王碰雄

國(guó)家能源集團(tuán)神朔鐵路分公司，陜西神木，719300

0 引言

電氣化鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，在我國(guó)交通運(yùn)輸體系中有著舉足輕重的地位，是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施[1]。接觸網(wǎng)作為電氣化鐵路的組成部分，承擔(dān)著車、網(wǎng)連通的重要作用。神朔鐵路自電氣化開(kāi)通以來(lái)，已運(yùn)行近二十年，接觸網(wǎng)磨耗大，接近大修期；并且，隨著神朔鐵路近年來(lái)運(yùn)量不斷增加，牽引負(fù)荷加大，部分區(qū)段接觸網(wǎng)載流能力已達(dá)到極限。因此，為適應(yīng)現(xiàn)有運(yùn)輸組織運(yùn)量需求，需對(duì)全線接觸網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀重新進(jìn)行評(píng)估并針對(duì)存在的問(wèn)題提出解決措施。

1 神朔鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

神朔鐵路公司運(yùn)營(yíng)里程266公里，神東（不含）至王家寨（含）采用直供加回流供電方式，王家寨（不含）至朔西采用AT供電方式[2-5]。接觸網(wǎng)正線1665.3742換算條公里、站線359.071換算條公里、專用線145.889換算條公里，合計(jì)2170.3342換算條公里。電分相34組（器件式分相27組，帶電自動(dòng)過(guò)分相7組）。神朔鐵路自開(kāi)通以來(lái)，歷經(jīng)多次改造，邊改造邊運(yùn)營(yíng)，設(shè)備型號(hào)不統(tǒng)一，設(shè)備運(yùn)行年限差異較大。近年來(lái)，部分區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)備故障次數(shù)增多，總維修時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)列車的正常運(yùn)行造成了不利影響。

1.1 接觸懸掛系統(tǒng)存在問(wèn)題

神朔鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線主要存在以下問(wèn)題：

（1）神朔線現(xiàn)有鋼鋁復(fù)合導(dǎo)線217.973公里，主要分布在大柳塔（含）至神木北（含）區(qū)間上下行，神木北至府谷(含）區(qū)間下行；神池南至朔西區(qū)段。其中神池南至朔西區(qū)段2000年開(kāi)通，大柳塔（含）至府谷（含）區(qū)間2002至2003年分段逐步開(kāi)通?，F(xiàn)均已達(dá)到或接近大修年限。

（2）神朔線正線現(xiàn)有鋼鋁復(fù)合導(dǎo)線167個(gè)錨段，根據(jù)測(cè)量的磨耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前共有116個(gè)錨段磨耗超過(guò)15%（警示值），其中67個(gè)錨段磨耗超過(guò)20%（限界值）。

（3）由于導(dǎo)線材質(zhì)不統(tǒng)一，且不同材質(zhì)導(dǎo)線位置不集中，在站場(chǎng)岔區(qū)、區(qū)間錨段關(guān)節(jié)位置存在大量的銅鋁過(guò)渡，電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，目前通過(guò)頻繁更換線夾來(lái)維持設(shè)備正常狀態(tài)。

（4）鋼鋁復(fù)合導(dǎo)線目前已經(jīng)大面積淘汰，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)鋼鋁復(fù)合導(dǎo)線，導(dǎo)致采購(gòu)困難。目前神朔線用于正線的GLCN250鋼鋁復(fù)合導(dǎo)線庫(kù)存嚴(yán)重不足，不能滿足安全儲(chǔ)備需求。

（5）神朔線現(xiàn)有單線隧道50座，由于設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)、標(biāo)準(zhǔn)較低，凈空不足。導(dǎo)致現(xiàn)有導(dǎo)線高度不足（設(shè)計(jì)5750mm，實(shí)際最低點(diǎn)5377mm），需通過(guò)改變懸掛形式予以解決。

