高速接触网设计的理论与实践

高速接触网设计的理论与实践

1接触网专业设计的评价秦沈客运专业线是中国第二条大河高速铁路专业线，距离市区，对网络系统特别是接触网提出了很高的要求。可以说,秦沈客运专线接触网专业设计的好坏与否将直接关系到客运专线的成败。铁道部及我院对此给予了高度的重视。我院对重点问题进行了专题研究,部在全路范围内组织专家进行专题讨论,这些工作都为秦沈客运专线接触网专业的设计打下了坚实的基础。2射箭系统的评估标准为了分析弓网的受流质量,首先应确定对弓网关系进行评价的标准。(1)弓网间接触压力的影响接触网是通过与其接触线相互摩擦运动的受电弓向电动车组或电力机车受流,弓网间稳定、良好的功率传输是实现高速行车的关键。在高速接触网中弓网间功率传输应具有:①安全可靠性;②持续稳定性,这意味着弓网间必须始终存在持续的机械接触;③对环境的影响程度应在允许的范围之内;④接触网和受电弓均应经济地运行。第一点要求受电弓在接触线上无障碍通过。对接触悬挂而言,要将接触线的抬升严格地控制在一定的范围内;第二、三、四点要求弓网间具有良好的受流质量,即弓网间的接触压力要控制在一定的范围内。接触压力过小接近于零时,将产生电火花;另一方面接触压力过高时,接触线将产生不允许的抬升量和较高的磨耗。因此,弓网间的接触压力对受流质量起着十分关键的作用。从上面分析中可以看出,接触线的抬升量和弓网之间的接触压力对行车速度起着严格的控制作用。因此,应将此2项作为弓网系统的评价标准。从20世纪80年代起,由于测量技术的发展,人们开始测量弓网之间的接触压力。许多实测数据显示,接触压力的测量值呈正态分布,因此按统计学理论,可用平均接触压力和标准偏差来分析弓网间接触压力的变化。按正态分布3δ原则,99.7%的值将落在F-3δ～F+3δ的范围内。(2)秦沈客运专线仿真结果导线动态抬升量与静态抬升量的比值经验上约为1.4,即不大于1.4×0.677×120=113.7mm,因此在秦沈客运专线取120mm,仿真结果也证明了是合适的。秦沈客运专线对弓网受流系统的评价标准规定为:①导线动态抬升量120mm;②接触压力分为最大接触压力200N;最小接触压力40N;接触压力的标准偏差≤24N。3悬浮悬索的形状和参数的选择3.1接触悬挂度评价标准接触悬挂评价标准用于指导悬挂参数的初步选定。(1)标准的动态基准接触网动态特性在动态受电弓的激励下,接触线所产生的振动波在导线中的传播速度按下式计算C=Tjmj−−−√=σjQj−−−√(1)C=Τjmj=σjQj(1)式中C——波动传播速度,m/s;Tj——接触线张力,N;mj——接触线单位长度质量,kg/m;σj——接触线抗拉强度,N/mm2;Qj——接触线单位长度线密度,kg/mm2·m。它是评价接触悬挂动态特性的一个重要标准。DINEN50119中规定,接触网适应的最高行车速度必须小于导线波动传播速度的70%。在《秦沈客运专线站后工程设计暂行规定》中,确定接触线的波动传播速度应不小于最高行车速度的1.5倍。波动传播速度公式多谱乐系数用于描述接触悬挂对给定行车速度的适应性,公式为α=C−vC+v(2)α=C-vC+v(2)式中C——波动传播速度,km/h;v——最高行车速度,km/h。在秦沈客运专线设计中取α≥0.25。tc—③反射系数r振动波遇到质量集中点或在下锚处发生反射,反射程度的大小可用反射系数来衡量,计算公式为r=Tc⋅mc√Tc⋅mc+Tj⋅mj√√(3)r=Τc⋅mcΤc⋅mc+Τj⋅mj(3)式中Tc——承力索张力,N;mc——承力索单位长度质量,kg/m;Tj——接触线张力,N;mj——接触线单位长度质量,kg/m。