重载铁路接触网设计

摘 要：针对重载电气化铁路接触网特点及对接触网的要求,结合大秦线2亿吨改造工程接触网设计经验,论述接触网设计与相关专业的配合及重载接触网设计的要点及建议,与国内同行共同探讨.

关 键 词：重载铁路接触网设计研究

中图分类号：U21文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）02（c）-0126-02

重载铁路大秦线全长653km,设计之初按牵引质量1万吨、年运量1亿吨设计1992年全线开通运营.

大秦2亿吨扩能改造工程,为既有电化线路改造,AT供电方式,接触网线条较多,且与10kV电力线合架.在2004年施工过程中要完成1.5亿吨的运输任务.设计过程中克服了技术要求高、站前和站后工程交叉设计的困难.针对重载铁路牵引电流大、多机多弓牵引和既有设备限制的特点.经过方案研究、论证,确定技术可靠、经济合理的设计方案.

1改造前接触网状况及存在问题

1.1接触网悬挂类型

区间及站场正线采用GJ-100+TCG-110、站线采用GJ-70+TCG-85全补偿简单链形悬挂.结构高度一般为1100mm.正馈线采用LJ-185或LJ-240,保护线、架空地线采用LGJ-70.

接触悬挂持续载流量,已不满足列车取流需要,随着运量的持续增长,列车编组方式的变化,该问题更为突出；另外,在桥上及风口地段支柱间跨距较大,接触网稳定性较差,曾发生阵风将接触线吹起造成打弓事故.

1.2支柱

区间腕臂柱采用环形等径预应力钢筋混凝土支柱,站场软横跨柱及桥钢柱一般采用涂漆防腐.支柱使用情况较好,但部分混凝土支柱存在裂纹现象.

1.3支持装置

腕臂结构一般为斜腕臂+水平拉杆形式；站场一般采用软横跨结构；隧道内一般采用吊柱支持结构.从运行情况来看,区间接触网稳定性较差,在阵风作用下,造成接触网受流质量差,严重时造成弓网故障；部分隧道漏水严重,冬季时常发生结冰现象,造成正馈线接地短路事故.

1.4接触网零部件

大秦线既有接触网主要受力件一般采用铸铁件,导致接触网的可靠性较差,接触网维护工作量大,曾发生零件断裂现象.

2接触网设计方案研究

大秦线2亿吨牵引供电系统扩能改造工程接触网的改造特点是：

投资紧张：本次改造工程,需更换接触悬挂1996条公里、附加悬挂3315条公里,增加和更换各种支柱6186根、更换软横跨1841组,更换腕臂及定位装置24376套,以及既有设施拆除等.接触网改造投资只有5.48亿元.

设计周期短：整个改造工程设计时间只有90天.设计文件必须满足施工进度要求,同时还要结合站前改造方案和既有接触网的现状情况,进行方案优化.尽量减少过渡工程.

改造范围大：除保留部分支柱保留外,接触网其他所有设备均需拆除、更新.

质量要求高：开行2万吨列车与开行1万吨列车有着本质的区别.多机多弓牵引,对接触网受流质量要求高.

根据以上特点,接触网设计时,结合现场调查情况,对以下问题进行论证、分析.

2.1弓网关系模拟研究

根据多机多弓的牵引特点,为了实现单元列车2万吨,电力牵引需要多机牵引,也就是需要多个受电弓同时取流.接触网从被迫振动到恢复到静止状态需要一定的时间,当多个受电弓同时运行取流时,由于前弓造成的接触网的振动可能还未恢复到静止状态,后弓已运行到该处,后弓的受流质量会受到接触网余振的影响,同时也会加大该处接触线的抬升.多弓运行时,弓网间的动态关系不同于单弓运行,严重时会引起多弓共振,严重恶化受流质量.多弓运行时,受流质量不仅取决于受电弓和接触网,还取决于弓间距及弓间距和接触网跨距的配合关系.

受电弓间距.

根据大秦线试验机车DJ1的特点,要实现2万吨机车牵引需要四机牵引.如果四机连挂并且都升弓运行,弓间距如下：

35.3m+35.3m+35.3m+35.3m

接触网主要技术参数如下.

