高速鐵路接觸網(wǎng)弓網(wǎng)分析及施工技術(shù)方案探討-孫吉

1、滬杭高鐵弓網(wǎng)分析及施工技術(shù)方案探討孫吉 助理工程師 中鐵電氣化局集團(tuán)滬杭客專系統(tǒng)集成項(xiàng)目經(jīng)理部摘 要：隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，目前我國投入運(yùn)營的高速鐵路里程已達(dá)到7000多公里，居世界第一位。高速鐵路具有列車運(yùn)行速度快、密度大、負(fù)荷高等特點(diǎn)，受電弓上下振動(dòng)和左右晃動(dòng)加劇，接觸線的抬升量相應(yīng)增大，而實(shí)現(xiàn)高速安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素之一就是接觸網(wǎng)和受電弓之間的可靠供電。本文結(jié)合滬杭高鐵實(shí)際施工情況，分析接觸網(wǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)存在的各種缺陷，針對(duì)影響弓網(wǎng)關(guān)系的關(guān)鍵問題，從施工技術(shù)方面提出了解決方案和建議。關(guān)鍵詞：高速鐵路 弓網(wǎng) 精細(xì)化 檢測(cè)0 引言滬杭高鐵作為滬杭間一條安全、方便、快捷的大能力客運(yùn)通道，

2、全長202公里，設(shè)計(jì)時(shí)速350公里，由上海虹橋站引出，途經(jīng)上海市閔行、松江、金山區(qū)和浙江省嘉興、杭州市，終到杭州東站，對(duì)于加快實(shí)現(xiàn)客貨分線運(yùn)輸，有效緩解運(yùn)輸緊張狀況，促進(jìn)長三角經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，助推東部地區(qū)率先實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，改變中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)、政治、文化和社會(huì)發(fā)展格局，具有十分重要的意義 。滬杭高鐵試運(yùn)行階段以416.6km/h刷新世界鐵路運(yùn)營試驗(yàn)最高速度，領(lǐng)跑世界最高時(shí)速，再次證明中國高鐵已全面領(lǐng)先世界。它具有列車運(yùn)行速度快、密度大、負(fù)荷高等特點(diǎn)，受電弓上下振動(dòng)左右擺動(dòng)加劇，接觸力增大并時(shí)時(shí)發(fā)生著變化，如何保證受電弓和接觸線之間的平穩(wěn)接觸是高速鐵路行車安全的基本保障。國內(nèi)外高速電氣化鐵路的研究試驗(yàn)、

3、建設(shè)施工和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明，要保證高速鐵路接觸網(wǎng)和受電弓的安全可靠，必須要有高質(zhì)量弓網(wǎng)系統(tǒng)。高質(zhì)量的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，不僅需要強(qiáng)硬的施工和技術(shù)力量，而且還要對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行數(shù)次檢測(cè)和精細(xì)化調(diào)整，才能滿足高速鐵路對(duì)接觸網(wǎng)要求。1 滬杭高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)滬杭高鐵正線設(shè)計(jì)目標(biāo)值為350km/h，上海樞紐和杭州樞紐聯(lián)絡(luò)線區(qū)段限速220km/h，接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）設(shè)計(jì)接觸線高度5300mm,結(jié)構(gòu)高度1600mm,標(biāo)準(zhǔn)限界不小于3000mm,標(biāo)準(zhǔn)跨距50m,相鄰跨距之差不大于10m，正線錨段長度不超過2700m,站線錨段長度不超過2800m，附加導(dǎo)線長度不超過2000m。（2）客專正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈

4、性鏈型懸掛，其它線路采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛；承力索、接觸線線材正線JTMH120+ CTMH150，站線JTMH95+ CTMH120；附加導(dǎo)線采用鋁包鋼芯鋁絞線，正饋線JL/LB1A-315-45/7，保護(hù)線JL/LB1A-125-26/7。（3）全線采用絕緣旋轉(zhuǎn)全腕臂支持結(jié)構(gòu)，即平腕臂承力索座結(jié)構(gòu)形式，腕臂及支持部件的材質(zhì)推薦采用鋁合金材質(zhì)；（4）正線及有條件的站線采用兩跨式防斷中心錨結(jié)，其他采用防竄式中心錨結(jié)；下錨補(bǔ)償裝置采用1：3的棘輪補(bǔ)償下錨；聯(lián)絡(luò)線、站線、動(dòng)車段線路等采用常規(guī)鋁合金滑輪組方式補(bǔ)償下錨。 （5）隧外絕緣錨段關(guān)節(jié)、非絕緣錨段關(guān)節(jié)均采用五跨關(guān)節(jié)，所有絕緣關(guān)節(jié)設(shè)置納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的電

5、動(dòng)隔離開關(guān)。（6）電分相采用中性區(qū)長度小于190m的六跨關(guān)節(jié)式電分相。（7）正線18#道岔采用無交叉布置形式，站線18#岔采用無交分或交叉布置形式；站線12#及9#道岔采用交叉布置形式。（8）彈性吊索采用銅合金絞線JTMH-35，張力一般為3.5kN。（9）接觸網(wǎng)的絕緣泄漏距離不小于1400mm；上下行正線間分段絕緣子的絕緣泄漏距離一般不小于1600mm。（10）正線采用具有限位功能的定位裝置，定位器及定位管的材質(zhì)均采用鋁合金。受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線左右晃動(dòng)量取值：直線為250mm，曲線為350mm；困難時(shí)根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核算。懸掛定位點(diǎn)處接觸線正常工作的最大抬升量為150mm。（11）避雷器：

6、采用氧化鋅避雷器。分段絕緣器：采用具有消弧功能的分段絕緣器。接觸網(wǎng)與通信、信號(hào)等專業(yè)共用接地體，采用綜合接地系統(tǒng)。每個(gè)閉塞分區(qū)保護(hù)線與鋼軌及綜合地線（通過扼流圈）實(shí)現(xiàn)全并聯(lián)，可有效降低鋼軌電位，保證人身安全。2高速鐵路接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)2.1弓網(wǎng)受流評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)主要包括靜態(tài)彈性及其不均勻系數(shù)、靜態(tài)抬升量和靜態(tài)抬升力，動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)包括波動(dòng)傳播速度、動(dòng)態(tài)接觸壓力及其標(biāo)準(zhǔn)偏差、動(dòng)態(tài)抬升量、離線率及離線時(shí)間等。與弓網(wǎng)受流相關(guān)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)有EN50367鐵路適用的弓網(wǎng)間受流系統(tǒng)技術(shù)、EN50119鐵路應(yīng)用固定設(shè)備電氣化鐵道接觸網(wǎng)及96/48/EC歐洲電氣化鐵路互通

7、技術(shù)規(guī)范等。EN50119相關(guān)規(guī)定見表2-1，EN50367的規(guī)定見表2-2和圖2-1。表2-1 EN50119 對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)的規(guī)定電壓制式行車速度（km/h）彈性布均勻度（%）彈性最小值（mm/N）彈性最大值（mm/N）最大接觸壓力（N）最小接觸壓力（N）交流200300.71.123000交流200200.550.653500直流160700.150.463000直流200600.120.383000直流200600.070.274000表2-2 EN50367 對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)的規(guī)定評(píng)價(jià)項(xiàng)目數(shù)值平均接觸力Fm(N)如圖最高運(yùn)行速度下接觸力最大標(biāo)準(zhǔn)偏差0.3Fm最高運(yùn)行速度