由公式中可以看出,反射系数只与接触悬挂本身特性有关,而与行车速度无关。加强系数iγ=r/α,在高速接触网设计中取值不大于3.0。(2)链形悬挂在跨中的弹性接触线的抬高在低速和中速的情况下,与接触网的弹性及受电弓的压力成正比。接触网的受流特性要求,在行车速度提高时,受电弓的静压力也要提高。为此,弹性必须保持尽可能地小,以限制接触线的抬升量。链形悬挂在跨中的弹性可按下述经验公式计算e=LK(Tc+Tj)(4)e=LΚ(Τc+Τj)(4)式中L——跨距值,m;Tc、Tj——分别为承力索、接触线张力,kN;e——接触悬挂在跨中的弹性,mm/N。定位点的弹性与链形悬挂的结构形式有关。简单链形悬挂在定位点的弹性只有跨中的30%～50%,取决于跨距的长度。如果在定位点处加设合适的弹性吊索,其弹性将提高到约为跨中的80%。弹性的不均匀度是一个衡量接触网静态特性的重要参数。弹性不均匀度为U=emax−eminemax+emin×100%(5)U=emax-eminemax+emin×100%(5)3.2从秦沈客运专线角度分析悬挂形式从国内外高速接触网的发展趋势看,目前普遍采用单链形悬挂。单链形悬挂有简单链形悬挂和弹性链形悬挂之分,具体采用何种悬挂形式应从下述几方面进行分析研究。秦沈客运专线曾对此问题进行过专题研究,最终明确采用简单链形悬挂。(1)受流质量;(2)接触悬挂的运行环境(主要指行车速度目标值、线路条件、受电弓数量及相互距离以及滑板的配置情况等);(3)设计指导思想(安全可靠性、使用寿命、维护工作量、对悬挂配置的要求、对弓网系统的要求以及一次性投资);(4)对环境的影响。3.3悬臂参数的选择(1)导线截面尺寸从经济性的角度来考虑,导线和承力索的截面应尽可能地小。但在任何情况下,它们必须满足电特性和机械特性两方面的要求。高速接触网要求有较低的弹性,因此按方程式(4)就要求导线和承力索有较高的张力和较大的截面。由于导线的截面尺寸受放线要求的限制,所以所用导线的截面一般不应超过150mm2。同时从公式(1)中可以看出,在导线应力相同的情况下,导线的波动速度相同且具有同样的多谱乐系数。因此,单独增加导线的截面对改善悬挂的受流质量也没有决定性的作用。由于铜银合金接触线具有良好的耐磨性能、耐腐蚀性能及高温软化特性,还具有良好的经济性和较高的使用寿命,与碳滑板配合,使用寿命大于30年。因此,秦沈客运专线正线采用铜银合金接触线,标称截面积为120mm2。为了避免由于承力索与接触线的线胀系数的不同而产生的不利因素,采用机械强度高,耐疲劳、耐腐蚀性能好且易于施工的铜合金承力索,正线承力索的标称截面积为70mm2。(2)承力索张力秦沈客运专线的速度目标值为200km/h,根据公式(2)和(1)可以计算出接触线的最小张力应不小于10kN。从公式(5)中可以看出,承力索张力在满足最小结构高度、悬挂稳定性以及悬挂弹性不均匀度的要求下不宜过大,以避免加大承力索的反射作用,不利于弓网间的受流。秦沈客运专线承力索张力确定为15kN。如接触线张力取最小值10kN,按公式(3)计算出反射系数为0.476,则加强系数为2.0,满足要求。(3)提高一次性投资从关系式(4)中可以看出,弹性与跨距有关,且与之成正比。因此,在高速接触网中要采用较小的跨距。跨距的减少虽然降低了悬挂的弹性,但由于要使用较多的支柱和基础,从而提高了一次性投资。考虑经济性方面的原因,跨距应尽可能地大,但又不允许对接触网的受流特性有负面影响,所以这里有一个优化的问题。在我国普速铁路接触网的最大跨距为65m,为了进一步改善接触悬挂的动静态特性,同时又不造成较大的经济投资,秦沈客运专线接触网最大跨距取60m。