（6）由于管內(nèi)61座隧道年代久遠(yuǎn)，施工工藝落后，其中36座滲漏水嚴(yán)重，導(dǎo)致隧道內(nèi)接觸懸掛腐蝕嚴(yán)重。

1.2 軟（硬）橫跨存在問(wèn)題

隨著運(yùn)量的逐年提升，站場(chǎng)作業(yè)量明顯增加，尤其是對(duì)站場(chǎng)接觸網(wǎng)提出更高的穩(wěn)定性要求?，F(xiàn)有站場(chǎng)除朱蓋塔站、賀職站、寇莊站場(chǎng)使用硬橫梁外，其余站場(chǎng)均使用軟橫跨結(jié)構(gòu)。自開(kāi)通以來(lái)，以上三站均未發(fā)生導(dǎo)流、機(jī)械方面的故障。反而在軟橫跨結(jié)構(gòu)車站，發(fā)生過(guò)橫承燒斷、懸吊滑輪處導(dǎo)線燒傷斷股故障。

1.3 支柱與基礎(chǔ)存在問(wèn)題

神朔鐵路不少區(qū)段接觸網(wǎng)支柱老舊，存在破損情況。個(gè)別區(qū)段支柱側(cè)面限界不夠，支柱容量不足，給運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，主要存在以下問(wèn)題：

（1）更換銅導(dǎo)線后導(dǎo)線質(zhì)量較鋁線有所增加，且供電能力提升工程后附加導(dǎo)線增加，H38鋼筋混凝土支柱容量不能滿足運(yùn)行要求。目前神朔線共有H38鋼筋混凝土支柱361棵。

（2）隨著大型養(yǎng)路機(jī)械的大面積應(yīng)用，神朔線部分支柱不能滿足大型養(yǎng)路機(jī)械對(duì)側(cè)面限界的要求。神朔線共有支柱10087棵，其中有4034棵小于3.1m。

（3）神朔線早年地處干旱地區(qū)，設(shè)計(jì)之初對(duì)防洪要求較低，部分支柱基礎(chǔ)、拉線基礎(chǔ)設(shè)置在水溝及橋頭護(hù)錐內(nèi)，近年陜北地區(qū)氣候治理效果顯著，雨量明顯增多，設(shè)置在水溝及橋頭的基礎(chǔ)形成防洪安全隱患，需重新布置錨段，變更基礎(chǔ)位置以消除防洪隱患。

2 接觸網(wǎng)載流評(píng)估計(jì)算

2.1 接觸網(wǎng)載流量計(jì)算

（1）計(jì)算方法

接觸網(wǎng)載流量是電氣化鐵路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，也是決定牽引供電系統(tǒng)供電能力的重要參數(shù)。接觸網(wǎng)導(dǎo)線主要由承力索和接觸線構(gòu)成。早期我國(guó)電氣化鐵道大量使用鋼材質(zhì)承力索，由于鋼材質(zhì)承力索為鐵磁材料，內(nèi)阻抗大，分流作用有限，后來(lái)逐漸改用銅材質(zhì)載流承力索，顯著提高了接觸網(wǎng)的載流能力。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)載流量計(jì)算方法只考慮接觸線、承力索和加強(qiáng)線（如果有）的并聯(lián)關(guān)系，按阻抗并聯(lián)進(jìn)行分配電流。

本評(píng)估是基于牽引網(wǎng)多導(dǎo)體傳輸線數(shù)學(xué)模型，并考慮回流電路影響，對(duì)典型的實(shí)際的帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)和自耦變壓器供電方式牽引網(wǎng)進(jìn)行了計(jì)算與評(píng)估?？紤]到接觸網(wǎng)各導(dǎo)線自阻抗和導(dǎo)線間互阻抗對(duì)電流分配系數(shù)的影響，由于回流導(dǎo)線和供電導(dǎo)線之間存在電磁耦合作用，回流線（保護(hù)線）對(duì)接觸線、承力索及加強(qiáng)線的耦合影響不同，精確計(jì)算各并聯(lián)導(dǎo)線的電流分配系數(shù)需考慮回流電路的影響，這是對(duì)傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)載流量計(jì)算方法的改進(jìn)[6-7]。

接觸網(wǎng)的整體載流量取決于最早達(dá)到安全允許電流的導(dǎo)線。用各單根供電導(dǎo)線（接觸線、承力索或加強(qiáng)線等）的載流量INi除以對(duì)應(yīng)的電流分配系數(shù)αi可以分別得到一個(gè)接觸網(wǎng)載流量ITi：