跨距：65m；

接触线：CTA-150mm2,张力15kN；

承力索：JTM-150mm2,张力；15kN；

2.1.1四机连挂模拟结果

列车速度：80km/h.

受电弓型号：因未知受电弓具体数学模型,以相近受电弓模拟计算.

2.1.2双机连挂模拟结果

如果牵引方式为列车头尾牵引,即在列车头有两台机车,中间有两台机车,因为两万吨列车较长,前面两台机车造成的接触网振动不会影响中间的两台机车的运行状况.因此只研究相邻两台机车的受流状况.当采用相同的条件时,模拟结果如表1,表2所示.

2.1.3弓网模拟结论

从模拟结果表1,2可知,不管四机连挂,还是双机连挂,第一个受电弓的抬升相差不大,但四机连挂时由于受电弓间的互相影响,第二个弓的动态抬升要大于两机连挂时,并且四机连挂时的第三个和第四个的受电弓的抬升也比第一个受电弓大.因此整体上来说,四机连挂时接触线的动态抬升量比双机牵引大.多弓运行时,由于受电弓间互相影响,弓网间关系变得更加复杂,比如：接触线动态抬升偏大.如果在设计时不注意这些变化,会恶化弓网关系.因此,在具体设计之前应根据机车布置方式和受电弓的类型详细研究,根据计算结果指导接触网的设计.

2.2主要设计原则确定

2.2.1悬挂类型确定（含附加导线）

由于AT供电方式接触网线材数量多、结构复杂,不仅要考虑线材机械强度要求,还要对牵引网网络的电流分布关系进行系统的分析和计算.从技术及经济的角度合理地选择线材截面、材质,使线材中的电流分布与线材的截面的选择达到最佳效果.经方案比选,确定接触网悬挂类型为：正线采用JTM150+CTA-150全补偿简单链形悬挂、车站到发线有效长为2800m时采用JTMH95+CTA-120全补偿简单链形悬挂、车站到发线有效长为1700m时采用JTMH70+CTA-85全补偿简单链形悬挂.为了满足载流量的要求,正线承力索为低镁含量镁铜合金绞线（150mm2、Mg0.2%）,其导电率不小于80%IACS.接触悬挂载流量不能满足的区段,采用加强线进行电流加强.

为了提高接触网可靠性,采用钢芯铝绞线；隧道内正馈线拟采用胶联聚乙烯绝缘抗冰导线.牵引变电所、AT所供电线采用2×LGJ-300/15钢芯铝绞线,分区所供电线采用2×LGJ-240/30钢芯铝绞线,正馈线根据载流需要分别采用2×LGJ-185/10、1×LGJ-240/30钢芯铝绞线,保护线采用LGJ-95/15钢芯铝绞线.

2.3主要设备及金具选择

2.3.1支柱

腕臂柱支柱类型维持Φ400等经圆杆不变,只对容量不够和支柱裂纹严重的支柱进行更换.新增的接触网钢柱采用热浸镀锌防腐.

对软横跨容量不够的支柱进行更换.为节约投资,对部分拆除的接触网钢柱在满足使用要求时,进行涂漆后利旧使用.

对桥上60m以上的大跨距,按增加支柱减小跨距处理,以增强接触网的稳定性.

2.3.2支持装置

全线腕臂结构改为平腕臂,腕臂采用5mm壁厚的无缝钢管,以提供腕臂强度及刚度.并设腕臂支撑,正定位及反定位均增加定位管支撑以增强接触网的稳定性；车站的悬挂采用软横跨方式.

隧道外腕臂绝缘子采用高强度瓷质棒式绝缘子（12kN）,隧道内采用复合绝缘子（12kN）.绝缘子泄漏距离为1200mm,上下行分段绝缘子泄漏距离为1600mm.

2.3.3接触网零件的研究

由于150mm2的接触线、承力索在国内电气化铁路上是第一次使用,与之配套的16种（定位线夹、吊弦线夹、接触线中心锚结线夹、承力索支撑线夹、终端锚固线夹、、电连接线夹等）关键接触网零件的设计、研究.引入有限元分析的手段,提高科学性、合理性及可靠性；在制造工艺上尽量采用金属模锻造、金属模铸造等先进工艺.

