高速接触网系统SiFCAT350研发及实验验证

■ 戚广枫

高速接触网系统SiFCAT350研发及实验验证

■ 戚广枫

目前，国外尚无商业运营速度达350km/h的高速铁路接触网。高速接触网系统SiFCAT350工程技术研究在参照采用欧洲最新技术动态TSI，EN 50119及IEC，UIC最新国际技术标准，借鉴法国、德国和西班牙接触网工程建设经验基础上，2004年正式推出满足350km/h的全补偿链型悬挂高速接触网系统SiFCAT350，包括简单链型悬挂SiFCAT350-0和弹性链型悬挂SiFCAT350-Y。2008年1月在武汉试验段成功验证了高速接触网系统SiFCAT350设计的正确性和技术性能，为武广、郑西高速铁路技术方案工程实施提供了全面的技术支持。2009年5月武广高速铁路354km/h双弓重联试验成功、2009年9月352km/h郑西高速铁路试验成功都充分证明了高速接触网系统SiFCAT350的先进性、前瞻性和正确性，自主创新的高速接触网系统SiFCAT350取得了成功。

1 机车车辆参数与牵引供电系统对接触网的要求

1.1 机车车辆参数的验证

试验和实际运行时列车运行速度350km/h、牵引质量750 t，300km/h及以上高速列车编组为16辆，运行时受电弓双弓同时取流，具体机车车辆参数研究见文献[1]。与2004年研究设定的边界条件，即经“高速机车车辆参数仿真拟合软件TP_RSIS”和“WEBANET牵引供电仿真软件”计算的驱动总功率19 000～22 000 kW相吻合，按照受电弓制造技术条件，最大电流为1000A。如此巨大的功率需求必须考虑采用每组重联列车两个及以上受电弓的取流条件。

1.2 牵引供电系统对接触网电气性能的要求

速度达到和超过300km/h的大容量高密度客运专线铁路牵引供电系统一般采用AT供电方式。典型牵引变电所往供电臂的下行方向3min追踪高峰时段接触悬挂和正馈线的负荷电流仿真曲线见图1、图2。

图1 3min追踪高峰时段接触悬挂的负荷电流仿真曲线

图2 3min追踪高峰时段正馈线的负荷电流仿真曲线

供电计算要求接触网一般持续载流能力在800～900 A之间，短时1000 A以上，正馈线导线600A以上。目前紧密运行方式还有待进一步落实试验条件并采集数据对比，但单列包括双列重联的运行条件下，设定电流分配规律在研发时得到准确验证。

2 接触网悬挂类型和高速接触网系统SiFCAT350技术规格参数

2.1 系统设计

机车受电弓相关工作条件。采用UIC 608 Annex 4a标准宽度为1950mm的受电弓，与我国现行机车受电弓行业标准和中速跨线车兼容。考虑双弓运行时接触网悬挂类型的匹配情况，双弓间距200～400m进行设计。根据UIC505结合客运专线速度目标值和线路条件，受电弓动态包络线核算可采用的设计值见图3。根据仿真计算结果，参考国外运行经验，悬挂定位点处接触线正常工作的最大抬升量暂按150mm考虑，跨中最大抬升量按200mm考虑。安装时采用限位定位器设计，有利于减小对限界要求。参照国外同类受电弓条件下的始触区标准，客运专线正线始触区范围定义为距离受电弓中心600～1050mm及抬升150mm构成的空间区域，始触区范围内禁止安装除吊弦线夹外的任何线夹类金属器具。

线路条件。线路列车运行速度目标值350km/h，最小曲线半径9000m（困难地段7000m），最大外轨超高170mm，正线采用无砟整体道床。

接触网系统目标和要求。电气性能要求接触网应满足系统载流量的需要，接触线磨耗使用寿命达到200万弓架次。接触网系统每百条公里的可用度达到0.98。弓网受流性能要求应满足TSI，EN50317和不低于UIC794标准（见图4）。

2.2 接触网悬挂类型

研究要求。高速客运专线接触网悬挂方式的综合性能应满足图4曲线值，即列车最大速度超过200km/h时，接触网动态接触压力应保证在0～350N之间、燃弧率应小于1%的动态受流性能要求。在设计过程中采用计算机模拟预评价设计系统的受流质量，考虑实际测量误差的裕量，取±50 N。2009年8月调试期间，实测压力曲线明显好于0～350N的最低要求，而且压力变化稳定，离线火花几乎为零。