取全部m個(gè)載流量的最小值，作為接觸網(wǎng)的載流量，可使所有導(dǎo)線都不超過(guò)允許值。

（2）直接供電方式接觸網(wǎng)載流量

本評(píng)估對(duì)典型的帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)進(jìn)行了建模計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，列車取用的電流通過(guò)接觸網(wǎng)供給，鋼軌和與其并聯(lián)的回流線（NF線）構(gòu)成回流導(dǎo)線，還有一部分電流通過(guò)大地回流。地中回流的比例與鋼軌對(duì)地漏泄電阻、回流線安裝位置及安裝方式、大地電阻率等因素有關(guān)，一般為10%～20%。

經(jīng)計(jì)算，帶回流線的直接供電方式線路牽引網(wǎng)各線電流分配系數(shù)如表1所示，各單根導(dǎo)線的載流量如表2所示。以黃羊城-南梁（下行）段為例，算例中接觸線型號(hào)為GLCN250，承力索和回流線的型號(hào)皆為L(zhǎng)BGLJ-185。

表1 牽引網(wǎng)電流分配系數(shù)αi

表2 牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流INi

根據(jù)上述接觸網(wǎng)載流量計(jì)算方法可得，載流量為1105A。對(duì)于帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)，可采用增設(shè)加強(qiáng)線的方法提高接觸網(wǎng)載流量水平，加強(qiáng)線型號(hào)為L(zhǎng)BGLJ-300，經(jīng)計(jì)算得，增設(shè)加強(qiáng)線后接觸網(wǎng)載流量可提高至1684A。

（3）自耦變壓器供電方式接觸網(wǎng)載流量

自耦變壓器供電方式可以用兩類回路描述，一類是與直供牽引網(wǎng)類似的接觸網(wǎng)－鋼軌回路（TR回路），由牽引變壓器與兩個(gè)AT的上半繞組向列車供電；另一類是接觸網(wǎng)－正饋線回路（TF回路），由牽引變壓器向兩個(gè)AT供電。兩個(gè)回路電流均流過(guò)接觸網(wǎng)，但TR回路的回流導(dǎo)線為鋼軌和保護(hù)線，TF回路的回流導(dǎo)線為正饋線，如圖2所示。

當(dāng)用TR回路描述時(shí)，AT供電方式牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分配系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示，各單根導(dǎo)線的載流量如表4所示。以賀值-韓家樓段為例，接觸網(wǎng)型號(hào)為CTAH-150，承力索為JTMH-150，回流線為L(zhǎng)BGLJ-95，根據(jù)上述計(jì)算原則可得，工作溫度95℃時(shí)（以下均按該工作溫度核算）的接觸網(wǎng)載流量為1026 A。若增設(shè)加強(qiáng)線，加強(qiáng)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-185，則各線電流分配系數(shù)如表5所示，各單根導(dǎo)線載流量如表6所示，接觸網(wǎng)載流量可提高至1514A。

表3 TR 回路牽引網(wǎng)電流分配系數(shù)αi

表4 牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流INi

表5 TR回路牽引網(wǎng)電流分配系數(shù)αi（增設(shè)加強(qiáng)線）

表6 牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流INi（增設(shè)加強(qiáng)線）

當(dāng)用TF回路描述網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各導(dǎo)線型號(hào)與上述算例相同。各導(dǎo)線電流分配系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表7所示，各單根導(dǎo)線的載流量如表8所示。根據(jù)上述計(jì)算原則，經(jīng)計(jì)算后得到AT供電方式接觸網(wǎng)載流量為1041A。若增設(shè)加強(qiáng)線，加強(qiáng)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-185，則各線電流分配系數(shù)如表9所示，各單根導(dǎo)線載流量如表10所示，接觸網(wǎng)載流量可提高至1368A。

表7 TF 回路牽引網(wǎng)電流分配系數(shù)αi

表8 牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流INi

表9 TF 回路牽引網(wǎng)電流分配系數(shù)αi（增設(shè)加強(qiáng)線）

表10 牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流INi（增設(shè)加強(qiáng)線）

對(duì)于AT牽引網(wǎng)，存在回流網(wǎng)絡(luò)不同的兩個(gè)回路，按上述兩種建模方法可以確定兩個(gè)載流量，一個(gè)留有安全裕量的方法是取較小值，則該算例的載流量取值為1026A。

