中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司 李其楠

1 引言

鐵路是國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的重點(diǎn)投資項(xiàng)目，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供關(guān)鍵助力[1]。電氣化鐵路在穿越大風(fēng)區(qū)域時(shí)，其接觸網(wǎng)受到風(fēng)力擾動(dòng)的影響，不僅會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)不安全因素，而且會(huì)影響電流和電信號(hào)傳輸?shù)淖兓痆2]。為了提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)的抗風(fēng)能力，本文研究鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)改進(jìn)方法，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)理論研究成果，對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因進(jìn)行分析，并對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備選型提出優(yōu)化建議。

2 風(fēng)力對(duì)電氣化鐵路運(yùn)行影響分析

2.1 風(fēng)力過(guò)大影響鐵路運(yùn)行安全性

接觸網(wǎng)在電氣化鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，一方面?zhèn)鬟f動(dòng)力信號(hào)，另一方面?zhèn)鬟f控制信號(hào)，相當(dāng)于鐵路系統(tǒng)的神經(jīng)中樞[3]。接觸網(wǎng)可以有效連接各種隔離開關(guān)、避雷器、高低壓變壓器和其他動(dòng)力設(shè)備。通過(guò)觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力過(guò)大時(shí)接觸網(wǎng)連接頭受到頻繁擾動(dòng)，會(huì)增大事故出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，可能發(fā)生的事故為連接線的連接部分反復(fù)磨損，存在斷裂的可能，會(huì)引發(fā)脫線；引線可能存在因?yàn)槟p出現(xiàn)斷股的現(xiàn)象，如果更換不及時(shí)，會(huì)影響信號(hào)的傳輸，給鐵路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)；相鄰引線或者脫落的引線可能在風(fēng)力的作用下，因?yàn)榻^緣皮破裂而相互搭接，從而引發(fā)短路風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐苫馂?zāi)等自然災(zāi)害事故。

2.2 防風(fēng)措施不當(dāng)會(huì)增加鐵路系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本

對(duì)于布設(shè)在大風(fēng)區(qū)域的電氣化鐵路系統(tǒng)，需要做好觸控網(wǎng)防風(fēng)措施[4]。由于防風(fēng)措施的科學(xué)性和可操作性不強(qiáng)，可能會(huì)額外增加鐵路系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。一方面，大風(fēng)作為一種自然現(xiàn)象，很難觀測(cè)和預(yù)警，其發(fā)生頻率具有極大的隨機(jī)性，如果采用的防風(fēng)措施過(guò)于復(fù)雜，必然會(huì)額外使用很多電器電子設(shè)備，這些電器電子設(shè)備需要調(diào)撥專項(xiàng)資金進(jìn)行運(yùn)維，導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)額外支出。另一方面，如果鐵路系統(tǒng)觸控網(wǎng)防風(fēng)措施不科學(xué)，在風(fēng)力增大時(shí)發(fā)揮不了有效的作用，必然會(huì)導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)因?yàn)轱L(fēng)力破壞產(chǎn)生安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，從而造成安全事故。目前鐵路系統(tǒng)機(jī)務(wù)段采取人工觀測(cè)的方法監(jiān)控風(fēng)力變化，這種方法需要投入大量的人力，同時(shí)觀測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，為了減少因?yàn)榉里L(fēng)措施不當(dāng)造成的鐵路系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本超額，除了制定科學(xué)合理的防風(fēng)措施之外，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)人工作業(yè)向智能化監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)型[5]。

3 電氣化鐵路觸控網(wǎng)防風(fēng)可行方法

3.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防風(fēng)

接觸網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的多元（連接點(diǎn)）耦合結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的整體相關(guān)性。對(duì)接觸網(wǎng)的防風(fēng)性能進(jìn)行改進(jìn)，基本的方法是改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

鐵路接觸網(wǎng)為了增加抗風(fēng)阻力，需要優(yōu)化隔離開關(guān)與框架支柱之間的相對(duì)高度。隔離開關(guān)是鐵路系統(tǒng)必不可少的功能性元件，為了減少引線故障對(duì)接觸網(wǎng)本身供電能力的負(fù)面影響，隔離開關(guān)一般設(shè)置在接觸網(wǎng)的上網(wǎng)點(diǎn)處。工作人員為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)平衡，設(shè)計(jì)隔離開關(guān)的安裝位置時(shí)需要進(jìn)行受力分析。此時(shí)，除了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力學(xué)平衡之外，還需要考慮到風(fēng)力的干擾。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，隔離開關(guān)與接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的距離至少要保持0.5m，當(dāng)風(fēng)力變大時(shí)需要適當(dāng)降低。