图3 受电弓动态包络线核算可采用的设计值示意图

图4 平均接触压力的绝对值上限

线材选择。为满足350km/h及以上列车运行速度要求，接触线波动传播速度应达到518km/h。考虑客运专线特点和我国国情，参照欧洲标准（EN50119）允许工作应力规定，接触线允许工作应力应不超过其最小拉应力的65%。近年来，导线生产技术发展很快，与20世纪80，90年代制定规范EN50149，DIN48201相比，均有长足的进步。很多铜锡合金导线生产强度性能（150mm2综合拉断力）可以达到65kN以上，相当于EN50149中CuMg0.5的水平。所以，铜锡合金、铜镁合金（CuMg0.2）是未来主要的可选导线。结合武广高速铁路对牵引接触网持续载流量要求，在四电集成施工总承包的实施中，设备选型最终采用150mm2当量截面的铜镁合金材质CuMg0.5的接触线（采用铜锡合金接触线将是可取的替代方案），额定工作张力可取值最大值28.5kN及以上，匹配铜合金绞线BzⅡ120承力索，可达到最佳匹配23kN（±10%）的张力。

经仿真研究，虽然类似EAC350配置的BzⅡ95承力索＋CuMg0.2-120接触线匹配方案的弓网动态性能更好，但其载流量略小，无法适应我国铁路客运专线大电流密度的需要。在接触线张力28.5kN＋承力索张力23kN的系统方案下，对该主要参数作为基数进行10%的上下限取值优化研究，需要结合工程实施和设备选型具体研究。

悬挂方式的综合比选。构造见图5、图6。接触导线张力28.5kN（28.5kN±10%，最小26kN），波动传播速度达517km/h，适应双弓取流；为了兼容世界不同技术流派的设备方案并保证弓网安全和技术性能，实施中SiFCAT350跨距有所减少，标准值取50m。

2007年5月在“四电”集成商采购国外设备并引进技术服务合同谈判过程中，BB公司中标接触网零部件产品并提出实施其CHINA2000/25系统方案。最终经合同谈判，同意并认可武广高速铁路工程中按照中方提出的高速接触网系统SiFCAT350总体技术方案和工程主要技术方案、参数，包括放弃其交叉式线岔等技术方案、抬升量等重要指标，仅在高速接触网系统SiFCAT350提出10%的上下限优化或改变要求。对此，对这种标准高速接触网系统SiFCAT350的变形方案进行了具体分析和研究，其取值和效果见图7—图11。

实际在武广高速铁路最终实施方案中，经与提供技术服务的外方多次研讨，得出仿真研究结论，即两种系统技术性能相当。虽然其工程实施难度更大并可能牺牲如定位器坡度等安全指标，但在外方承诺安全负责并不违背高速接触网系统SiFCAT350方案的前提下，中方同意采用30kN接触线张力，即28.5kN±10%的上限+承力索23kN±10%的下限方案，也就是30kN＋21kN方案。但在武汉试验段保留6个锚段的标准SiFCAT350系统作为实物试验对比。郑西高速铁路虽然也是采购BB公司中标的接触网零部件产品和技术服务，但全线均采用高速接触网系统SiFCAT350标准型方案，即28.5kN＋23kN。

2.3 高速接触网系统SiFCAT350技术规格

高速接触网系统SiFCAT350正线接触网各种线材技术规格见表1。其技术规格数据见表2。

图5 SiFCAT350-0标准简单链型悬挂类型和张力匹配值

图6 SiFCAT350-Y标准弹性链型悬挂类型和张力匹配值

图7 双弓条件下接触线28.5kN张力的标准简单链型悬挂350km/h的取流效果

图8 双弓条件下接触线28.5kN张力50m跨距弹性链型悬挂350km/h取流效果(前弓)

图9 双弓条件下接触线28.5kN张力50m跨距弹性链型悬挂350km/h取流效果（后弓）

图10 双弓条件下的接触线30kN张力50m跨距弹性链型悬挂350km/h取流效果（前弓）

图11 双弓条件下的接触线30kN张力50m跨距弹性链型悬挂350km/h取流效果（后弓）

表1 高速接触网系统SiFCAT350正线接触网各种线材的技术规格

表2 高速接触网系统SiFCAT350技术规格

3 接触网工程系统方案部分创新技术

3.1 道岔区方案实现宽型受电弓无交分不碰触侧线接触网导线的安全通过

正线18﹟道岔、1950mm宽受电弓条件下接触网采用新型无交分式线岔（适应正线受电弓以350km/h高速通过）、锚段关节电分相适合A，B类跨线车等技术难题，均是由于我国国情导致国际标准无法直接使用产生的新技术问题，高速接触网系统SiFCAT350是在国际工程研究经验的基础上进行适合国情的优化设计。

道岔区接触网布置形式。根据国内外接触网道岔始触区原理定位设计经验，实现安全可靠的侧线通过速度不大于80km/h的无交分或交分式道岔定位方式，应优先满足交叉道岔定位的基本原则，还要考虑如下原则：（1）合理设置定位处的拉出值，调整侧线下锚的方向，充分考虑始触区内的弓网安全关系，确保正线受电弓高速通过时，动态范围内不与侧线接触网发生关系。（2）对于列车运行350km/h的正线，接触线的变化坡度为0。侧线由于速度较低，其坡度的变化应考虑受电弓在正线和侧线转换运行时，任何方向都应满足始触区范围的布置要求。（3）标准等高定位点位于两线间距600～800mm间。

