电气化铁路接触网防风技术分析

王逸哲

（郑州铁路局郑州供电段）

0 引言

大风给列车运行与铁路设施都带来了安全隐患。其中，接触网是设置于铁路沿线且露天的牵引供电设施，并没有备用设施，所以，其防风安全的问题也备受关注。为此，本文将电气化铁路作为重点，研究分析了接触网的防风技术。

1 电气化铁路接触网风速数值选取

接触网实际应用的过程中，需要承受自然环境中大风条件所附加的可变性荷载，而选择使用的风速则与受电弓的安全运行存在紧密的联系，甚至会影响到接触网的投资效果。

通常来讲，接触网的风速设计可以细化成两种：风偏设计风速，一般适用在风偏与结构挠度计算方面，能够对受电弓运行的安全程度进行严格地检验，而重现期确定为 15年[1]；结构设计风速，在计算结构强度方面具有一定的适用性，能够对支持结构受力件以及支柱容量的设计强度等进行有效的检验，而重现期则确定为50年。

1.1 电气化铁路沿线环境对于接触网风速设计产生的影响

变通法与基本风压换算都是最常使用的接触网风速计算方法，要想将铁路沿线的地形地貌对接触网产生的影响真实地反映出来，那么接触网风速设计的最大数值应当基于基本风速，完成风压高度变化系数以及风口地形修正系数的有效换算并获取。需要注意的是，风会跟随地形以及高度等诸多因素而发生改变。如果是在地表附近，在高度升高的情况下，风的速度也明显增大。除此之外，根据实际经过地形，不管风在垂直亦或是水平方向被约束，实际的风速都会提高并且形成强风。

在垂直约束方面，一般发生在山丘与铁路高路堤的位置[2]。在开展风洞试验的过程中发现，在路堤位置的接触网，高度附近的风速与平地区同等高度相比要高出0.2～0.5倍，而且上吹角也明显扩大，从10°增加至15°。

在水平约束方面，特别是风口与峡谷区域，这些地方都是风集中经过的通道，所以实际的风速也明显提高。

如果是路基亦或是桥梁设置了挡风墙，因墙体的高度在3m，而接触网与受电弓始终位于风速绕流区域，所以上吹角与风压的增加都会直接影响到接触网的工作状态。针对兰新线开展防风研究的过程中，实现了挡风墙后期流场的有效仿真并展开了相关性的分析[3]。对于挡风墙前方来流的风速，可以将其当做瞬时风速，每秒46m，而在挡风墙后方的气流场提取接触线位置以及承力索位置的风速，分别达到了每秒49m与每秒58m，且上吹角都已经达到了30°。

当接触网的具体位置在高架桥或者是挡风墙以及风口的位置，由于以上环境较为复杂，所以面对的风力特性也有所不同。由此可见，接触网无法笼统选择设计的风速数值。

1.2 脉动风对于接触网风速设计产生的影响

脉动风速与 10min平均风速都是组成风速的重要部分。对于风速时程的记录，通常情况下是以平均数值为核心上下波动的曲线。借助静力形式，平均风能够对结构产生影响，而脉动风则主要会引发不同类型结构的动态化反应[4]。

合理设计接触网的过程中，在接触悬挂与支撑结构方面都应当对脉动风产生的影响展开综合考虑。其中，接触悬挂风振的响应会通过受电弓运行的安全校验以及风偏校验这两个方面表现出来，对于接触网的支撑结构而言，其风振响应则是借助结构强度与疲劳检算来体现。

第一，风偏风速的设计。大风最明显的特征就是风力较强且起风的速度相对较快，局地性很强，而风脉动部分会直接影响到接触网线索的状态。在这种情况下，要想将瞬态影响和受电弓动态运行的安全性检验准确地反映出来，对风速进行设计的过程中，就应当对脉动风的因素予以综合衡量。与此同时，要将风速的时距进行适当地调整，从10min转变成 3s，也就是说，在强风区域对风偏风速的设计应当选择瞬时风速的方式。但需要注意的是，风偏风速设计的换算必须要全面衡量测风系统以及铁路行车管理机制的实际情况来选择[5]。

第二，结构风速的设计。众所周知，接触网的支撑结构，其风振响应取决于结构动力的特性。一旦结构的整体刚度偏大，那么风荷载动力的影响程度就相对较小，无需对风振产生的影响进行考虑。根据《建筑结构荷载规范》内容要求，普通结构基本自振的周期经验公式中，钢结构可以选择使用高数值，而钢筋混凝土结构则应当选择使用低数值，这样即可对接触网的软横跨钢柱以及腕臂柱自振的周期进行准确的计算。所以，在强风区域，对结构风速设计的过程中，可以不考虑脉动风的因素，始终沿用10min平均风速的方式即可。

2 基于大风的接触网变形与应力阐释

2.1 气动特性的仿真

因大风因素所引发的接触网变形以及应力问题，在对其进一步研究的过程中，借助相关分析软件，有效地模拟并仿真出兰新线大风区段的接触网气动特性。

1）接触网的气动仿真模型构建。在实际仿真的过程中，选取兰新铁路的大风区段，四种不同悬挂组合的方案，实现了接触网气动特性的有效仿真[6]。对于仿真模型的构建，一般选择使用的是全补偿简单直链形的悬挂方式，对于所构建的模型而言，其首端模拟中心的锚结是规定的，而在末端则对下锚补偿进行了有效地模拟。其中，跨距包括了40m、45m、50m、55m及60m。另外，支柱的类型主要是φ400× 9 9.5的钢管柱，结构的实际高度暂时确定为140cm。下表是接触网匹配张力和风偏同步性的检验结果。

