海外项目接触网工程几个关键问题的思考与探讨

杨 凡

0 引言

目前我国已经拥有高速铁路设计、装备制造、施工及运营的先进技术，具备了“走出去”的核心竞争力。世界各国铁路标准不统一，环境差异大，为了更好地适应“走出去”的所在国家铁路建设，充分体现我国高铁技术优势，本文对海外项目中接触网的几个关键设计问题进行深入探讨。

1 弓网受流分析

弓网模拟分为接触网静态、动态特性参数计算和弓网动态模拟两部分。接触网静态、动态特性参数包括接触网弹性、弹性不均匀度、弓网接触力、接触线抬升量、离线率等。弓网动态模拟主要依靠仿真软件进行。接触网在高速运行的受电弓激励下会形成复杂的振动，其静态、动态特性参数受到线材特性、接触线张力、弹性等条件制约。

1.1 接触线材质标准对比

在列车运行过程中，接触线直接与机车受电弓作摩擦运动传递电能，其对接触网-受电弓系统的受流性能起到至关重要的作用，是牵引供电系统中最重要的材料之一，其质量直接影响机车的安全运行。关于接触导线产品，欧盟目前执行的标准为EN 50149-2012《铁路应用 固定设施 牵引供电铜及铜合金接触线》，中国现行有效的标准为TB/T 2809-2017《电气化铁路用铜及铜合金接触线》，现将两个标准进行对比，如表1所示。

表1 中欧接触线标准对比

我国接触线生产厂家不断自主创新，在德国、日本等先进技术的基础上，发明了强度高、导电性好的铜铬锆材质导线，并纳入了最新标准；在我国旧标准里有85和110 mm2小截面的导线，但由于实际使用量少和系统化标准化的考虑，只保留了120和150 mm2两种截面的导线。因此，从表1可以看出，除接触线材质和导线截面有差异外，我国标准其他参数与欧标基本一致。

1.2 接触线张力标准对比

承力索张力对接触网的受流质量不起关键作用，降低承力索张力可以获得较小的放大系数，因此承力索张力不宜太大。为了施工方便，承力索的张力应与接触线的张力具有合理的配合关系。接触线张力对受流质量起着关键作用，受流系统的许多性能指标直接由接触线决定，如波动传播速度、接触线抬升量、接触线磨耗、安全系数等。

欧标EN 50119《铁路应用：固定设施-电气牵引架空接触线》中规定了接触线、承力索的最大工作应力不大于其最小拉应力的65%，同时考虑各种折减系数；未规定不同速度下的接触线最小工作张力，但规定了列车运行速度不大于接触线波动传播速度的70%。中国现有规范《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）中对张力做出规定，在考虑接触线、承力索允许工作温度、接触线最大磨耗、风和冰荷载、补偿装置精度和效率等因素引起的折减系数后，允许工作应力不应大于其抗拉强度或拉断力的65%，《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）对各速度等级下接触网最小张力给出明确要求。实际工程中中国与其他国家的接触网张力如表2所示。

表2 各国接触网张力

由于接触线张力对受流质量起关键作用，提高接触线的张力可以改善接触网的所有受流特性参数。因此，提高接触线张力是一种调整接触网使之达到适应较高速度的有力措施，对接触网的稳定性和改善弓网动态关系具有良好效果。但须注意提高接触线张力应同时考虑接触线磨耗和安全系数。

1.3 弹性及其不均匀系数标准对比

良好的弓网关系要求接触网具有均匀的弹性，降低静态弹性还有利于减小接触导线的抬升、减少接触导线的疲劳。EN 50119第5.2.2条规定了弹性不均匀度的计算方法及影响弹性的因素，但未规定明确的数值。我国《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）中规定弹性链形悬挂的弹性不均匀度不大于10%，简单链形悬挂的弹性不均匀度在设计速度为250、300 km/h时不大于40%，在设计速度为350 km/h时不大于25%。尽管各国对弹性不均匀度的规定数值不尽相同，但都是根据弓网要求而定。

一般而言，跨中的弹性大于定位点处弹性，弹性的大小与接触网悬挂类型和综合张力相关，跨中弹性的经验公式为

式中：L为跨距；Tc、Tj分别为承力索和接触线的额定张力；K为悬挂类型系数（弹链为3.5、简链为4.0）。

定位点处的弹性与接触网悬挂结构形式有关，简单链形悬挂在定位点的弹性为跨中的30%～50%，主要取决于跨距的长度；弹性链形悬挂在定位点处设置合适的弹性吊索，其弹性将提高到跨中的80%左右。

