劉 忠

0 引言

沿海地區(qū)經(jīng)常受到雷暴、臺(tái)風(fēng)、海霧等災(zāi)害性天氣影響，該環(huán)境條件對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷、防腐、抗污、防風(fēng)提出了嚴(yán)格的要求，因此有必要針對(duì)沿海環(huán)境的氣候特點(diǎn)進(jìn)行接觸網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性研究。

1 接觸網(wǎng)防雷措施

根據(jù)城市軌道交通車輛段和停車場(chǎng)的具體情況，接觸網(wǎng)應(yīng)采取防止雷電壓的措施，以盡量避免雷電對(duì)接觸網(wǎng)和變電所設(shè)備以及列車車輛設(shè)備產(chǎn)生危害。

1.1 直擊雷防護(hù)

直擊雷防護(hù)通常采用避雷針、避雷線方式。《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定：35 kV架空電力線路可采用進(jìn)出線段架設(shè)地線的方式，3～10 kV混凝土桿架空電力線路在多雷區(qū)可架設(shè)地線?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定：在地面區(qū)段架空地線可兼作避雷線。

車場(chǎng)內(nèi)試車線由于其線路相對(duì)獨(dú)立，建議采用將接觸網(wǎng)架空地線抬高兼作避雷線的直擊雷防護(hù)方案，接觸網(wǎng)架空地線抬高高度、安裝位置應(yīng)滿足保護(hù)角45°或滾球半徑取值為45 m時(shí)保護(hù)范圍的規(guī)定。建議試車線架空地線每隔約200 m設(shè)置放電間隙，放電間隙接地電阻值不大于10 Ω，以保證雷擊接觸網(wǎng)架空地線時(shí)雷電流能有效泄流，避免在接觸網(wǎng)架空地線和接觸網(wǎng)鋼柱上形成較高電位的殘壓而擊穿絕緣子；接觸網(wǎng)每隔約200 m設(shè)置避雷器，避雷器接地電阻值不大于10 Ω，避免雷電反擊擊穿接觸網(wǎng)后竄至牽引變電所；相鄰放電間隙與避雷器的設(shè)置應(yīng)保證間隔約100 m距離，以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)牽引變電所內(nèi)電氣設(shè)備的絕緣保護(hù)。

車場(chǎng)內(nèi)股道多，接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率高于單線區(qū)段，但也正是由于接觸網(wǎng)多股道架設(shè)，雷電流分流迅速，對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的危害較小。一般停車庫(kù)房建筑物高于接觸網(wǎng)設(shè)備，庫(kù)房?jī)啥送饴兜慕佑|網(wǎng)基本處于建筑物的防雷屏蔽范圍內(nèi)；如果車場(chǎng)咽喉區(qū)上部或周圍存在較多建筑物，對(duì)咽喉區(qū)接觸網(wǎng)具有一定的防雷屏蔽效果。此時(shí)，車場(chǎng)內(nèi)多股道區(qū)接觸網(wǎng)可以不考慮直擊雷的防護(hù)。如果車場(chǎng)多股道線路接觸網(wǎng)處于較為空曠的地段，接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率遠(yuǎn)高于上述區(qū)域，但由于多股道接觸網(wǎng)雷電流分流迅速，加上設(shè)置避雷器接地泄流的作用，此時(shí)防雷效果不會(huì)對(duì)接地可靠性造成較大影響。

因此，建議車場(chǎng)內(nèi)（除試車線外）線路暫不采用將接觸網(wǎng)架空地線抬高接閃方案。

1.2 感應(yīng)雷防護(hù)

接觸網(wǎng)架空地線兼作避雷線對(duì)直擊雷的防護(hù)有明顯的效果，但對(duì)城市軌道交通沿線的感應(yīng)雷卻不能起到直接防護(hù)作用。通常情況下，DC 1 500 V系統(tǒng)絕緣子爬距增至250 mm后，接觸網(wǎng)具有一定的防感應(yīng)雷裕量，出于提高防雷水平的考慮，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：地上區(qū)段架空接觸網(wǎng)應(yīng)設(shè)置避雷器，其間距不應(yīng)大于300 m，防雷接地電阻值不大于10 Ω。前述直擊雷防護(hù)中避雷器設(shè)置方案已滿足要求，因此建議車場(chǎng)內(nèi)試車線接觸網(wǎng)每隔約200 m設(shè)置避雷器。