2.2 正線接觸網(wǎng)載流量評(píng)估

根據(jù)上文方法計(jì)算了全線各段不同導(dǎo)線組合下的載流量大小，結(jié)果如表11所示。導(dǎo)線的溫升時(shí)間常數(shù)一般為4～5min，受氣溫、風(fēng)速及日照條件等因素影響會(huì)有變化。目前評(píng)估接觸網(wǎng)載流量并無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)和方法，本文取15min平均最大電流作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表3中全線接觸網(wǎng)載流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，接觸網(wǎng)載流量不足的供電臂有：神木北-黃羊城、府谷-保德。這2個(gè)供電臂也存在牽引變壓器過(guò)載現(xiàn)象。另外，南梁-蛇口峁和賀職-義井兩個(gè)供電臂載流量余量處于臨界值。

表11 正線接觸網(wǎng)載流量

2.3 萬(wàn)噸站側(cè)線股道GJ70+GLCN195接觸網(wǎng)載流量

承力索是電氣化鐵路接觸網(wǎng)中主要設(shè)備，應(yīng)用于工程計(jì)算，單鏈型懸掛接觸網(wǎng)采用鍍鋅鋼絞線GJ-70承力索時(shí)，其穩(wěn)態(tài)載流量為120A。隨著電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，要求承力索不但具有良好的承負(fù)載能力，而且還能起到一定的分流作用。

GLCN195為內(nèi)包式鋼鋁接觸線，載流量參考值如表12所示，表中給出的載流量為環(huán)境溫度為35℃，最高工作溫度為80℃，當(dāng)最高工作溫度為90℃時(shí)，表中各值相應(yīng)提高10%。在一定環(huán)境溫度下，接觸線承受0.6倍持續(xù)載流量的電流負(fù)荷溫升穩(wěn)定后，再施加一定的過(guò)載電流，使接觸線經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間（20min或5min）溫度達(dá)到最高允許值。這個(gè)短時(shí)的過(guò)載電流稱為20 min過(guò)載流量或5min過(guò)載流量。載流量溫度校正系數(shù)如表13所示。

表12 GLCN195 載流量（參考值）

表13 載流量溫度校正系數(shù)表

當(dāng)接觸網(wǎng)由多種導(dǎo)線組成時(shí)，其容許電流決定于最早達(dá)到安全允許電流的導(dǎo)線。導(dǎo)線電流及其持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)為導(dǎo)線溫升及其對(duì)導(dǎo)線機(jī)械性能的影響。所以規(guī)定接觸網(wǎng)導(dǎo)線的最高溫度，銅導(dǎo)線不應(yīng)超過(guò)80℃，鋁導(dǎo)線不應(yīng)超過(guò)90℃，鋼導(dǎo)線和鋼鋁導(dǎo)線不應(yīng)超過(guò)70℃。

對(duì)于接觸線GLCN195，由表12可知，其允許電流為430A，短時(shí)可允許20分鐘電流達(dá)470A，一般導(dǎo)線熱時(shí)間常數(shù)約為5分鐘，15～20分鐘即達(dá)到穩(wěn)定溫度。簡(jiǎn)單懸掛接觸網(wǎng)的容許電流即等于接觸導(dǎo)線容許電流。采用鋼承力索單鏈形懸掛的接觸網(wǎng)，容許電流的計(jì)算要比較復(fù)雜，因?yàn)殇摮辛λ鞯膮?shù)隨電流變化。常用的GJ-70的特性如表14所示。

表14 GJ70 特性

接觸線導(dǎo)線的漏阻抗為，

其絕對(duì)值為0.352Ω/km。承力索參數(shù)隨電流變化，故承力索漏阻抗可寫(xiě)為：

其中0.1451g(dic/Rc)=0.323，rc和xoc為與電流有關(guān)的變量。

承力索漏阻抗與電流Ic的關(guān)系，應(yīng)用表14和上式計(jì)算。設(shè)接觸導(dǎo)線電流為430A，那么，承力索漏阻抗為2.4Ω/km時(shí)電流Ic為63.0A，漏阻抗為2.6Ω/km時(shí)電流Ic為58.2A。按承力索漏阻抗分配給承力索的電流，可得接觸導(dǎo)線電流為430A時(shí)，Ic為60A。60A低于承力索允許電流120A。所以，忽略兩導(dǎo)線中電流的相位差，可知由GJ-70構(gòu)成的單鏈形懸掛持續(xù)容許電流為430+60=490A。

