接触网系统在沿海环境下的适应性研究

刘 忠

0 引言

沿海地区经常受到雷暴、台风、海雾等灾害性天气影响，该环境条件对接触网系统的防雷、防腐、抗污、防风提出了严格的要求，因此有必要针对沿海环境的气候特点进行接触网系统环境适应性研究。

1 接触网防雷措施

根据城市轨道交通车辆段和停车场的具体情况，接触网应采取防止雷电压的措施，以尽量避免雷电对接触网和变电所设备以及列车车辆设备产生危害。

1.1 直击雷防护

直击雷防护通常采用避雷针、避雷线方式。《66 kV及以下架空电力线路设计规范》[1]规定：35 kV架空电力线路可采用进出线段架设地线的方式，3～10 kV混凝土杆架空电力线路在多雷区可架设地线。《地铁设计规范》[2]规定：在地面区段架空地线可兼作避雷线。

车场内试车线由于其线路相对独立，建议采用将接触网架空地线抬高兼作避雷线的直击雷防护方案，接触网架空地线抬高高度、安装位置应满足保护角45°或滚球半径取值为45 m时保护范围的规定。建议试车线架空地线每隔约200 m设置放电间隙，放电间隙接地电阻值不大于10 Ω，以保证雷击接触网架空地线时雷电流能有效泄流，避免在接触网架空地线和接触网钢柱上形成较高电位的残压而击穿绝缘子；接触网每隔约200 m设置避雷器，避雷器接地电阻值不大于10 Ω，避免雷电反击击穿接触网后窜至牵引变电所；相邻放电间隙与避雷器的设置应保证间隔约100 m距离，以进一步增强对牵引变电所内电气设备的绝缘保护。

车场内股道多，接触网遭受雷击的概率高于单线区段，但也正是由于接触网多股道架设，雷电流分流迅速，对接触网设备的危害较小。一般停车库房建筑物高于接触网设备，库房两端外露的接触网基本处于建筑物的防雷屏蔽范围内；如果车场咽喉区上部或周围存在较多建筑物，对咽喉区接触网具有一定的防雷屏蔽效果。此时，车场内多股道区接触网可以不考虑直击雷的防护。如果车场多股道线路接触网处于较为空旷的地段，接触网遭受雷击的概率远高于上述区域，但由于多股道接触网雷电流分流迅速，加上设置避雷器接地泄流的作用，此时防雷效果不会对接地可靠性造成较大影响。

因此，建议车场内（除试车线外）线路暂不采用将接触网架空地线抬高接闪方案。

1.2 感应雷防护

接触网架空地线兼作避雷线对直击雷的防护有明显的效果，但对城市轨道交通沿线的感应雷却不能起到直接防护作用。通常情况下，DC 1 500 V系统绝缘子爬距增至250 mm后，接触网具有一定的防感应雷裕量，出于提高防雷水平的考虑，《地铁设计规范》规定：地上区段架空接触网应设置避雷器，其间距不应大于300 m，防雷接地电阻值不大于10 Ω。前述直击雷防护中避雷器设置方案已满足要求，因此建议车场内试车线接触网每隔约200 m设置避雷器。

1.3 绝缘子优化

城市轨道交通柔性架空接触网悬挂用绝缘子一般采用瓷质绝缘子。严重的污秽会降低瓷绝缘子的绝缘性能和动稳定能力，不仅会提高绝缘击穿的概率，同时击穿瞬间的短路冲击极易导致瓷绝缘子破裂、重合闸失效，因此，建议地上区段架空接触网采用抗污能力和动稳定能力强的硅橡胶绝缘子，以保证系统受雷击后从暂态至稳态的可靠过渡。

2 接触网防风措施

接触网除应满足正常行车取流要求外，还应采取有效措施防止大风对接触网的影响，提高接触网的稳定性。

2.1 支柱的选用

按照《铁路电力牵引供电设计规范》[3]，矩形、工字形和H形截面支柱的风荷载体型系数为1.3，而环形截面混凝土支柱的风荷载体型系数为0.6，环形截面实腹式钢柱的风荷载体型系数为0.9，由角钢组成的格构式钢柱的风荷载体型系数为0.8。建议接触网支柱选用风荷载体型系数为0.9的锥形钢支柱，其抗弯和抗扭性能好，受力无方向性，以减小风力对支柱容量的影响。

2.2 接触悬挂

柔性架空接触网悬挂受风荷载的影响主要体现在两方面：接触悬挂的受风面积和线索的张力。根据强风地区的高速铁路设计经验并借鉴国外铁路设计经验，建议采用适当降低接触网结构高度的方法减小整个悬挂系统的受风面积，增强悬挂装置及整个系统的稳定性；提高接触网线索（接触线和承力索）的张力，不仅将明显改善弓网取流质量和降低离线率，还有利于减小线索的风偏移和保持接触线的高度，确保列车在运行风速下可靠受流。