8、下的燃弧率（%）0.14定位器允許抬升量與最大抬升量之比值2表2-3 Re160、Re200、Re250、Re330動(dòng)態(tài)接觸壓力的規(guī)定項(xiàng)目Re160Re200Re250Re330接觸壓力平均值（N）90100130150最大接觸壓力（N）140165200250最小接觸壓力（N）40356050壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差（N）17222433高速鐵路弓網(wǎng)受流評(píng)價(jià)要點(diǎn)：（1）彈性不均勻度良好的弓網(wǎng)關(guān)系要求接觸網(wǎng)具有均勻的彈性，降低靜態(tài)彈性有利于減小接觸導(dǎo)線的抬升、減少接觸導(dǎo)線的疲勞。一般跨中的彈性大于定位點(diǎn)彈性，彈性的大小與接觸懸掛類型和綜合張力相關(guān)，跨中彈性的經(jīng)驗(yàn)公式為：,其中L為跨距，、分別為承力索和接觸

9、線的額定張力，K為懸掛類型系數(shù)（彈鏈為3.5、簡(jiǎn)鏈為4.0）。定位點(diǎn)的彈性與接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，彈性鏈型懸掛在定位點(diǎn)處設(shè)置合適的彈性吊索，其彈性達(dá)到跨中的80%左右。彈性不均勻度計(jì)算公式為：，其中為跨距內(nèi)最大彈性，一般在跨中；為跨距內(nèi)最小彈性，一般在定位點(diǎn)。高速接觸網(wǎng)要求彈性盡可能的小以提高接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性，并且要求盡可能降低彈性不均勻度以提高受電弓運(yùn)行的平穩(wěn)性。當(dāng)車速達(dá)到350km/h時(shí)，F(xiàn)m0.00097V2+70（N）受電弓平均抬升力不大于189N。圖2-1 平均接觸力與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線（2）離線及離線率當(dāng)接觸線盒受電弓間的接觸壓力小于等于零時(shí)發(fā)生離線。離線會(huì)使受電弓失去電壓、接觸線

10、與受電弓間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的高溫又將導(dǎo)致導(dǎo)線燒損、電磨耗增加愛，嚴(yán)重時(shí)使導(dǎo)線退火、拉應(yīng)力降低。大的離線會(huì)影響機(jī)車變壓器正常工作并產(chǎn)生無線電干擾和噪音污染。離線主要考慮離線次數(shù)、離線時(shí)間和離線率。最大離線時(shí)間一般不大于100ms，每次離線時(shí)間小于0.01為小離線、0.0101s為中離線、大于0.1s為大離線；離線率指整個(gè)運(yùn)行過程中發(fā)生離線的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的百分比，S為離線率，為運(yùn)行時(shí)間內(nèi)各次離線時(shí)間的總和，T為運(yùn)行時(shí)間。（3）動(dòng)態(tài)接觸力及其標(biāo)準(zhǔn)偏差接觸網(wǎng)和受電弓間相互作用狀態(tài)表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)接觸力及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，主要控制最大、最小接觸壓力。最小接觸壓力過小將導(dǎo)致接觸不良，引起電?。蛔畲蠼佑|壓力過大將

11、造成接觸網(wǎng)的抬升量加大、受電弓運(yùn)動(dòng)振幅加大，受流狀況惡化。具體規(guī)定見表2-3。動(dòng)態(tài)接觸壓力取決于受電弓靜抬升力、空氣動(dòng)力、垂直運(yùn)動(dòng)方向的質(zhì)量慣性力等，最大接觸壓力是運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)接觸壓力的最大值，接觸壓力越大，對(duì)受電弓和接觸線機(jī)械磨耗就越大，從而降低接觸線的使用壽命，增加運(yùn)營成本。最小接觸壓力是運(yùn)行動(dòng)態(tài)接觸壓力的最小值，接觸壓力越小，接觸電阻越大，從而產(chǎn)生過熱、加大電磨耗，降低接觸線的使用壽命。接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差（）是反映接觸壓力的動(dòng)態(tài)變化情況，該值越小，接觸壓力波動(dòng)越小，受流質(zhì)量越好，當(dāng)接觸壓力不為0、風(fēng)速一定且空氣動(dòng)力一定，按照高斯分布定理，所有接觸壓力都在相對(duì)于平均值的3倍偏差范圍之內(nèi)。平