当正线、渡线接触线进入任一受电弓始触区范围时，会产生受电弓中心线两侧均有接触导线分布，大号道岔区线岔设计的关键之一就是通过辅助三线实现接触线在该受电弓中心线两侧的不对称布置，使受电弓在通过时能向相邻始触线倾斜，避免钻弓；其次，三支接触线等高点位置需要结合受电弓始触区标准准确选取。总之，道岔处接触导线的空间如何定位，关键取决于受电弓的尺寸和始触区标准范围的灵活掌握，尽量采用锚段关节式的立面切入取代平面切换，才能提供安全可靠性。

在工程中实际运用最多的一般车站到发线正线18#道岔区，高速接触网系统SiFCAT350普遍采用了标准型无交分线岔方案，在2009年3月的试验和随后的联调联试高速试验的工程验收过程中得到了成功验证，实现了侧向通过速度130km/h（取决于道岔侧线本身限制）、正线通过速度无接触不限速通过1950mm宽受电弓条件下接触网世界创新技术。

另外，在具备实现辅助3线定位如43#大道岔区，系统采用按4跨绝缘关节进行过渡、在侧向通过线关节布置方案，58#道岔处可按5跨绝缘关节进行过渡区域，采用了类似法国高速铁路采用的切线式3线辅助悬挂方案，其区别是在1950mm宽型受电弓更为苛刻条件下实现的，突破了专业教科书定义的仅仅窄型受电弓适用无交分或切线式3线辅助悬挂过渡方案的禁区。

3.2 无砟轨道线路结构下实现电气贯通、安全、轨道电路信号传输模式的兼容

在高速接触网系统SiFCAT350方案中，对回流、轨道接地、等电位设计导则及相关工程实施细则作了深入系统的研究，由于客运专线线路道床结构标准的改变，对地泄漏电阻大大提高，但信号制式决定了钢轨既要传输牵引回流，又要作为信号回路，大电流工作接地和安全接地无法隔离，必须考虑与零电位的电位平衡连接。钢轨作为主要的电气回路之一，如不特别处理，其对地电位将超出安全范围，威胁信号设备和人身安全。根据欧洲标准EN50122-1《铁路应用，固定地面设备，关于电气安全性和接地的保护措施》等标准，要求对电压极限值进行系统设计。通过客运专线综合接地系统、接触网系统的相关接口设计及其采取相应的接地及电位平衡控制措施，满足“轨道接地要求”、“电位平衡要求”。通过设定或改变整体道床内部钢筋的分布和连接，应兼顾最小的对信号回路的电磁感应和/或电容耦合和有利于“接触网和受电弓接地区域”内的金属接地体回路的构成，首次在无砟轨道区域实现满足“接触网和受电弓接地区域”的“可靠的大电流安全闪络保护通道的轨道接地要求”，更是实现了轨道电路信号传输模式的兼容，弱电传输的损耗影响最小的工程目标。

[1]鄂科鉴字[2005]第200443010号 牵引供电设计用高速机车车辆参数的仿真拟合[S]，2005

[2]鄂科鉴字[2002]第22343107号 交流电气化铁路牵引供电及接触网系统仿真研究[S]，2002

[3]鄂科鉴字[2005]第21383090号 客运专线铁路接触网SiFCAT350的工程技术研究[S]，2005

[4]鄂科鉴字[2005]第22173138号 牵引网电压、电流分布及接触网工程接地技术研究[S]，2005

[5]EN 50119:2001 Railway applications Fixed installations, Electric traction overhead contact lines[S]，2002

[6]EN 50122-1:1997 Railway applications-Fixed installations-Part 1: Protective provisions relating to electrical safety and earthing[S]，1997

[7]EN 50121-5:2000 Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 5 Emission and immunity of fixed power supply installations and apparatus[S]，2001

[8]DIN 48201.Copper stranded conductors[S]，1981

[9]EN 50149 Railway applications-Fixed installations; Electric traction-Copper and copper alloy grooved contact wires[S]，2001

[10]IEC 60913 Electric traction overhead lines[S]，2001

[11]UIC 505-1 Railway transport stock-Rolling stock construction gauge[S]，1997

[12]UIC 505-5 Gemeininsame Grundbedingungen fur Eisenbahnfahrzeuge Fahrzeugbegrenzungslinien,, Basic conditions common to Leaflets 505-1 and 505-4[S]，1977

[13]TSI Special standards for European interoperability common for free access on several electrified networks[S]，2005

[14]UIC 799-0 Characteristics of direct-current overhead contact systems for lines worked at speeds of over 200km/h[S]，2000

[15]EN 50124 Relevant standard for insulation[S]，2001

责任编辑王志明

戚广枫：中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，湖北 武汉，430063