4接触悬挂模拟法仿真初步选定的悬挂参数能否满足弓网间受流标准的要求并是否为最佳,需要通过计算机仿真或试验进行验证和优化。计算机仿真是最经济的手段,因此,被世界各国广泛地应用。仿真主要是通过确定弓网间的接触压力和接触线抬升量、受电弓位移等参数,来验证所设计接触悬挂是否满足要求。利用CATMOS对表1的3种方案分别按简单链形悬挂和弹性链形悬挂进行了模拟仿真。从仿真结果中可以看出:(1)在单弓取流时,无论弹链和简链,方案1、方案2均取得了满意的受流效果,其中方案1完全满足秦沈客运专线的弓网评价标准;(2)在双弓取流时,弹链方案1的前弓能满足弓网评价标准的要求,而简链虽也获得了满意的受流效果,但相对较差,说明简链对升双弓运行环境的适应能力不如弹链;(3)最小接触压力标准的大小,对接触线张力的取值影响较大。综合以上理论计算、分析和仿真结果,确定的秦沈客运专线接触悬挂参数见表2。5高速连接网络设计5.1支柱和基础(1)寿命长、无维修从上、下行接触网机械上分开以减少正常运营时和非正常状态下相互间影响的角度讲,秦沈客运专线正线应尽量采用单腕臂柱,无条件时,也应采用硬横跨。国外在高速铁路上大量采用环形等径预应力混凝土支柱。混凝土支柱具有无方向性、安全可靠、防腐性能好、使用寿命长、无维修等优点,国内从大秦线即开始使用,积累了一定的经验。因此,秦沈客运专线除桥上,其余地段在有条件时应尽可能采用环形等径预应力混凝土支柱。秦沈客运专线由于桥墩无墩帽,故支柱只能设于桥面上,而桥面布置又要求支柱在垂直线路方向的宽度尽可能地小,因此桥上接触网支柱的布置和支柱类型的选择应该从以下几个方面综合考虑:①桥上的跨距应按风口地带进行风偏校验确定,并且相邻跨距差应满足要求;②在满足接触网受力条件的前提下,力求支柱的结构尺寸小,质量轻,抗振动能力强;③支柱结构受力合理,工程造价低;④支柱外形美观新颖,便于安装。H形钢柱由于具有结构合理与接触网负荷特点相吻合、截面小、有型材可供选择以及造价相对低等优点被国外广泛运用在接触网上;H形钢柱运用在桥上还解决了混凝土支柱过重和在法兰盘连接方式下出现根部裂纹问题。(2)无接触基础条件下的巷道生长分析我国的普速铁路接触网通常采用人工开挖支柱基础,加设横卧板或卡盘用回填土夯实作为支柱基础。此法简便易行,但主要存在基础稳定性相对较差的缺点,尤其当行车速度提高后对支柱稳定性的要求相应较高时,存在的问题较为突出。另外,采用简易基础必须在路基及轨道上部工程完成后,才能进行接触网下部工程施工,带来的问题是对路基产生一定的扰动影响了其稳定性。因此,秦沈客运专线接触网基础应采用稳定性高、可控性好、便于施工组织的杯形基础、实体基础、打入桩和钻空桩基础以及爆破桩基础,设计中根据不同的线路情况和地质条件进行选择。5.2高速接触网的设计注意事项秦沈客运专线采用刚性支撑结构,即水平腕臂和斜腕臂组成的稳定三角形结构。它不但具有转动灵活、调整方便的特点,而且提高了腕臂支撑结构的整体稳定性和抗风能力。定位装置采用组合定位器,组合定位器主要包括定位管、定位器、定位器支座、定位防风拉线及定位环等。这部分零部件直接作用于接触导线,对弓网间的受流质量起着至关重要的作用。因此,除了满足相应的机械性能外,还必须具备良好的动静态特性。腕臂支持装置的设计应注意以下几方面的问题。(1)腕臂支持装置在设计中要满足受电弓限界的要求,即除定位器与接触线连接部分外,所有其他零部件均应在受电弓限界之外,以保证受电弓无障碍地通过。这点在高速接触网的设计中显得尤为重要。(2)定位装置在结构上应能满足接触导线的温度偏移和机车高速通过时必要的抬升要求。