铁路牵引供电系统接触网结构的防灾研究

马永广

[摘    要]铁路牵引供电系统接触网结构常面临各种灾害的困扰，造成自身性能受损，若能借助仿真设计方法，明确防灾思路，可保障接触网结构完整性。在此之上，本文简要分析了铁路牵引供电系统接触网结构类型及其设计要求，并结合影响要素，从冰灾、风灾、冰风灾等三个方面的防灾方法展开论述，促使铁路牵引供电系统拥有良好的运行可靠性。

[关键词]铁路牵引供电系统;接触网;覆冰载荷

[中图分类号]U225.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–0–02

Research on Disaster Prevention of Catenary Structure

of Railway Traction Power Supply System

Ma Yong-guang

[Abstract]The catenary structure of the railway traction power supply system often faces various disasters， causing its own performance to be damaged. If the simulation design method is used to clarify the disaster prevention ideas， the structural integrity of the catenary can be guaranteed. On top of this， this article briefly analyzes the type of catenary structure of railway traction power supply system and its design requirements， and combines influencing factors to discuss disaster prevention methods from three aspects： ice disasters， wind disasters， and ice wind disasters. The industry gives reference to promote the railway traction power supply system to have good operational reliability.

[Keywords]railway traction power supply system; catenary; icing load

作为电气化铁道中布设于钢轨上空的接触网结构，常用于高压输电线，在铁路系统运行中发挥着重要作用。接触网结构大体上包含定位装置以及支柱、接触悬挂等部分。在实际运行期间，多呈现“之”字形。由于各地降雨降雪频率、风力风向不同，造成铁路接触网常因灾害出现自身稳定性降低后果。此时，若能在不同工况下研究具体的防灾路径。

1 铁路牵引供电系统接触网结构类型及其设计要求

1.1 结构类型

接触网实则是电气化铁路中重要的供电网络，又可称为架空电缆。从相关研究中可了解到：接触网电压多在25～30 kV。若位于城市地区，则以直流电压為主，即750 V。在总结接触网具体类别时，可按照不同的悬挂方式做出相应的结构分类。第一种是简单接触悬挂。它是在铁路上方借助接触线进行加固悬挂。为了维护接触网悬挂安全，常常安装张力补偿装置，继而达到接触网的自由调节。而且还多在悬挂点位处新增约16 m的吊索结构，依靠吊索弹性功能，以免悬挂时产生较高的压力;第二种是链形接触悬挂，此种接触网是依靠吊弦予以悬挂，联合承力索，促使接触线能够顺利悬挂在接触网结构上，最终可在减缓接触线悬挂跨距弛度的前提下，确保此种悬挂方式下形成的接触网结构稳定性优良。与第一种悬挂方式相比，第二种花费的费用偏高，结构复杂，施工难度较大。然而，整体性能却有所提升。相关人员在电气化铁路工程建设环节，需根据工程造价范围以及工况条件确定如何设置接触网。

1.2 设计要求

铁路牵引供电系统中的接触网结构，在其具体设计环节，常需要遵从下列多项要求：①无论是在高速状态下运行还是在冰天雪地里操作，都要求接触网结构弹性适中且能够正常供应电流;②在接触网结构的安装中，其中选用的零配件应当质量过硬，且具备一定的抗磨、耐腐蚀优势;③接触网的安装应当实现对地绝缘;④为了提高抢修效率，确保铁路能够缩短供电间歇时间，还以简便化结构为首选;⑤接触网的安装应注重其经济性，尤其是钢材等材料的使用量。只有充分考虑上述技术要求，才能确保接触网建成后能够为铁路牵引供电系统提供可靠的输电线路，促进电气化铁路的稳定运行。