接觸導(dǎo)線5min允許電流為650A時(shí)，按承力索漏阻抗分配給承力索的電流計(jì)算方法，Ic為71A，也低于承力索允許電流。所以單鏈形懸掛接觸網(wǎng)5分鐘容許電流為650+71=721A。

對(duì)于萬(wàn)噸列，在站線通常不會(huì)超過(guò)5min，目前的萬(wàn)噸站側(cè)線股道GJ70+GLCN195接觸網(wǎng)靠短時(shí)過(guò)載，能夠滿足需要。

3 接觸網(wǎng)大修改造方案研究

針對(duì)神朔鐵路牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在盡量維持既有接觸網(wǎng)的前提下，采用改移接觸網(wǎng)電分相的方式，均衡各區(qū)段牽引負(fù)荷分配，提高牽引網(wǎng)網(wǎng)壓，避免負(fù)荷電流過(guò)大超過(guò)接觸網(wǎng)導(dǎo)線載流量。

以下給出測(cè)試時(shí)段分區(qū)所電壓波動(dòng)范圍（供電臂末端）、萬(wàn)噸列車行駛經(jīng)過(guò)供電臂末端的網(wǎng)壓數(shù)據(jù)，以及含有自動(dòng)分相的神朔鐵路線路示意圖，參考GB/T 1402-2010和GB/T 28027-2011進(jìn)行分析。

表15為實(shí)測(cè)分區(qū)所電壓情況，根據(jù)GB/T 1402-2010中4.1節(jié)電壓標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析電壓是否滿足要求。根據(jù)電力機(jī)車功率發(fā)揮特性，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓小于22.5kV時(shí)，電力機(jī)車將不能發(fā)揮額定功率，必須降額運(yùn)行，所以電壓應(yīng)不低于22.5kV才能保障機(jī)車牽引功率發(fā)揮。

表15 分區(qū)所電壓波動(dòng)范圍

以功率因數(shù)相對(duì)較低、諧波電流注入相對(duì)更多的SS4B電力機(jī)車為參考，表16給出了“2+2”編組的萬(wàn)噸列經(jīng)過(guò)供電臂末端的網(wǎng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)表16中供電臂末端網(wǎng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，萬(wàn)噸列車經(jīng)過(guò)保德--橋頭、橋頭--王家寨、王家寨--陰塔、陰塔--韓家樓4個(gè)供電臂末端時(shí)，網(wǎng)壓均低于22.5kV。部分區(qū)段供電臂末端網(wǎng)壓較低，原因是從保德分區(qū)所到義井分區(qū)所，海拔逐漸攀升，坡道較陡，如圖3所示，列車在供電臂末端處于爬坡階段，取流較大。

表16 萬(wàn)噸列車供電臂末端網(wǎng)壓

根據(jù)自動(dòng)過(guò)分相運(yùn)用情況和線路實(shí)際條件，可適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化以下電分相位置：陰塔、王家寨和橋頭。陰塔、王家寨和橋頭電分相位置向小公里方向移動(dòng)，適當(dāng)減輕陰塔-王家寨、橋頭-王家寨、橋頭-保德3個(gè)供電臂的負(fù)荷壓力，改善網(wǎng)壓條件，降低負(fù)荷電流，避免超過(guò)接觸網(wǎng)導(dǎo)線載流能力。

保德 府谷 11:58 25.56 合格 合格 未高于 未高于橋頭 21.85 合格 合格 未高于 未高于王家寨 橋頭 12:23 21.00 合格 合格 未高于 未高于陰塔 22.00 高于 高于 未高于 未高于韓家樓 陰塔 12:50 21.42 合格 合格 未高于 未高于賀職 27.29 合格 合格 未高于 未高于義井 賀職 13:33 22.82 合格 合格 未高于 未高于神池南 24.24 合格 合格 未高于 未高于

4 結(jié)論

本文對(duì)神朔鐵路牽引網(wǎng)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題進(jìn)行了分析，根據(jù)直供區(qū)段、AT供電區(qū)段以及車站牽引的載流量評(píng)估計(jì)算，提出了調(diào)整全線接觸網(wǎng)電分相設(shè)置的大修改造方案，檢算結(jié)果驗(yàn)證了大修改造方案技術(shù)上是可行的。改造方案不改變接觸網(wǎng)的現(xiàn)狀，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。該研究對(duì)類似工程的相關(guān)研究具有較強(qiáng)的借鑒意義。