1.3 絕緣子優(yōu)化

城市軌道交通柔性架空接觸網(wǎng)懸掛用絕緣子一般采用瓷質(zhì)絕緣子。嚴(yán)重的污穢會(huì)降低瓷絕緣子的絕緣性能和動(dòng)穩(wěn)定能力，不僅會(huì)提高絕緣擊穿的概率，同時(shí)擊穿瞬間的短路沖擊極易導(dǎo)致瓷絕緣子破裂、重合閘失效，因此，建議地上區(qū)段架空接觸網(wǎng)采用抗污能力和動(dòng)穩(wěn)定能力強(qiáng)的硅橡膠絕緣子，以保證系統(tǒng)受雷擊后從暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)的可靠過渡。

2 接觸網(wǎng)防風(fēng)措施

接觸網(wǎng)除應(yīng)滿足正常行車取流要求外，還應(yīng)采取有效措施防止大風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)的影響，提高接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2.1 支柱的選用

按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，矩形、工字形和H形截面支柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.3，而環(huán)形截面混凝土支柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.6，環(huán)形截面實(shí)腹式鋼柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.9，由角鋼組成的格構(gòu)式鋼柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.8。建議接觸網(wǎng)支柱選用風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.9的錐形鋼支柱，其抗彎和抗扭性能好，受力無(wú)方向性，以減小風(fēng)力對(duì)支柱容量的影響。

2.2 接觸懸掛

柔性架空接觸網(wǎng)懸掛受風(fēng)荷載的影響主要體現(xiàn)在兩方面：接觸懸掛的受風(fēng)面積和線索的張力。根據(jù)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的高速鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并借鑒國(guó)外鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議采用適當(dāng)降低接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度的方法減小整個(gè)懸掛系統(tǒng)的受風(fēng)面積，增強(qiáng)懸掛裝置及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；提高接觸網(wǎng)線索（接觸線和承力索）的張力，不僅將明顯改善弓網(wǎng)取流質(zhì)量和降低離線率，還有利于減小線索的風(fēng)偏移和保持接觸線的高度，確保列車在運(yùn)行風(fēng)速下可靠受流。

2.3 支持裝置

考慮臺(tái)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，在支持裝置中增加腕臂支撐、定位管支撐及防風(fēng)拉線等，以增強(qiáng)支持裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖1）。

2.4 支柱容量選擇

在結(jié)構(gòu)計(jì)算風(fēng)速為60 m/s，地面區(qū)段最小曲線半徑為350 m，跨距選取40 m的情況下，接觸網(wǎng)懸掛裝置及支柱各負(fù)載情況見圖1和表1。

圖1 地面段接觸網(wǎng)典型安裝示意圖

表1 接觸網(wǎng)懸掛及支柱負(fù)載 kN·m

通過計(jì)算得知，接觸網(wǎng)中間柱的最大計(jì)算容量為118.76 kN·m，絕緣轉(zhuǎn)換柱的最大計(jì)算容量為181.27 kN·m，在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，中間柱采用下錨柱采用實(shí)際使用容量分別為120、200 kN·m。采用地腳螺栓，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮了不小于1.5的安全系數(shù)，接觸網(wǎng)支柱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮了不小于2.0的安全系數(shù)，對(duì)應(yīng)中間柱和轉(zhuǎn)換柱，其最大使用容量分別可達(dá)240、400 kN·m。因此，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下，接觸網(wǎng)支柱及地腳螺栓均可抵抗臺(tái)風(fēng)的襲擊，不會(huì)遭到破壞，地腳螺栓不會(huì)拔出。

通過上述接觸網(wǎng)應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)的設(shè)計(jì)措施，使接觸網(wǎng)受臺(tái)風(fēng)的影響減小到最低限度。

