电气化铁路接触网几何参数检测方法与标准研究

赵隽

（中国国家铁路集团有限公司铁路基础设施检测中心，北京 100081）

0 引言

接触网是电气化铁路重要的行车设备，在保障铁路运输安全、提高运输效率、降低运输能耗等方面发挥着重要作用，我国电力牵引完成运输任务占比80%以上［1］。截至2019年底，全国铁路营业里程13.9万km以上，其中高铁3.5 万km；电气化里程10.0 万km，电化率 71.9%［2］。

电力机车、电动车组均采用受电弓从接触网获取电能，接触网在空间的布置要满足受电弓动态包络线的要求，即在任何状态下都能实现受电弓安全、平顺、无障碍地滑动取电受流。

接触网动态检测通常采用综合检测列车、接触网检测车按照运行图进行，检测数据用于评价接触网运行条件下的动态状态。接触网是由承力索-接触线与腕臂等支撑结构组成的柔性机械悬挂系统，在受电弓作用下发生抬升振动，因此静态与动态参数差异较大。

弓网关系及其检测技术始终是国内外研究的热点。方岩［3］结合接触网设计及受电弓特征，研究了接触网静态几何参数确定依据。安英霞［4］研究了接触网静态几何参数偏差对弓网动态性能的影响。周威等［5］研究了接触网几何参数测量中的车辆振动补偿方法，实现了车辆相对钢轨平面的空间姿态参数的光学非接触式测量。刘寅秋等［6］研究了通过弓网视频监控数据进行图像识别处理，提取并计算接触网动态高度以及拉出值等参数的方法。上述研究偏重于弓网关系及测量方法，缺少对检测标准的探讨。

为了更好地应用检测数据，深入理解接触网“动态”与“静态”差异性内涵，更好地指导设备养护维修工作，有必要对现有技术标准进行系统梳理和分析说明。

1 接触网相关标准及要求

1.1 几何参数术语定义

TB/T 1677—1997《电气化铁道牵引供电系统术语》［7］、TB/T 3271—2011《轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则》［8］对接触网几何参数的术语定义如下：

（1）拉出值：接触线在定位点对受电弓中心线的偏移量。

（2）接触线高度：接触线底面至轨面连线的垂直距离。

1.2 设计标准相关要求

TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［9］适用于新建设计速度为250～350 km/h、运行动车组列车的标准轨距客运专线铁路，该标准对接触网几何参数设计要求为：“接触线悬挂点高度不宜小于5 300 mm，最低点高度不宜小于5 150 mm”“正线接触线在最大风速时对受电弓中心的偏移不宜大于450 mm，困难条件下直线地段不应大于500 mm”。

TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》［10］适用于单相工频、接触网标称电压为25 kV的标准轨距铁路电力牵引供电工程，该标准对接触网几何参数设计要求为：“接触线距离轨面高度不应大于6 500 mm，双层集装箱不应小于6 330 mm”“直线区段，接触线应按之字形布置，支柱处的拉出值宜采用200 ～300 mm；曲线区段，接触线一般由受电弓中心向外侧拉出，并宜使接触线与受电弓中心点的轨迹相割”。

1.3 施工要求

TB 10421—2018《铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》［11］适用于新建和改建设计速度为200 km/h及以下铁路电力牵引供电工程施工，该标准规定：“接触线悬挂点距轨面的高度应符合设计文件要求，且不应大于6 500 mm，施工允许偏差±30 mm”“接触线拉出值的布置应符合设计文件要求，允许偏差±30 mm，在任何情况下工作支接触线偏移值（相对于受电弓中心）不宜大于400 mm”。

TB 10758—2018《高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》［12］适用于新建高速铁路，该标准规定：“接触线悬挂点距轨面的高度应符合设计文件要求，允许偏差±30 mm”“接触线拉出值的布置应符合设计文件要求，允许偏差±30 mm”。

1.4 运营要求

我国电气化铁路维修规则标准基于最大长度为1 950 mm 的受电弓弓头制定，该弓头轮廓符合UIC 608 4A 及IEC 62486 附件B type 1 弓头规定，适合国际铁路间互联互通要求，其外形轮廓见图1。