12、均接觸壓力是運(yùn)行過程接觸壓力的算術(shù)平均值，該值越接近受電弓靜態(tài)抬升力，受流質(zhì)量越好。（4）接觸線的波動(dòng)傳播速度接觸網(wǎng)與受電弓一起形成一個(gè)具有很小阻尼的彈性系統(tǒng)，受電弓的運(yùn)行使導(dǎo)線被抬高，在靜態(tài)狀態(tài)下，受電弓使導(dǎo)線在受電弓兩側(cè)對(duì)稱抬起，如果速度提高導(dǎo)線將被不對(duì)稱抬高，受電弓前方導(dǎo)線的抬高程度小于后方。如果最終行車速度與波動(dòng)傳播速度相同，則只有受電弓后面的接觸網(wǎng)受到干擾，發(fā)生共振，同時(shí)抬高至將遠(yuǎn)超過靜態(tài)計(jì)算值。接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度為 ,其中為接觸導(dǎo)線張力， 為導(dǎo)線的線密度，運(yùn)行速度近似值 ，為接觸網(wǎng)運(yùn)營速度與接觸線波動(dòng)傳播速度之比，一般為0.50.7，接觸線張力大者取大值。EN50119規(guī)定，接觸網(wǎng)

13、適應(yīng)的最高行車速度必須小于導(dǎo)線波動(dòng)傳播速度的70%。式中：T-接觸線的張力（N） m-接觸線的線密度（kg/m）滬杭高鐵：接觸線張力 T=28.5103 N； 接觸線的線密度 m=1.35kg/m；運(yùn)營速度v=350km/h； 350/523=0.669160N & FmaxFm+3N194動(dòng)態(tài)拉出值450mm310一跨內(nèi)動(dòng)態(tài)高差150mm13060（2）動(dòng)態(tài)檢測(cè)單列動(dòng)車組弓網(wǎng)受流性能檢測(cè)數(shù)據(jù)整治前后對(duì)比，檢測(cè)車最高檢測(cè)速度350km/h，受電弓開口方向運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力最大值150200N、最小值60165N、平均值120145N；受電弓閉口方向運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)接觸力最大值200295N、最

14、小值100165N、平均值150220N；數(shù)值分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。硬點(diǎn)數(shù)值基本分布在50500m/s2 數(shù)值分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)區(qū)段接觸網(wǎng)無動(dòng)態(tài)高差超限，檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表3-3、表3-4、表3-5、表3-6。表3-3上海動(dòng)車所-筧橋線路所 (2010.09.01)速度級(jí)(km/h)上下行最大接觸力范圍( N)平均接觸力范圍( N )最小接觸力范圍( N )燃?。ù螖?shù)/公里）硬點(diǎn)超標(biāo)數(shù)動(dòng)態(tài)高差150mm（跨數(shù)）300上行1852401601901301601.5440下行140180100130701004.4100310上行1802351551851251601.5330下行140

15、185110140701003.1500320上行1652151451701151452.0120下行14018011013060904.9500330上行1752151451701501452.4520下行160205120145601106.0200340上行1702251501751101352.7720下行145195110140651055.3000350上行2102601602151201601.1800下行150190110135751054.1700表3-4上海虹橋-筧橋線路所(2010.09.26)速度級(jí)(km/h)上下行最大接觸力范圍( N)平均接觸力范圍( N )最小接觸

16、力范圍( N )燃弧（次數(shù)/公里）硬點(diǎn)超標(biāo)數(shù)動(dòng)態(tài)高差150mm（跨數(shù)）350上行150200120145601652.2000350下行2002951502201001652.1900雙列重聯(lián)動(dòng)車組弓網(wǎng)受流性能檢測(cè)數(shù)據(jù)整治前后對(duì)比，檢測(cè)車最高檢測(cè)速度350km/h，受電弓開口方向運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力最大值150200N、最小值5090N、平均值100120N；受電弓后弓閉口方向運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)接觸力最大值190290N、最小值80145N、平均值115200N；數(shù)值分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。硬點(diǎn)數(shù)值基本分布在50500m/s2 數(shù)值分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)區(qū)段接觸網(wǎng)無動(dòng)態(tài)高差超限，檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見表：表3-