3 接觸網(wǎng)防腐措施

結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)，綜合分析接觸網(wǎng)存在的腐蝕問題。海洋大氣溫暖濕潤(rùn)、降水量高、濕度大、多風(fēng)、大氣含鹽分多，對(duì)金屬腐蝕性強(qiáng)。海洋大氣中金屬表面容易沉降細(xì)小鹽粒子，使得金屬表面即使在空氣相對(duì)濕度很低時(shí)也會(huì)形成表面液膜，引起腐蝕。接觸網(wǎng)鋼支柱和主要零部件一般采用熱浸鍍鋅工藝，鍍鋅層表面易與大氣中的CO2和Cl離子反應(yīng)分別形成堿式碳酸鋅和堿式氯化鋅，熱浸鍍鋅遭到破壞后，碳鋼基體作為陰極，Zn+作為陽(yáng)極，形成電偶腐蝕，加速鍍鍍層的腐蝕破壞。圖2為國(guó)內(nèi)某沿海區(qū)段接觸網(wǎng)部件的腐蝕照片。此外，大氣環(huán)境中的Cl離子通過不同遷移機(jī)制擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，對(duì)接觸網(wǎng)混凝土基礎(chǔ)的腐蝕破壞嚴(yán)重，大大降低了混凝土基礎(chǔ)的使用壽命。

圖2 國(guó)內(nèi)某沿海區(qū)段接觸網(wǎng)部件腐蝕圖

針對(duì)上述分析，提出以下建議措施：

（1）剛性架空接觸網(wǎng)防腐措施。a.架設(shè)剛性架空接觸網(wǎng)接觸線前，應(yīng)在接觸線上涂覆導(dǎo)電油脂，防止銅銀合金接觸線和鋁合金匯流排之間發(fā)生異相金屬腐蝕，且不影響銅鋁間的電流流動(dòng)；b.銅鋁之間的連接線夾采用銅鋁過渡線夾；c.在隧道口或滲水地帶，用匯流排防護(hù)罩對(duì)剛性架空接觸網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

（2）柔性架空接觸網(wǎng)防腐措施。a.M14及以下螺栓采用高強(qiáng)度不銹鋼件；b.接觸網(wǎng)鋼支柱、接觸網(wǎng)零部件采用熱浸鍍鋅防腐工藝。

沿海區(qū)段的氣候特性決定了其污穢等級(jí)和腐蝕強(qiáng)度較高，因此，對(duì)沿海區(qū)段柔性架空接觸網(wǎng)還應(yīng)考慮以下防腐措施：

a.沿海區(qū)段的空氣濕度和鹽密度值較高，對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)，因此，建議地上區(qū)段接觸網(wǎng)零部件采用鋁合金材質(zhì)，同時(shí)鋁合金基材需經(jīng)陽(yáng)極氧化處理，以提高防鹽霧能力。

b.與接觸網(wǎng)零部件相比，由于接觸網(wǎng)支柱采用鋁合金材質(zhì)對(duì)系統(tǒng)整體投資影響較大，國(guó)內(nèi)外接觸網(wǎng)系統(tǒng)很少采用，其制造工藝對(duì)支柱強(qiáng)度性能的影響也尚不明確，因此，不建議地上區(qū)段接觸網(wǎng)支柱采用鋁合金材質(zhì)。

c.接觸網(wǎng)鋼支柱在采用熱浸鍍鋅防腐的基礎(chǔ)上，可后期涂刷高性能防腐涂料以實(shí)現(xiàn)雙重防腐，涂料性能、漆膜厚度、涂刷工藝應(yīng)滿足相關(guān)要求，涂刷工藝建議在出廠前一次性完成，以滿足精度要求。

4 接觸網(wǎng)防松措施

接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是振動(dòng)性強(qiáng)，其中包括外界振動(dòng)（如列車通過振動(dòng)、風(fēng)荷載影響）和自身振動(dòng)（接觸線彈性振動(dòng)）。車場(chǎng)地上段柔性架空接觸網(wǎng)風(fēng)荷載較大，易造成接觸網(wǎng)系統(tǒng)緊固件的松動(dòng)和疲勞破壞。

目前，干線電氣化鐵路和城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用的防松緊固件主要是基于機(jī)械防松原理，包括開口銷、止動(dòng)墊圈、雙螺母等，其缺點(diǎn)是增加緊固連接的重量，并且在一些區(qū)段仍會(huì)出現(xiàn)防松失效的情況。隨著防松技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的防松緊固件（如HUCK螺栓、NORDLOCK防松墊圈等），該類防松緊固件主要通過對(duì)螺栓、墊圈本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)幾何自鎖功能，不需要額外增加緊固連接重量，防松性能優(yōu)越。建議地上區(qū)段柔性架空接觸網(wǎng)緊固件采用新型自鎖型緊固件。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)沿海環(huán)境的氣候特點(diǎn)，從防雷、防風(fēng)、防腐和防松4個(gè)方面對(duì)接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)及材質(zhì)選取等提出了針對(duì)性的措施，可為接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。