定位装置结构所允许的导线抬升量,即定位器结构抬升量,与导线最大抬升量和定位器的结构有关。一般来说,如定位器具有限位功能,定位器结构抬升量至少是最大抬升量的1.5倍;无限位功能,至少是最大抬升量的2倍。(3)提高腕臂支持装置的整体稳定性,除采用刚性腕臂结构外,在保证承力索能在一定程度上转动的情况下,同时应保证定位器始终处于受拉状态,最小拉力不小于80N。(4)定位管与腕臂的连接方式,要与定位器的结构结合起来统筹考虑。对无限位功能的定位器,定位管应与腕臂刚性连接,以保证定位管与定位器之间的距离相对固定;对具有限位功能的定位器,定位管与腕臂之间应为柔性固定,以避免由于定位管刚性固定导致的在定位线夹范围内出现的接触压力峰值问题。且定位管应采用铝合金材质以减少重量,降低静态惯性值,同时提高其防腐性能。(5)定位器应具有结构简单、质量轻、抗振动能力强等特点,并且在设计中应以安全为导向,对关键地方采取适当的加强措施。(6)在限位定位器的设计中应考虑限位功能在任何状态下的有效性和准确性。5.3载荷及道岔布置方式接触网线岔设计技术,是接触网设计中影响机车受电弓安全、高速、可靠地通过道岔的关键技术之一。从国外看,德国采用交叉式线岔布置方式,法国、日本则同时有不交叉的布置方式。不交叉从道岔处悬挂的数量上又可分为两支不交叉布置方式和三支不交叉方式。交叉式与三支不交叉方式均在高速电气化铁路中运用过,实现了正线300km/h及以上的通过速度,侧线则达160km/h。两支不交叉方式在国内主要应用在广深准高速铁路中,该方式中受电弓在正线通过时,几乎不受侧线的影响,保证了正线机车的高速通过。但存在的问题是侧线的通过速度不高,目前在广深线侧线的通过速度被限制在15km/h以下。从理论上讲,三支不交叉方式类似于接触网锚段关节原理,正线与侧线的接触悬挂在水平面上无交叉点,而是通过调整三支悬挂接触线在立面上的高度,使受电弓从一支悬挂顺利地过渡到另一支悬挂上,实现受电弓在正线、侧线间的转换。该线岔布置方式要求道岔开口要小、受电弓弓头宽度要小,并且造价高、施工调整难度大,因此多用于有条件的高速接触网。我国接触网道岔布置多采用交叉布置方式,《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009-98)中规定,道岔柱设在单开道岔的道岔区线间距600mm处即为标准定位,在设计中应优先采用。标准定位的优点是简单且很好操作,但却未能体现道岔布置的关键点。根据有关资料统计表明,在以往实际运行当中,道岔处是弓网事故多发区段,属于接触网的薄弱环节。(1)接触线交叉点间距①采用“标准定位”和“非标准定位”概念。对于标准定位,道岔定位柱设于线岔线间距为600mm处,接触线交叉点在线间距为690mm的中心点上;非标准定位时,接触线交叉点应尽量在道岔两线间距500～700mm处;②标准定位时两接触线的拉出值均为375mm,在定位点处两接触线等高布置;③在碰触受电弓导角的一段接触线上,禁止安装其他零部件。(2)接触网道岔布置的未完全完全规划,且未明确合作①“标准定位”概念在设计中具有很好的可操作性,但却未能体现道岔布置的关键点。实际上,接触网道岔布置的关键不在于道岔柱的位置和标准拉出值的设置,而是受电弓在始入区或始出区与两支接触悬挂的相互关系。②虽然国内近年也提出了在受电弓可能碰触的范围内禁止安装其他零部件,但没有具体的量化规定,可操作性差。③《标准轨距铁路建筑限界》(GB146.2-83)中对受电弓的工作区域虽然有所规定,但一方面说明是参考图,另一方面主要尺寸也不详细,并且未明确规定受电弓工作区域与接触悬挂