2 铁路牵引供电系统接触网结构的影响要素

2.1 覆冰载荷

在研究铁路牵引供电系统接触网结构的影响因素时，还需要采用有限元元件进行仿真设计，假设本次研究活动中使用的钢材弹性模型为2.02×1011 MPa，密度为7.8×103 kg/m3。而瓷绝缘子的弹性模量及其密度分别为0.54×1011、2.7×103 kg/m3。其中选用的吊弦材料为镀锌铁线，外界镁铜合金承力索。在此研究活动中，需结合有限元软件建立的仿真模型，判断在其覆冰条件下受到的不同作用力。接触网会受到横纵两个方向的覆冰荷载影响。其中垂直（纵向）方向上的作用力以及水平方向（横向）上的覆冰质量，均可参照下述公式予以计算，而后知道不同覆冰荷载工况下的作用力差异。

F垂直=-mil

M水平=-migl·Lcosθ

其中，mi、l、θ、L分别是覆冰质量、接触网导线长度、凝冰角度、冰心-导线中心间距。对于覆冰质量（mi）的计算方法多按照（S为冰厚，ρ冰为冰密度）得出具体值。结合各地区常见覆冰厚度，多在10 ～30 mm。代入相关数值后，可发现随着覆冰厚度的增加，接触网何载荷明显增加[2]。

2.2 风压载荷

在确定风压载荷对接触网结构带来的影响程度时，一般需参照下述公式得出风压值（P）而后推算出风压与风速（v）的关系。即，其中ρ是指空气密度。而后利用r与ρg的相等关系，判定风压公式还可转换为，式中r为空气重度。为了更加直观地分析风压与风速关联，还可代入具体的气压值以及重力加速度等数值，继而知晓随着风速增加，风压也随之加大。

3 铁路牵引供电系统接触网结构防灾方法

3.1 冰灾防灾

铁路牵引供电系统接触网结构在遇到降雪降雨天气时，极易形成覆冰层，而后导致接触网性能下降，甚至不利于维护结构完好性。结合上述研究成果，在不同覆冰厚度下，位移量的变化会随着覆冰厚度的增加逐渐变大，造成应力增加时，对接触网线路产生的危害也会越来越大。若电气化铁路中的供电系统不能依靠接触网结构获取供应电流，将严重影响铁路运行质量，甚至加剧运行风险。基于此，相关人员在现场需采取有效措施增强接触网防灾能力，尤其是冰灾条件下，更需要重视除冰效果。通常情况下，适用于冰灾的防灾措施包含以下两点。

（1）制订接触网破冰计划，由于冰灾下接触网结构会形成冰层，继而在施压下导致导线可靠性下降。此时应定期观察接触网覆冰厚度，并选择适合的除冰方法，提高接触网运行稳定性。常用破冰方法包含机械破冰以及热力融冰、自然脱落3种。①由相关人员对接触网上的冰层借助冰车、铲刀等工具进行破除。②运用短路电流，依靠接触网内部加热电阻的发热功能，达到冰层融化。③随着季节的突然变化，造成原有的冰层仅在短时间内自然脱落。但此种方法可能性偏低。相关人员需在冰灾下切实做好除冰工作，由此优化接触网的运行性能。

（2）改造横跨材质与分相装置，以往在电气化铁路接触网建设中多以软横跨作为支撑梁，导致自身承載力不强，一旦遭遇冰灾，自然不能保持优良弹性。因此，可选用硬横梁，对原有横跨予以改造，便于改造设计后，接触网结构具备突出的抗灾能力。另外，对于接触网结构在冰灾情况下的绝缘性变化程度，还可对原有的分相装置进行改造，继而削弱冰灾对接触网结构产生的不利影响[3]。

由此可知，应针对覆冰载荷提出可靠的改进建议，用于增强接触网结构抗灾能力，借此满足不同工况下铁路运行需求。

3.2 风灾防灾

风灾的出现也会对接触网结构产生不良影响。结合本次研究成果，可找到风灾条件下，引起接触网悬挂点位移量最大的部分，而后对其进行加固设计，便于优化后系统能够重新恢复原有的稳定性。在仿真试验中假设的风速为37 m/s。此时从0 ～80 s变化过程中，风灾条件下，接触网具备支撑应力的点位会随着时间的后延而出现位移先增后减趋势。其中位移量会从0 m逐渐增加为0.3 m以上，而后达到峰值后会逐渐降低到0.15 m。此时会随着风力载荷的变化，导致铁路牵引供电系统出现明显的不稳定变化情况。因此，风灾也是导致接触网结构性能下降的关键性要素。