根据弓网关系模拟结果,确定态包络线为水平摆动左右200mm,动态抬升120mm,接触网采用钢材质.经过近4年的运行证明弓网状态良好.

2.3.4相关技术数据的确定

结构高度

根据既有支柱条件和接触悬挂方式,确定区间接触网结构高度一般为1400mm,隧道内一般为800mm.

跨距选择

根据既有跨距,确定最大跨距为65m,曲线区段根据计算确定.桥梁上（风口地段）跨距布置,对大于60m的跨距,采取在跨中桥墩上增加支柱的设计方案.

锚段长度

正线接触网锚段长度一般不超过1600m,困难时不超过1700m；站线接触网锚段长度一般不超过1800m,困难时不超过1900m；附加导线锚段长度一般不超过2000m.

3对既有材料利旧使用

为节约工程投资,避免浪费既有材料,对符合使用要求的材料进行利旧使用.其主要内容为：腕臂、正馈线、保护线肩架再镀锌后可利旧使用,对因站场改造拆除的软横跨钢柱,重新涂漆后利旧使用,对下锚拉杆利旧使用,抗弯8kN的棒式绝缘子等,对利旧材料需结合荷载变化进行检算、检验、试验才能使用.通过材料利旧,共节约工程投资约1000万元.

4接触网与其他专业的配合

4.1接触网与车站设计的配合

大秦线2亿吨扩能改造工程中,有11个车站到发线有效长为2800m,车站股道数量为4～27股,这样长的车站在国内也是第一次采用,有技术作业的车站每隔700m在两股道间设有一处腰岔（渡线）.对接触网平面布置提出了新的要求.如按正常的站场设计方案,接触网在每股道需设2～3个锚段,加之腰岔处的单独下锚的锚支锚段,使车站内接触网的工作支、非工作支的交叉非常多.为保证接触悬挂的正常下锚角度,锚支的过渡长度会很长,在股道和腰岔较多的车站会使接触网的平面布置非常复杂,不但造成接触网工程投资的增加、施工和运营维护难度大,当接触网发生事故时影响范围将扩大,同时也影响整个站场的美观.

为此,接触网专业在设计过程中,给站场专业提出改进修改设计建议,要求站场专业在进行站场设计时每隔4～5股道留一个6.5m的线间距,以方便接触网锚柱立杆.

4.2接触网与其他专业的配合

在桥梁设计过程中,接触网专业将需要配合桥墩接触网支柱的荷载及支柱安装尺寸提供给桥梁专业,由桥梁专业设计预埋接触网托架.

5多渡线区段的特殊设计

柳村南站到发线有效长2800m,共27股道,且大部分为小半径曲线,由于技术作业的需要,在线间设置了近百组腰岔,一股到发线要由3～4个锚段组成,需设2～3个锚段关节.如按常规设计,腰岔处每条渡线需单独设置一个锚段,腰岔区段接触网的平面布置会非常复杂.

在设计中经过研究、论证,确定采用线岔过渡代替锚段关节的设计方案,不仅使接触网的平面布置更加简化,而且能够节省大量投资.将锚段关节由线岔替代渡线成“V”形状下锚.此布置形式对施工技术要求更高,在线岔调整时仔细、认真,以期达到最佳效果,否则将会影响弓网等关系.采用线岔过渡代替锚段关节后,节约了下锚支柱约150根、接触悬挂架设约15km及接触网相关配件,节约工程投资约400万元.而且缩短了施工周期、减少了施工过程对运输的干扰,使接触网布置更美观.也为以后类似工程的开展积攒了宝贵经验.

6结语

经过对设计方案的研究论证,满足了2万吨列车的开行条件,并适当留出余量.工程竣工已有8年多时间,因设计方案与运营实际情况相匹配,在运营中得到了实践验证,未发生因接触网的不适应引起的行车故障.在工程实践中,取得了多项自主创新成果,为今后重载铁路的设计积累了宝贵经验.经济和社会效益增加十分明显.

大秦线2亿吨扩能改造后牵引质量为2万吨、轴重为25t.在通过特大桥时对桥墩产生的振动时间、振动幅度相对加大,影响接触网的稳定性,对此问题还需进一步研究解决.