图1 接触网维修规则参考的受电弓弓头轮廓

TG/GD 124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》［13］适用于工频、单相、交流25 kV，列车运行速度200 km/h 及以上和200 km/h 以下仅运行动车组的铁路，该规则以故障预测与健康管理（Prognostics Health Management，PHM）理论为基础，结合维修规程制定了标准值、警示值和限界值3种接触网设备状态量值，并规定了设备标准状态，在维修技术标准中规定：“接触线拉出值（含最大风偏时的跨中偏移量）标准值为设计值，标准状态为标准值±30 mm，警示值为400 mm，限界值为450 mm”“接触线高度标准值为设计值，标准状态为标准值±30 mm，警示值为标准值±60 mm，限界值为标准值±100 mm且小于6 500 mm”。

TG/GD 116—2017《普速铁路接触网运行维修规则》［14］适用于工频、单相、交流25 kV，列车运行速度200 km/h以下铁路（仅运行动车组的线路除外），在维修技术标准中规定：“接触线拉出值（含最大风偏时的跨中偏移值）标准值为设计值，标准状态为标准值±30 mm，警示值为400 mm，限界值为450 mm”“接触线高度标准值为设计值，标准状态为标准值±30 mm，警示值为标准值±100 mm，限界值为标准值±200 mm，上限为6 500 mm，下限为任何情况下不低于该区段允许的最低值”。

2 机车及受电弓

我国电力机车经过几十年发展，形成了20 余种交-直传动“韶山”系列产品。2004年，原铁道部组织国内各工厂与国外企业合作，联合设计、制造了6 种HXD 系列大功率交流传动机车，并在此基础上实现了交流传动机车的自主开发，完成了我国铁路机车交流传动系统的技术升级［15］。电力机车采用的受电弓型号主要为TSG3、TSG15和DSA200。

自2007 年我国通过引进、消化、吸收、再创新，研制了“和谐号”CRH 系列动车组，近年来我国铁路按照中国标准组织开展“复兴号”CR 系列新一代动车组研制。截至2019年底，全路动车组保有量为3 665标准组，电力机车1.37万台［2］；CR 复兴号系列动车组达850 组，占动车组保有量的22.8%。我国动车组采用的受电弓型号为DSA250、DSA380、SSS400+/TSG19、CX系列等。

GB/T 21561.1—2018《轨道交通机车车辆受电弓特性和试验第1部分：干线机车车辆受电弓》和TB/T 3271—2011《轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则》（IEC 62486：2010，MOD）指出，我国干线铁路受电弓轮廓应符合附录图A.15的要求。为了便于分析，将目前主要应用的电力机车、受电弓类型、受电弓滑板工作范围等信息进行汇总（见表1）。

由表1可知，我国电力机车、动车组采用的受电弓型号有较大差异，受电弓垂向工作范围、滑板工作范围均不相同。其中电力机车受电弓滑板工作范围主要为1 250 mm，动车组受电弓滑板工作范围为1 050 mm 和1 250 mm两种。受电弓垂直范围工作高度各不相同，主要范围为500～2 500 mm，受电弓在工作中应保持良好的动态性能。特殊的如CRH2型动车组，因车体高度较低（3 700 mm），为满足在客货共线铁路运行要求，经科研试验后，对其加装绝缘子支撑（见图2）。

3 接触网几何参数检测方法及标准

目前，我国铁路设计、施工、运营等单位对接触网几何参数的概念已形成基本共识，为了更好地应用检测数据，深入理解“动态”与“静态”的作用与内涵，更有效地指导现场养护维修，需对接触网几何参数检测方法和标准进行系统梳理和分析说明。

表1 我国主要电力机车、动车组受电弓情况

图2 CRH2型动车组加装绝缘子支撑

3.1 静态值检测

“静态”是指接触网不受受电弓抬升力作用，且处于静止的状态。接触网几何参数静态值的测量用于评价施工质量是否符合设计要求。

通常的检测方法采用“非接触式”检测装置，基本方法是结构光学的视觉测量或雷达扫描，并用补偿系统测量车体姿态与轨道平面之间的空间位置，实现接触网几何参数的静态测量［16］。

接触网几何参数“非接触式”检测装置主要安装在高铁接触网检测车、高铁综合巡检车（4C检测装置）和高速综合检测列车，其中高铁接触网检测车、高铁综合巡检车无检测受电弓，检测过程中不会对接触网进行扰动。高铁综合巡检车见图3。