17、5上海動(dòng)車所-筧橋線路所 (2010.09.08)速度級(jí)(km/h)上下行最大接觸力范圍( N)平均接觸力范圍( N )最小接觸力范圍( N )燃?。ù螖?shù)/公里）硬點(diǎn)超標(biāo)數(shù)動(dòng)態(tài)高差150mm（跨數(shù)）300上行12517010017055908.9500下行165240125170851303.5200310上行反向1702101451701101400.9000320上行1301709512050856.6800下行165245125170801354.5500330上行12518595125508512.5300下行160260125175801305.3800340上行1201859012

18、0459013.3100下行165240130170801305.4300350上行12018595120459016.1400下行165260125180751356.7800表3-6上海虹橋-筧橋線路所(2010.09.23)速度級(jí)(km/h)上下行最大接觸力范圍( N)平均接觸力范圍( N )最小接觸力范圍( N )燃?。ù螖?shù)/公里）硬點(diǎn)超標(biāo)數(shù)動(dòng)態(tài)高差150mm（跨數(shù)）350上行15020010012050903.4900350下行1900290115200801452.98004 施工技術(shù)方案建議4.1 施工工序標(biāo)準(zhǔn)化在施工測(cè)量、軟件計(jì)算、工廠預(yù)配、現(xiàn)場(chǎng)安裝和最終檢測(cè)等階段都會(huì)產(chǎn)生不可

19、避免的施工允許偏差，產(chǎn)生施工偏差的因素有人員、機(jī)具、材料、工法和環(huán)境等多個(gè)方面，最終的施工誤差將由各個(gè)施工工序的施工偏差疊加而成。因此在后續(xù)工序施工的同時(shí)應(yīng)對(duì)前道工序進(jìn)行復(fù)核或改善，以便將施工累計(jì)誤差降到最小，達(dá)到工程優(yōu)質(zhì)的目的。由于近幾年高速鐵路不斷快速的發(fā)展，在建設(shè)過程留給接觸網(wǎng)施工的時(shí)間相對(duì)較少，為保證施工質(zhì)量、施工進(jìn)度，需對(duì)接觸網(wǎng)施工工序進(jìn)行優(yōu)化以滿足實(shí)際施工要求，以滬杭高鐵接觸網(wǎng)施工工序流程為參考。見圖4-14.2 施工人員專業(yè)化根據(jù)施工工序，分別組成測(cè)量組、計(jì)算組、預(yù)配組、安裝組、架線組、懸掛調(diào)整組、設(shè)備安裝組和檢測(cè)組等多個(gè)專業(yè)化作業(yè)組。由于專業(yè)化作業(yè)組的作業(yè)人員只操作并完成單一的作業(yè)內(nèi)容，經(jīng)過一段的時(shí)間重復(fù)實(shí)踐，操作技能和作業(yè)效率均會(huì)提高到普通作業(yè)人員的一倍，從而確保高速鐵道接觸網(wǎng)所要求的施工作業(yè)高精度，盡可能減小的單個(gè)工序作業(yè)的累計(jì)誤差。各個(gè)專業(yè)化作業(yè)組的人員及其工作分工要相對(duì)固定，以便進(jìn)一步控制作業(yè)誤差的離散性。圖4-1 滬杭高鐵接觸網(wǎng)施工工序流程圖5 結(jié)束語中國鐵路已進(jìn)入高速鐵路時(shí)代，對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系要求越來越高，經(jīng)過對(duì)滬杭高鐵弓網(wǎng)關(guān)系的分析，詳細(xì)闡述了弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，及