相关人员为了应对风灾威胁，还可从多个部分提出可行性风灾防治建议，便于增强接触网结构的风灾抗灾能力。此处可参照先进的防灾经验。如某地区曾因十级风造成接触网结构出现故障问题，而且故障点位于风口直线区段，跨距为60 m左右。面对此次故障，维修人员专门对铁路接触网结构做出相应调整，最终降低风灾下的接触网故障率。因此，本次仿真试验中也可以以此为基础，总结出明确的防灾步骤，便于提高接触网结构抗灾水平。

（1）选用强承载绝缘子，以便在风灾下能够有良好的抗压能力，以免因机械运动，导致接触网结构出现明显偏移。

（2）接触网原本是以“之”字形分布，此时则应当扩大其幅度，以便接触网结构中的定位装置等部分能够拥有突出的拉力，这样可适当抵消风力载荷，也能减小风灾对接触网摆动幅度的刺激。此外，还可重新进行“之”字形设计。例如，可从正反定位两个部分，将其拉出值进行拓展与后退，继而降低偏移量。尤其是在强风干扰下，也依旧能够保持接触网结构压力分布的均匀性。

（3）减小跨距，一般可采用增设支柱的形式，缩小跨距，而后能够确保在小跨距下降低水平方向的偏移量，必要时还可在承力索部分安装防风锤，借助外力施加抗风压力，尽管在风灾干扰下，也能始终保持铁路牵引供电系统接触网结构的平稳性，延长接触网的使用年限，为电气化铁路工程的高质量建设奠定基础[4]。

3.3 冰风灾防灾

通常在降雪降雨天气里会伴有大风。此时，在开展接触网防灾仿真设计工作时，还需分析在两种灾害交叉出现的情况下，接触网结构的变化情况。随着风压载荷与覆冰载荷的逐渐加大，处于20 mm冰厚与30 m/s风速灾害状态下，接触网压力会在时间后延中有所加大。直到达到40 s时会出现些许波动，之后则进入降压阶段。在双重灾害条件下，相关人员还需准确测量固定支撑点的偏移量，若超出330 mm，且覆冰厚度为20 mm以上，此时可先行考虑是否需要停运，以免加大铁路行驶风险。此外，还可准确测量风冰灾环境里，承力索以及腕臂应力值的变化范围。由于风灾的风压载荷变化不确定，此时则需要在风灾减弱时，对接触网结构的具体性能予以测定，并开展破冰工作，这样才能避免后期风灾等级再次加大时，造成接触网结构无法承载双重灾害，而出现严重故障。冰灾的处理需在风灾变小时予以解决。而风灾则应当在尚未出现冰灾前就提前更换各种配件，致使铁路牵引供电系统持久性具备完整的接触网结构供应条件。

4 结束语

铁路牵引供电系统常需要在接触网辅助下实现铁路供电。而在不同工况条件下，接触网结构的稳定性及其运行可靠性都会呈现出差异性变化。对此，本文专门以仿真设计方法，优化铁路供电性能，使其在冰灾、风灾、冰风灾情况下，都能有效维护系统运行安全，特别是在风速超出37 m/s，且覆冰20 mm以上工况下，更需要加强接触网管理，继而在防灾设计中积累丰富的实践经验。

参考文献

[1] 王玘.基于健康状态的高速铁路牵引供电系统主动维护策略研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[2] 于洋.电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响分析[J].电力设备管理，2020（8）：152-154.

[3] 王璟，张于峰.高速铁路牵引供电系统健康管理及故障预警体系[J].中国高新科技，2019（14）：81-83.

[4] 刘长利.高速铁路智能牵引供电系统的快速自愈重构技术研究[J].铁道标准设计，2020（4）：162-167.