图3 高铁综合巡检车

需要注意的是，高速综合检测列车安装的检测装置在测量接触网几何参数静态值时，其使用条件规定：“为了避免取流受电弓与接触网之间的相互作用扰动接触线，升运行方向后方受电弓取流，并以不超过60 km/h 的速度匀速运行”，此时检测装置在运行受电弓的前方。经试验验证，60 km/h 匀速运动时的接触线抬升量小，振动幅度低，检测装置距离受电弓大于40 m（多种综合检测列车的检测装置空间布置不同，其中最短距离40 m），受电弓运行不会影响到接触网的几何状态，典型运用方式见图4。

图4 高速综合检测列车接触网几何参数静态检测典型运用方式

接触网几何参数静态值评价主要依据TB 10758—2018《高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》第5.16 项“悬挂调整”和TG/GD 124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》中维修技术标准的相关规定：

（1）接触线拉出值标准：设计值±30 mm；

（2）接触线高度标准：设计值±30 mm；

（3）两相邻定位点的高差标准：±20 mm；

（4）两相邻吊弦的高差标准：±10 mm。

根据静态检测结果，接触网设备运用管理单位应及时进行现场复核及调整，保证设备状态良好。

3.2 动态值检测

“动态”是指受到受电弓抬升力作用的接触线状态。接触网几何参数动态值检测用于评价设计及维护是否符合安全运行要求。

检测方法分为接触式和非接触式，接触式在受电弓弓头安装传感器；非接触式的应用重点在于，要在受电弓弓头附近的位置安装测量，同时不应进行车体补偿信号计算，实现以受电弓坐标系为基准的测量。

接触网动态检测标准在TG/GD 124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》和TG/GD 116—2017《普速铁路接触网运行维修规则》进行了明确规定。将高速铁路和普速铁路相关检测评价标准进行汇总（见表2），其中数据评价以接触网的“跨”为基本单元。

从表2可以看出，高速铁路和普速铁路的接触网动态检测评价略有差异，具体为：

（1）拉出值方面，考虑电力机车受电弓滑板工作范围为1 250 mm，而动车组受电弓滑板工作范围最小为1 050 mm，同时普速与高铁线路的曲线半径及超高对车辆姿态及受电弓动态包络线影响不同，因此拉出值一级缺陷设置略有差异。

（2）接触线高度方面，考虑接触网的张力组合、受电弓-接触网间弓网接触力在高速、低速差异明显，导致接触线抬升量不同。同时由于普速铁路多采用有砟轨道，作业调整频繁，高速铁路多采用无砟轨道，维修作业少，基准高度变化小，因此接触网高度的一级、二级缺陷各挡位设置略有不同。

表2 接触网动态值检测评价标准

4 检测实例

4.1 商合杭高铁接触网概况

商合杭高铁合肥—湖州段正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂，导线组合JTMH120+CTMH150，张力组合23.0 kN+28.5 kN，接触线悬挂点高度5 300 mm，接触网结构高度1 600 mm；芜湖—宣城段正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂，网导线组合JTMH120+CTMH150，张力组合20 kN+25 kN；接触线悬挂点高度5 500 mm，接触网结构高度1 600 mm。

4.2 静态值检测

在商合杭高铁联调联试中，对接触网几何参数进行静态值检测。该锚段关节处拉出值设计值为350 mm，实测值为403 mm（灰色），检测结果显示施工误差大于±30 mm，经施工单位精调维护后，调整为360 mm（蓝色），满足设计要求。维修前后检测波形对比见图5。

4.3 动态值检测

动态值检测的运行速度为250 km/h，检测出接触线高度动态值二级缺陷，该位置为跨中吊弦点，设计高度5 500 mm，动态缺陷值为5 605 mm，同时伴生了弓网接触力二级缺陷，数值为281 N；经过维修单位现场复核并进行整治，维修后动态检测接触线高度动态值为5 578 mm，同时弓网接触力二级缺陷消失，为220 N。维修后（蓝色）与维修前（灰色）接触线高度检测波形对比见图6，维修后接触线平顺性得到相应改善。

图5 接触网几何参数维修前后静态值检测波形对比

图6 接触网几何参数维修前后动态值检测波形对比

5 结束语

对接触网几何参数的术语定义以及设计、施工和运营标准进行梳理，明确了接触网几何参数相关技术要求；通过对我国电力机车受电弓参数的整理，分析其与接触网几何参数的适应关系；对接触网检测方法及检测评价标准进行阐述分析；并通过典型检测案例，表明我国现有检测标准的准确性及实用性。