高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350研發(fā)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

■ 戚廣楓

高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350研發(fā)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

■ 戚廣楓

目前，國(guó)外尚無(wú)商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度達(dá)350km/h的高速鐵路接觸網(wǎng)。高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350工程技術(shù)研究在參照采用歐洲最新技術(shù)動(dòng)態(tài)TSI，EN 50119及IEC，UIC最新國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒法國(guó)、德國(guó)和西班牙接觸網(wǎng)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，2004年正式推出滿足350km/h的全補(bǔ)償鏈型懸掛高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350，包括簡(jiǎn)單鏈型懸掛SiFCAT350-0和彈性鏈型懸掛SiFCAT350-Y。2008年1月在武漢試驗(yàn)段成功驗(yàn)證了高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350設(shè)計(jì)的正確性和技術(shù)性能，為武廣、鄭西高速鐵路技術(shù)方案工程實(shí)施提供了全面的技術(shù)支持。2009年5月武廣高速鐵路354km/h雙弓重聯(lián)試驗(yàn)成功、2009年9月352km/h鄭西高速鐵路試驗(yàn)成功都充分證明了高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350的先進(jìn)性、前瞻性和正確性，自主創(chuàng)新的高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350取得了成功。

1 機(jī)車車輛參數(shù)與牽引供電系統(tǒng)對(duì)接觸網(wǎng)的要求

1.1 機(jī)車車輛參數(shù)的驗(yàn)證

試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行時(shí)列車運(yùn)行速度350km/h、牽引質(zhì)量750 t，300km/h及以上高速列車編組為16輛，運(yùn)行時(shí)受電弓雙弓同時(shí)取流，具體機(jī)車車輛參數(shù)研究見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。與2004年研究設(shè)定的邊界條件，即經(jīng)“高速機(jī)車車輛參數(shù)仿真擬合軟件TP_RSIS”和“WEBANET牽引供電仿真軟件”計(jì)算的驅(qū)動(dòng)總功率19 000～22 000 kW相吻合，按照受電弓制造技術(shù)條件，最大電流為1000A。如此巨大的功率需求必須考慮采用每組重聯(lián)列車兩個(gè)及以上受電弓的取流條件。

1.2 牽引供電系統(tǒng)對(duì)接觸網(wǎng)電氣性能的要求

速度達(dá)到和超過(guò)300km/h的大容量高密度客運(yùn)專線鐵路牽引供電系統(tǒng)一般采用AT供電方式。典型牽引變電所往供電臂的下行方向3min追蹤高峰時(shí)段接觸懸掛和正饋線的負(fù)荷電流仿真曲線見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 3min追蹤高峰時(shí)段接觸懸掛的負(fù)荷電流仿真曲線

圖2 3min追蹤高峰時(shí)段正饋線的負(fù)荷電流仿真曲線

供電計(jì)算要求接觸網(wǎng)一般持續(xù)載流能力在800～900 A之間，短時(shí)1000 A以上，正饋線導(dǎo)線600A以上。目前緊密運(yùn)行方式還有待進(jìn)一步落實(shí)試驗(yàn)條件并采集數(shù)據(jù)對(duì)比，但單列包括雙列重聯(lián)的運(yùn)行條件下，設(shè)定電流分配規(guī)律在研發(fā)時(shí)得到準(zhǔn)確驗(yàn)證。

2 接觸網(wǎng)懸掛類型和高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350技術(shù)規(guī)格參數(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)車受電弓相關(guān)工作條件。采用UIC 608 Annex 4a標(biāo)準(zhǔn)寬度為1950mm的受電弓，與我國(guó)現(xiàn)行機(jī)車受電弓行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中速跨線車兼容?？紤]雙弓運(yùn)行時(shí)接觸網(wǎng)懸掛類型的匹配情況，雙弓間距200～400m進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)UIC505結(jié)合客運(yùn)專線速度目標(biāo)值和線路條件，受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線核算可采用的設(shè)計(jì)值見(jiàn)圖3。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，參考國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，懸掛定位點(diǎn)處接觸線正常工作的最大抬升量暫按150mm考慮，跨中最大抬升量按200mm考慮。安裝時(shí)采用限位定位器設(shè)計(jì)，有利于減小對(duì)限界要求。參照國(guó)外同類受電弓條件下的始觸區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，客運(yùn)專線正線始觸區(qū)范圍定義為距離受電弓中心600～1050mm及抬升150mm構(gòu)成的空間區(qū)域，始觸區(qū)范圍內(nèi)禁止安裝除吊弦線夾外的任何線夾類金屬器具。

線路條件。線路列車運(yùn)行速度目標(biāo)值350km/h，最小曲線半徑9000m（困難地段7000m），最大外軌超高170mm，正線采用無(wú)砟整體道床。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)目標(biāo)和要求。電氣性能要求接觸網(wǎng)應(yīng)滿足系統(tǒng)載流量的需要，接觸線磨耗使用壽命達(dá)到200萬(wàn)弓架次。接觸網(wǎng)系統(tǒng)每百條公里的可用度達(dá)到0.98。弓網(wǎng)受流性能要求應(yīng)滿足TSI，EN50317和不低于UIC794標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖4）。