研究人員在進(jìn)行電氣化鐵路接觸網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到引線的絕對(duì)地緣距離因?yàn)闊崦浝淇s現(xiàn)象而引發(fā)的變化。接觸網(wǎng)與各個(gè)元器件的連接節(jié)點(diǎn)以及接觸網(wǎng)上各種元器件之間的連接節(jié)點(diǎn)之間必須控制精準(zhǔn)的長(zhǎng)度裕度，但是由于鐵路接觸網(wǎng)經(jīng)常分布在野外，不可控的環(huán)境溫度變化經(jīng)常會(huì)改變長(zhǎng)度裕度值，從而使各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)之間的電阻值發(fā)生改變。因此，進(jìn)行接觸網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到環(huán)境溫度變化的影響，同時(shí)需要進(jìn)行風(fēng)力對(duì)長(zhǎng)度裕度值的動(dòng)態(tài)影響模擬，使長(zhǎng)度裕度值能夠抵消這兩種已知的動(dòng)態(tài)值的不良影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸節(jié)點(diǎn)電阻值的精準(zhǔn)控制。

3.2 利用增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)防風(fēng)

接觸網(wǎng)利用增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)防風(fēng)。一方面需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如架設(shè)支撐點(diǎn)的位置。在隔離開關(guān)與承力索的連接部位，需要架設(shè)相當(dāng)于固定支撐點(diǎn)的托架。托架的形式一般設(shè)計(jì)成長(zhǎng)條形，同時(shí)采用三腳架的形式進(jìn)行支撐。三腳架與托架、托架與隔離開關(guān)和承力索的連接部分，這些接觸點(diǎn)的承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到風(fēng)力的沖擊，增加合適的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定裕度才能夠保證在風(fēng)力的沖擊下依然保持穩(wěn)定。另一方面，需要采用新材料構(gòu)建托架與三腳架。由于鐵路接觸網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要考慮到經(jīng)濟(jì)成本，并且風(fēng)力對(duì)接觸網(wǎng)的沖擊經(jīng)常表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間微擾動(dòng)的形式，如果選擇的材料韌性不達(dá)標(biāo)，很可能會(huì)因?yàn)槲_動(dòng)引發(fā)共振從而對(duì)接觸網(wǎng)造成永久性破壞，或者經(jīng)受不住風(fēng)的擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因此，利用增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，既需要考慮到結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)，也需要選擇合適的材料。

3.3 通過(guò)引線合并實(shí)現(xiàn)防風(fēng)

研究人員通過(guò)將單一的引線進(jìn)行合并來(lái)實(shí)現(xiàn)提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)的防風(fēng)效果，這也是增強(qiáng)防風(fēng)性能的重要技術(shù)措施。高鐵接觸網(wǎng)上的引線，在其分散時(shí)，防風(fēng)能力減弱，而將引線通過(guò)綁扎進(jìn)行合成，則會(huì)顯著提高引線的自身穩(wěn)定性。通常比較科學(xué)的引線綁扎形式是呈“品”字形進(jìn)行綁扎。

4 電氣化鐵路觸控網(wǎng)防風(fēng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

4.1 仿真設(shè)置

選擇京九線途經(jīng)湖北某縣的一段鐵路進(jìn)行仿真試驗(yàn)。該路段所經(jīng)地理位置復(fù)雜，屬于兩山夾縫之間的風(fēng)口地帶，頻繁遭受長(zhǎng)時(shí)間、大風(fēng)力的擾動(dòng)。研究人員為了改進(jìn)鐵路接觸網(wǎng)的防風(fēng)性能，需要構(gòu)建接觸網(wǎng)的氣動(dòng)仿真模型。

氣動(dòng)仿真模型采用基于COMSOL 架構(gòu)的二次開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)。選擇典型的直鏈形懸掛方式進(jìn)行全補(bǔ)償優(yōu)化仿真。接觸網(wǎng)支架的類型選擇Φ300×8.5的鋼管柱，匹配張力與偏移量預(yù)設(shè)值見(jiàn)表1。