对于高速接触网，一方面要求弹性尽可能的小以提高接触网的稳定性，另一方面应尽可能降低弹性不均匀度以提高受电弓运行的平稳性。

1.4 弓网动态受流标准

接触网动态参数包括波动传播速度、动态接触压力及动态抬升量、离线率及离线时间等。

（1）接触网与受电弓形成一个具有很小阻尼的弹性系统，受电弓的运行使导线抬高，在静止状态下，受电弓使导线在受电弓两侧对称抬起，如果速度提高，导线将不对称地抬高，受电弓前方导线的抬高程度小于后方。如果最终行车速度与波动传播速度相同，则只有受电弓后面的接触网受到干扰，发生共振，同时抬高值将远远超过静态计算值。因此，接触网的波动传播速度决定了机车的最高运行速度。接触线的波动传播速度C为

其中，Tj为接触线张力，mj为接触线单位长度质量。

根据EN 50119规定：接触网适应的最高行车速度必须小于导线波动传播速度的70%。如果确定了接触线波动传播速度，即可计算出接触网可以采用的运营速度的近似值：

其中，V为运营速度，β为接触网运营速度与接触线波动传播速度之比。

从式（2）、式（3）可得到，提高接触悬挂的综合张力和降低导线单位质量可以提高列车的运行速度。对于高速接触网系统，导线及张力的选择需要遵循使C值足够大的原则。

（2）接触网动态压力和抬升量数据可通过计算机仿真获得，直观易行，且易于更换条件及数据，效果显著，不足之处是具有一定的近似性，但仍为目前研究动态受流的主要途径和方法。本文借助CATMOS仿真软件，针对国内接触网典型参数进行建模，通过仿真的方法对接触线抬升和接触压力进行分析。国内高铁接触网典型参数如表3所示。

表3 国内高铁全补偿弹性链形悬挂接触网参数

图1和图2所示分别为接触线抬升和接触压力的仿真曲线，仿真车速为350 km/h，横坐标为仿真里程，单位m。

图1 接触线抬升仿真曲线

图2 接触压力仿真曲线

依据欧洲接触网系统标准EN 50119《铁路应用：固定设施-电气牵引架空接触线》，速度大于200 km/h时，最小接触压力不小于0 N，最大接触压力不超过350 N，未对抬升量做出规定；UIC 799-2002《工作速度大于200 km/h的高速铁路交流架空接触系统特性》中规定，定位器定位点处接触线最大允许抬升量为120 mm；德国DS 997.9113《接触网设计、供货、施工、运营维护原则和指标》中规定：当列车最大运行速度不大于230 km/h且采用德国标准受电弓时，抬升量为150 mm；当列车最大运行速度大于230 km/h，且采用欧洲标准型式的受电弓时，最大允许抬升量为200 mm。

我国《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）规定：200 km/h及以下速度等级，弓网最大接触压力为300 N，最大抬升量为120 mm；速度大于200 km/h时，最大接触压力不超过350 N，最大抬升量为150 mm。

从仿真结果可知，最大接触压力及抬升量均在标准允许范围内，接触压力均匀，受电弓工作高度平稳，表明弓网关系良好，因此我国接触网系统具有较好的适应性。结构高度可以根据所在国家的气象条件进行调整，对于受风害影响小的地区，可以通过适当增大结构高度减小离线率，而对于风力较大地区，例如沿海的东南亚国家，可以通过减小结构高度增强悬挂稳定性。

1.5 适应性分析

从以上分析可知，我国高铁经过多年的发展，接触线材质、张力、弹性及不均匀度、弓网受流等方面的各项参数具有良好的适应性，同时能够满足国际标准的要求。

2 接触网防雷措施

接触网架设于高铁线路上方，更易受到雷电的侵害，东南亚属于热带雨林气候，降雨和雷暴日较多，对于中国高铁“走出去”项目，防雷措施显得尤为关键。

2.1 防雷标准对比

IEC 60913-2013《轨道交通 地面装置 电力牵引架空接触网》中规定：在经常发生雷电过电压的地区，如果接地体结构和电气绝缘间隙无法避免闪络故障，应采用浪涌保护器或其他方式进行保护。欧洲国家对接触网防雷主要采用避雷器方式，德国平均每年每100 km接触网可能仅遭受1次雷电冲击。雷电对接触网的直接冲击会导致雷电冲击过电压，其在设计中考虑过采用过电压保护装置以限制雷电过电压，一般应用避雷器。同时他们也认为，避雷器只能对过电压进行有限的保护，一般只用于有频繁雷电发生的地段，在其他区段，从经济性或防护效益方面考虑，一般不设置防雷装置。