2.3 支持装置

考虑台风对接触网稳定性的影响，在支持装置中增加腕臂支撑、定位管支撑及防风拉线等，以增强支持装置结构的稳定性（图1）。

2.4 支柱容量选择

在结构计算风速为60 m/s，地面区段最小曲线半径为350 m，跨距选取40 m的情况下，接触网悬挂装置及支柱各负载情况见图1和表1。

图1 地面段接触网典型安装示意图

表1 接触网悬挂及支柱负载 kN·m

通过计算得知，接触网中间柱的最大计算容量为118.76 kN·m，绝缘转换柱的最大计算容量为181.27 kN·m，在接触网设计中，中间柱采用下锚柱采用实际使用容量分别为120、200 kN·m。采用地脚螺栓，其强度设计值考虑了不小于1.5的安全系数，接触网支柱的强度设计值考虑了不小于2.0的安全系数，对应中间柱和转换柱，其最大使用容量分别可达240、400 kN·m。因此，在强台风情况下，接触网支柱及地脚螺栓均可抵抗台风的袭击，不会遭到破坏，地脚螺栓不会拔出。

通过上述接触网应对强风的设计措施，使接触网受台风的影响减小到最低限度。

3 接触网防腐措施

结合环境特点，综合分析接触网存在的腐蚀问题。海洋大气温暖湿润、降水量高、湿度大、多风、大气含盐分多，对金属腐蚀性强。海洋大气中金属表面容易沉降细小盐粒子，使得金属表面即使在空气相对湿度很低时也会形成表面液膜，引起腐蚀。接触网钢支柱和主要零部件一般采用热浸镀锌工艺，镀锌层表面易与大气中的CO2和Cl离子反应分别形成碱式碳酸锌和碱式氯化锌，热浸镀锌遭到破坏后，碳钢基体作为阴极，Zn+作为阳极，形成电偶腐蚀，加速镀镀层的腐蚀破坏。图2为国内某沿海区段接触网部件的腐蚀照片。此外，大气环境中的Cl离子通过不同迁移机制扩散到混凝土内部，对接触网混凝土基础的腐蚀破坏严重，大大降低了混凝土基础的使用寿命。

图2 国内某沿海区段接触网部件腐蚀图

针对上述分析，提出以下建议措施：

（1）刚性架空接触网防腐措施。a.架设刚性架空接触网接触线前，应在接触线上涂覆导电油脂，防止铜银合金接触线和铝合金汇流排之间发生异相金属腐蚀，且不影响铜铝间的电流流动；b.铜铝之间的连接线夹采用铜铝过渡线夹；c.在隧道口或渗水地带，用汇流排防护罩对刚性架空接触网进行保护。

（2）柔性架空接触网防腐措施。a.M14及以下螺栓采用高强度不锈钢件；b.接触网钢支柱、接触网零部件采用热浸镀锌防腐工艺。

沿海区段的气候特性决定了其污秽等级和腐蚀强度较高，因此，对沿海区段柔性架空接触网还应考虑以下防腐措施：

a.沿海区段的空气湿度和盐密度值较高，对金属的腐蚀性较强，因此，建议地上区段接触网零部件采用铝合金材质，同时铝合金基材需经阳极氧化处理，以提高防盐雾能力。

b.与接触网零部件相比，由于接触网支柱采用铝合金材质对系统整体投资影响较大，国内外接触网系统很少采用，其制造工艺对支柱强度性能的影响也尚不明确，因此，不建议地上区段接触网支柱采用铝合金材质。

c.接触网钢支柱在采用热浸镀锌防腐的基础上，可后期涂刷高性能防腐涂料以实现双重防腐，涂料性能、漆膜厚度、涂刷工艺应满足相关要求，涂刷工艺建议在出厂前一次性完成，以满足精度要求。

4 接触网防松措施

接触网系统的主要特点是振动性强，其中包括外界振动（如列车通过振动、风荷载影响）和自身振动（接触线弹性振动）。车场地上段柔性架空接触网风荷载较大，易造成接触网系统紧固件的松动和疲劳破坏。

目前，干线电气化铁路和城市轨道交通接触网系统采用的防松紧固件主要是基于机械防松原理，包括开口销、止动垫圈、双螺母等，其缺点是增加紧固连接的重量，并且在一些区段仍会出现防松失效的情况。随着防松技术的发展，出现了一些新型的防松紧固件（如HUCK螺栓、NORDLOCK防松垫圈等），该类防松紧固件主要通过对螺栓、垫圈本体的结构进行处理，以实现几何自锁功能，不需要额外增加紧固连接重量，防松性能优越。建议地上区段柔性架空接触网紧固件采用新型自锁型紧固件。

5 结语

本文针对沿海环境的气候特点，从防雷、防风、防腐和防松4个方面对接触网的设计及材质选取等提出了针对性的措施，可为接触网系统设计、施工及运营维护提供参考。