表1 匹配張力和偏移量預(yù)設(shè)值

4.2 仿真結(jié)果

本文采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的方式實(shí)現(xiàn)防風(fēng)性能的增強(qiáng)，主要研究隔離開關(guān)與接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的距離與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化關(guān)系。假設(shè)風(fēng)力的速度為3m/s，直鏈形懸掛方式的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與隔離開關(guān)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)，相對(duì)距離與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 相對(duì)距離與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系

由圖1 可知，選擇相對(duì)距離的最小值為0.5m，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與相對(duì)距離之間的變化關(guān)系不是線性的。隨著隔離開關(guān)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的相對(duì)距離不斷增大，直鏈形懸掛方式的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)逐漸增強(qiáng)，其承力性能不斷變優(yōu)；當(dāng)相對(duì)距離增加到某一個(gè)限定值之后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)逐漸下降。根據(jù)仿真結(jié)果可以判斷，當(dāng)風(fēng)速為3m/s 時(shí)，最佳的相對(duì)距離為1.05m，此時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最大值，約325kN。

另外，可以改變風(fēng)速值，研究當(dāng)相對(duì)距離為1.05m 時(shí)，風(fēng)速與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 風(fēng)速與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系

由圖2 可知，在固定的相對(duì)距離條件下，風(fēng)速與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系同樣是非線性的。隨著風(fēng)速的增加，在隔離開關(guān)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的相對(duì)距離為最優(yōu)值時(shí)，直鏈形懸掛方式的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)逐漸增強(qiáng)，并且在風(fēng)速達(dá)到2.25m/s 時(shí)達(dá)到最大值。結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)調(diào)整相對(duì)距離，可以使接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)保持對(duì)風(fēng)力帶來(lái)的干擾實(shí)現(xiàn)有效抑制，從而實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的相對(duì)穩(wěn)定。但是，這種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)隨著風(fēng)速的增加而遭到破壞，會(huì)隨著風(fēng)速的增大而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降趨勢(shì)。因此，選擇隔離開關(guān)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的相對(duì)距離時(shí)，需要綜合考慮風(fēng)速的影響，這樣才能夠選擇最優(yōu)的相對(duì)距離，并且在較大的裕度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的穩(wěn)定。

4.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)注意事項(xiàng)

研究人員采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，提高大風(fēng)區(qū)域電氣化鐵路接觸網(wǎng)的防風(fēng)性能，在設(shè)計(jì)和施工中需要注意以下事項(xiàng)。

一是采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析問(wèn)題并提出設(shè)計(jì)方案。由仿真實(shí)例可以看出，為了提高接觸網(wǎng)的防風(fēng)強(qiáng)度，不僅需要考慮風(fēng)速的大小，還需要綜合考慮隔離開關(guān)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間的相對(duì)距離。這說(shuō)明，研究人員在進(jìn)行鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮多種要素，需要關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化受到多種因素的制約作用，這樣才能夠以最低的成本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

二是提高施工水平。鐵路接觸網(wǎng)通過(guò)多元器件實(shí)現(xiàn)多種電氣元件的連接，屬于相對(duì)精密的鐵路設(shè)備。因此，在進(jìn)行施工時(shí)，一方面需要關(guān)注因?yàn)樵煌恢梅植紟?lái)的形狀變化，另一方面需要對(duì)元件連接進(jìn)入接觸網(wǎng)之后相關(guān)電阻值的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，避免因?yàn)樵骷徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變引起電阻值超標(biāo)給接觸網(wǎng)電流傳輸帶來(lái)額外的限制，從而影響接觸網(wǎng)的實(shí)際使用性能。

5 結(jié)語(yǔ)

大風(fēng)區(qū)域電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要關(guān)注技術(shù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，同時(shí)需要綜合考慮多種因素的影響。本文結(jié)合風(fēng)力對(duì)電氣化鐵路運(yùn)行效能的影響分析，提出了改進(jìn)電氣化鐵路觸控網(wǎng)防風(fēng)性能的可行性方法，選擇京九線途經(jīng)湖北某縣的一段鐵路進(jìn)行仿真試驗(yàn)，說(shuō)明了如何利用改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的方式實(shí)現(xiàn)防風(fēng)性能的增強(qiáng)。運(yùn)維人員在后續(xù)的施工中，需要圍繞本文提出的技術(shù)措施進(jìn)行深入研究，提出具體可行的施工方案，同時(shí)采用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)分析多因素耦合帶來(lái)的復(fù)雜影響，這樣才能夠進(jìn)一步提升電氣化鐵路接觸網(wǎng)的防風(fēng)性能，保障鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。