日本《电气设施（新干线接触网）设计施工标准》中对日本新干线的防雷措施进行了描述，根据雷击频度及线路重要程度，规定了相应的防雷措施，具体见表4。

表4 日本防雷措施

我国对高速铁路防雷有较详细的规定，《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）和《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）中规定“年均雷暴日超过40天的重点位置应设避雷器”，“雷暴日不小于40天的地区宜采用架空避雷线为主的设计措施。接触网下锚绝缘子、分段绝缘子采用复合棒形绝缘子等防雷措施”。

2.2 避雷线架设方式

在关键部位设置避雷器是各国通用的做法，其对电气设备免受瞬态过电压危害具有很好的保护作用。避雷器防护的范围较小，对于沿线雷害严重区段，可通过架设避雷线达到降低接触网雷击跳闸率的目的。架空避雷线是一种设计施工简单、效果明显的雷电防护措施，《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（TB/T 3551-2019）给出了接触网架空避雷线典型工程安装示意图。

避雷线采用线夹固定在避雷线肩架顶部，该安装方式可以充分利用避雷线肩架的长度，将避雷线悬挂在最高处，可以最大限度地保护正馈线和接触线等，在风速较小环境下可采用该常规做法。东南亚等国家地处热带海洋气候区，泰国、马来西亚等国家常年风速较大，偶尔还会有台风发生，在大风情况下易出现附加导线舞动，导致导线固定点机械疲劳断股，零部件连接处磨损严重（国内兰新铁路等线路发生过类似情况）。

2.3 改进措施

大风会引起避雷线频繁振动，其悬挂方式至关重要，既要考虑导线疲劳问题，又要考虑悬挂装置的结构稳定性。

（1）针对导线疲劳问题，可在支撑点处采用预绞式支撑线夹。预绞式线夹具有出众的抗疲劳性能，没有任何螺栓作用在导线上，减小了金具对导线的静态压应力和夹应力；线夹通过内含铝合金加强件的特殊橡胶衬垫与导线相接触，预绞丝护线条装在橡胶衬垫外并缠绕在导线上，通过高强度铝合金护套和固定夹片将导线悬挂到支柱上，进一步减小金具对导线的动态弯曲应力。该线夹的结构如图3所示。

图3 预绞式支撑线夹

（2）避雷线张力一般为5 kN，较小的张力导致弛度较大，在大风条件下易导致大幅度摆动甚至舞动现象，影响其结构稳定性，因此避雷线的悬挂方式宜对舞动起到抑制作用。导线受到不稳定的风致横向风作用时，在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流旋涡，进而使导线受到上下交变脉冲力作用从而产生振动。悬挂点采用刚性连接时，相当于一个硬点将脉冲力毫无保留地反弹回去。可将悬挂点优化为悬垂线夹的柔性连接，悬垂线夹对脉冲力具有一定的卸载功能，可有效避免大幅摆动及摆动时应力集中，缓解导线“波节点”的疲劳。该结构会牺牲部分肩架高度，但对导线频繁振动有较好的适应性，因此，在大风环境下建议采用悬垂安装型式。

（3）为达到最佳的防舞动效果，还可以采用增加相间间隔棒措施（图4），跨距中间使用复合材料相间间隔棒连接AF线和PW线，固定处均使用防磨型预绞式铠装悬挂连接装置连接，使两个原本相互独立的舞动单元相互牵制，以达到抑制舞动的目的。从实际使用效果上看，相间间隔棒是当前效果较好、可靠性较高的一种防舞动装置。

图4 相间间隔棒措施

根据风区线路结构，设计特殊长度和连接方式的复合材料相间间隔棒，长度适应现场安装需要，连接方式与固定线夹配套设计，保证现场安装方便快捷。相间间隔棒外形与复合绝缘子相似，但两者的工作方式存在明显差别。相间间隔棒的连接金具、芯棒、护套均适应项目要求进行设计，绝缘强度按35 kV等级设计，以保证电气安全性能。