表 电气化铁路接触网匹配张力与风偏同步性的校验结果

2）承力索和接触线张力的匹配仿真。对于CTS120接触线来讲，通常会选择使用20kN的张力，而CTS150接触线所选择的张力则是25kN。在实践过程中，要想有效地规避吊弦线夹偏斜打弓或者是致使导线偏磨问题的发生，必须针对接触线风偏的同步性展开全面校验[7]。

3）路基有无挡风墙的仿真。通过对分析软件的合理运用，仿真并准确地计算出路基在无挡风墙状态和有挡风墙状态的风速。

2.2 评价受电弓运行安全程度的标准

对受电弓设计运行安全性评价的过程中，最基本的要求包括两点：第一，受大风以及受电弓运行动态的影响，一旦定位点的接触线实现最大的抬升量，应保证定位器不限位地制动，且能够确保定位装置与受电弓不接触。第二，受大风因素的影响与作用，跨中接触线水平方向的偏移数值不应当高出400mm。

现阶段，我国最常使用的限位定位器，对抬升量以及受电弓抬升量的最大数值是 120mm。如果是受电弓最大动态作用，那么定位器的抬升基本上不会存在富余，但是不限位的定位器则可以剩余出80mm。在实践过程中，大风上吹角会导致定位器的抬升量明显增加，为此，在路堤地段尽量选择使用不限位的定位器。其中，由于大风因素所引起的定位器抬升，应对实际的抬升量进行严格地控制，不允许超过80mm，与此同时，将其作为重要参考依据，在大风状态下进行受电弓运行安全性的有效校验[8]。

2.3 仿真的结果比较

充分结合受电弓运行的安全评价标准要求，针对仿真过程所获取的数据信息展开对比与分析可以发现：

1）要想有效地解决大风荷载所带来的接触网线索变形问题，跨距的缩小是最佳的方式。在这种情况下，不断增加导线的张力并扩大其截面的面积，但实际效果并不明显。当跨距缩小到不超过 50m的情况下，不同悬挂方案当中的跨中接触线，实际的偏移程度与要求相适应，而定位器的抬升则是其中不可或缺的控制因素。

2）针对不具备挡风墙的情况，应将跨距确定成45m。如果具备挡风墙，那么跨距应当确定成40m。在此基础上，各个悬挂方案定位器的实际抬升量都不超过80mm，并且与其抬升的标准要求相吻合。

3）CTS120接触线与CTS150接触线实际的波动传播速度大概保持一致，而且，根据弓网受流质量来讲，在大风条件下，正反定位点的高差越小，导线的平顺程度就越高，而且还会直接提高受流的质量。

通过上述研究与分析发现，在大风区段可以通过对JTMH95+CTS120这一悬挂组合予以合理地运用，且在没有挡风墙的情况下，将跨距确定为45m。

2.4 腕臂的应力分析

若选择使用结构风速的设计方式，针对腕臂支撑结构应力展开深化分析可以发现应力主要集中在套管双耳与定位支座等相关位置。对于腕臂而言，应力主要集中于平腕臂和斜腕臂的连接部位，在故障发生以后要想规避接触网的塌网问题，应将加强支撑合理地设置在两个腕臂之间，并将其当做结构冗余，确保对定位管防风支撑的合理设置。

3 结束语

综上所述，针对复杂环境下的铁路接触网风速设计，必须要具有较强的针对性。在此过程中，位于风口高路堤位置所引起的风速最大且风向上吹角变化也最为明显，影响接触网的程度随之提高。接触网设置的主要目标就是确保受电弓始终处于安全运行的状态。但需要注意的是，跨中接触线水平偏移的数值不允许高于 400mm，而且因大风因素所形成的定位器抬升，实际的抬升量也必须不超过80mm。通过对电气化铁路接触网防风技术的分析，以期提供有价值的参考依据。

[1] 刘长利, 刘永红. 构建电气化铁路接触网防灾安全技术体系[J]. 中国铁路, 2013(3)： 12-16.

[2] 孙海. 探究大风地区电气化铁路接触网防风技术[J].科学与信息化, 2017(9)： 107-108.

[3] 黄玉章, 郭昊岩. 分析大风天气造成弓网故障的原因及防风措施[J]. 科技资讯, 2013(3)： 114-115.

[4] 刘玖林. 大风区段高速铁路正馈线防风技术探讨[J].电气化铁道, 2014(4)： 25-26.

[5] 刘改红. 接触网参数对接触网风致响应的影响及风洞试验验证[J]. 铁道标准设计, 2016(2)： 144-148.

[6] 王鹏勃. 高速铁路沿海区段隧道内防风拉线定位环腐蚀分析研究[J]. 军民两用技术与产品, 2016(24)：194-195, 204.

[7] 李剑宇. 浅谈提高重载铁路接触网稳定性的几点措施[J]. 科技资讯, 2011(35)： 99-99.

[8] 张翼翔, 卫永刚. 接触网正定位管防风支撑的分析与计算[J]. 科技传播, 2014(1)： 220-222.