的16種（定位線夾、吊弦線夾、接觸線中心錨結線夾、承力索支撐線夾、終端錨固線夾、定位器、電連接線夾等）關鍵接觸網零件的設計、研究。引入有限元分析的手段，提高科學性、合理性及可靠性；在制造工藝上盡量采用金屬模鍛造、金屬模鑄造等先進工藝。

根據弓網關系模擬結果，確定態(tài)包絡線為水平擺動左右200 mm，動態(tài)抬升120 mm，接觸網定位器采用鋼材質。經過近4年的運行證明弓網狀態(tài)良好。

2.3.4 相關技術數據的確定

結構高度

根據既有支柱條件和接觸懸掛方式，確定區(qū)間接觸網結構高度一般為1400 mm，隧道內一般為800 mm。

跨距選擇

根據既有跨距，確定最大跨距為65m，曲線區(qū)段根據計算確定。橋梁上（風口地段）跨距布置，對大于60 m的跨距，采取在跨中橋墩上增加支柱的設計方案。

錨段長度

正線接觸網錨段長度一般不超過1600 m，困難時不超過1700 m；站線接觸網錨段長度一般不超過1800 m，困難時不超過1900 m；附加導線錨段長度一般不超過2000 m。

3 對既有材料利舊使用

為節(jié)約工程投資，避免浪費既有材料，對符合使用要求的材料進行利舊使用。其主要內容為：腕臂、正饋線、保護線肩架再鍍鋅后可利舊使用，對因站場改造拆除的軟橫跨鋼柱，重新涂漆后利舊使用，對下錨拉桿利舊使用，抗彎8 kN的棒式絕緣子等，對利舊材料需結合荷載變化進行檢算、檢驗、試驗才能使用。通過材料利舊，共節(jié)約工程投資約1000萬元。

4 接觸網與其他專業(yè)的配合

4.1 接觸網與車站設計的配合

大秦線2億噸擴能改造工程中，有11個車站到發(fā)線有效長為2800 m，車站股道數量為4～27股，這樣長的車站在國內也是第一次采用，有技術作業(yè)的車站每隔700 m在兩股道間設有一處腰岔（渡線）。對接觸網平面布置提出了新的要求。如按正常的站場設計方案，接觸網在每股道需設2～3個錨段，加之腰岔處的單獨下錨的錨支錨段，使車站內接觸網的工作支、非工作支的交叉非常多。為保證接觸懸掛的正常下錨角度，錨支的過渡長度會很長，在股道和腰岔較多的車站會使接觸網的平面布置非常復雜，不但造成接觸網工程投資的增加、施工和運營維護難度大，當接觸網發(fā)生事故時影響范圍將擴大，同時也影響整個站場的美觀。

為此，接觸網專業(yè)在設計過程中，給站場專業(yè)提出改進修改設計建議，要求站場專業(yè)在進行站場設計時每隔4～5股道留一個6.5 m的線間距，以方便接觸網錨柱立桿。

4.2 接觸網與其他專業(yè)的配合

在橋梁設計過程中，接觸網專業(yè)將需要配合橋墩接觸網支柱的荷載及支柱安裝尺寸提供給橋梁專業(yè)，由橋梁專業(yè)設計預埋接觸網托架。

5 多渡線區(qū)段的特殊設計

柳村南站到發(fā)線有效長2800 m，共27股道，且大部分為小半徑曲線，由于技術作業(yè)的需要，在線間設置了近百組腰岔，一股到發(fā)線要由3～4個錨段組成，需設2～3個錨段關節(jié)。如按常規(guī)設計，腰岔處每條渡線需單獨設置一個錨段，腰岔區(qū)段接觸網的平面布置會非常復雜。

在設計中經過研究、論證，確定采用線岔過渡代替錨段關節(jié)的設計方案，不僅使接觸網的平面布置更加簡化，而且能夠節(jié)省大量投資。將錨段關節(jié)由線岔替代渡線成“V”形狀下錨。此布置形式對施工技術要求更高，在線岔調整時仔細、認真，以期達到最佳效果，否則將會影響弓網等關系。采用線岔過渡代替錨段關節(jié)后，節(jié)約了下錨支柱約150根、接觸懸掛架設約15 km及接觸網相關配件，節(jié)約工程投資約400萬元。而且縮短了施工周期、減少了施工過程對運輸的干擾，使接觸網布置更美觀。也為以后類似工程的開展積攢了寶貴經驗。

6 結語

經過對設計方案的研究論證，滿足了2萬噸列車的開行條件，并適當留出余量。工程竣工已有8年多時間，因設計方案與運營實際情況相匹配，在運營中得到了實踐驗證，未發(fā)生因接觸網的不適應引起的行車故障。在工程實踐中，取得了多項自主創(chuàng)新成果，為今后重載鐵路的設計積累了寶貴經驗。經濟和社會效益增加十分明顯。

大秦線2億噸擴能改造后牽引質量為2萬噸、軸重為25 t。在通過特大橋時對橋墩產生的振動時間、振動幅度相對加大，影響接觸網的穩(wěn)定性，對此問題還需進一步研究解決。

參考文獻

[1]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].西南交大出版社，2003.

[2]鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].TB10009-2005，鐵道出版社，2005.