2.4 适应性分析

对国内外几种防雷技术措施进行比选，针对雷暴日较多且有大风的环境条件，高速铁路避雷线可采用增加预绞式线夹、悬垂结构型式和相间间隔棒措施来达到减轻零部件疲劳及抑制舞动的目的。

3 供电线架设方案

3.1 供电线标准对比

我国《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）对供电线做出以下规定：“供电线宜采用架空方式，地形困难处及上网处可采用电缆方式”，国外虽对接触网供电线未做出硬性规定，但法国TGV、西班牙AVE、日本新干线等线路普遍采用架空方式。中国高铁“走出去”需要适应当地国情、法律法规等多方面的要求。

3.2 供电线架空方式

考虑到工程经济性和维护便利，国内供电线多采用架空形式，支柱一般采用格构式钢柱，基础一般是根据地质专业提供的相关土壤参数和地基承载力选择相应的扩大式基础。

国外气象条件和地质条件与中国不尽相同，以印尼雅万高铁为例，沿线所经地区为高地震烈度区（8度），设计时应将抗震设防作为重点，采取适宜的结构措施确保高铁安全。格构式钢柱的杆件为角钢，正常情况下容量足够，但腹杆所承受的最大剪力设计值较小，根据《电气化铁路接触网软横跨钢柱构造图（通化（2006）1001）》，结构适用于设防烈度7度及以下地区。因此对于8级地震烈度地区，可采用多棱柱结构（图5），柱身采用Q355钢材，纵向焊缝平整，整体性好，抵御地震荷载产生的水平振动较格构式钢柱强很多，设计时需对支柱进行形变和稳定性检算，选择合适的高度及容量。

图5 多棱柱

雅万高铁万隆区段处在湖积地层中，分布有不同厚度的软土，以淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土为主，最大厚度可达34.0 m。由于沉降严重，采用桩基础需要穿过软土层，工程造价较高。一般的扩大式基础如图6所示，该基础的基地面积较大，基坑开挖及回填土的工程量较大，印尼降水量大，扩大基础基坑开挖后若未及时回填，容易引起积水，加上软土承载力不足，很容易造成坍塌。

图6 一般扩大式基础

结合软土不宜深开挖、大开挖的特点，可将供电线基础优化为纵断面为T形的扩大基础，如图7所示。先用物理力学性能良好的岩土材料置换地基中的软土，预压一定时间达到承载力要求后再进行基础施工。T型基础分水平的翼板和竖直的腹板两部分，腹板平面尺寸较小，埋入土层一定深度，抵抗倾覆力矩，翼板平面尺寸较大，满足地基承载力要求。T型基础可减少施工深开挖的工作量，降低施工难度，相应也减少了支护费用，从而降低工程造价。

图7 T型扩大式基础

在设计时，以《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）为理论依据计算，T型基础应同时满足地基承载力和侧向抗倾覆的要求。

3.3 供电线电缆敷设方式

如果当地的地质条件较差，供电线基础施工困难，或存在其他不确定因素，例如国外多数国家土地为私有，前期供电线径路未纳入征地范围内，后期二次征地很困难，针对这些情况可采用电缆敷设方式。电缆敷设方式相对架空方式投资会高很多，应尽量减小供电线长度，设计初期在专业配合方面注意以下两点：

（1）行车电分相检算后，与变电专业沟通，使变电所选址位置尽量靠近分相处，最好在分相里程范围内；

（2）变电所选址在满足相关规范的前提下，尽量靠近线路，以减小所址与线路之间“夹心地”的征地面积。

3.4 适应性分析

接触网供电线施工工况比较复杂，需要考虑当地环境和法律法规的制约，气象地质条件较恶劣时，架空供电线可采用多棱柱和T型扩大式基础；受征地制约时可采用电缆敷设方式。

4 结语

我国高速铁路接触网装备经过多年发展，积累了较多设计、施工、运营维护经验，已形成一套自主的电气化铁路接触网标准体系。在中国高铁“走出去”工程中，可以结合不同地区、不同条件下的工况对体系进行修正，形成一个更加完善的理论体系，更有利于开拓海外市场。