2.2 接觸網(wǎng)懸掛類型

研究要求。高速客運(yùn)專線接觸網(wǎng)懸掛方式的綜合性能應(yīng)滿足圖4曲線值，即列車最大速度超過(guò)200km/h時(shí)，接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力應(yīng)保證在0～350N之間、燃弧率應(yīng)小于1%的動(dòng)態(tài)受流性能要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的受流質(zhì)量，考慮實(shí)際測(cè)量誤差的裕量，取±50 N。2009年8月調(diào)試期間，實(shí)測(cè)壓力曲線明顯好于0～350N的最低要求，而且壓力變化穩(wěn)定，離線火花幾乎為零。

圖3 受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線核算可采用的設(shè)計(jì)值示意圖

圖4 平均接觸壓力的絕對(duì)值上限

線材選擇。為滿足350km/h及以上列車運(yùn)行速度要求，接觸線波動(dòng)傳播速度應(yīng)達(dá)到518km/h?？紤]客運(yùn)專線特點(diǎn)和我國(guó)國(guó)情，參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50119）允許工作應(yīng)力規(guī)定，接觸線允許工作應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)其最小拉應(yīng)力的65%。近年來(lái)，導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展很快，與20世紀(jì)80，90年代制定規(guī)范EN50149，DIN48201相比，均有長(zhǎng)足的進(jìn)步。很多銅錫合金導(dǎo)線生產(chǎn)強(qiáng)度性能（150mm2綜合拉斷力）可以達(dá)到65kN以上，相當(dāng)于EN50149中CuMg0.5的水平。所以，銅錫合金、銅鎂合金（CuMg0.2）是未來(lái)主要的可選導(dǎo)線。結(jié)合武廣高速鐵路對(duì)牽引接觸網(wǎng)持續(xù)載流量要求，在四電集成施工總承包的實(shí)施中，設(shè)備選型最終采用150mm2當(dāng)量截面的銅鎂合金材質(zhì)CuMg0.5的接觸線（采用銅錫合金接觸線將是可取的替代方案），額定工作張力可取值最大值28.5kN及以上，匹配銅合金絞線BzⅡ120承力索，可達(dá)到最佳匹配23kN（±10%）的張力。

經(jīng)仿真研究，雖然類似EAC350配置的BzⅡ95承力索＋CuMg0.2-120接觸線匹配方案的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能更好，但其載流量略小，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)鐵路客運(yùn)專線大電流密度的需要。在接觸線張力28.5kN＋承力索張力23kN的系統(tǒng)方案下，對(duì)該主要參數(shù)作為基數(shù)進(jìn)行10%的上下限取值優(yōu)化研究，需要結(jié)合工程實(shí)施和設(shè)備選型具體研究。

懸掛方式的綜合比選。構(gòu)造見(jiàn)圖5、圖6。接觸導(dǎo)線張力28.5kN（28.5kN±10%，最小26kN），波動(dòng)傳播速度達(dá)517km/h，適應(yīng)雙弓取流；為了兼容世界不同技術(shù)流派的設(shè)備方案并保證弓網(wǎng)安全和技術(shù)性能，實(shí)施中SiFCAT350跨距有所減少，標(biāo)準(zhǔn)值取50m。

2007年5月在“四電”集成商采購(gòu)國(guó)外設(shè)備并引進(jìn)技術(shù)服務(wù)合同談判過(guò)程中，BB公司中標(biāo)接觸網(wǎng)零部件產(chǎn)品并提出實(shí)施其CHINA2000/25系統(tǒng)方案。最終經(jīng)合同談判，同意并認(rèn)可武廣高速鐵路工程中按照中方提出的高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350總體技術(shù)方案和工程主要技術(shù)方案、參數(shù)，包括放棄其交叉式線岔等技術(shù)方案、抬升量等重要指標(biāo)，僅在高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350提出10%的上下限優(yōu)化或改變要求。對(duì)此，對(duì)這種標(biāo)準(zhǔn)高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350的變形方案進(jìn)行了具體分析和研究，其取值和效果見(jiàn)圖7—圖11。

實(shí)際在武廣高速鐵路最終實(shí)施方案中，經(jīng)與提供技術(shù)服務(wù)的外方多次研討，得出仿真研究結(jié)論，即兩種系統(tǒng)技術(shù)性能相當(dāng)。雖然其工程實(shí)施難度更大并可能犧牲如定位器坡度等安全指標(biāo)，但在外方承諾安全負(fù)責(zé)并不違背高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350方案的前提下，中方同意采用30kN接觸線張力，即28.5kN±10%的上限+承力索23kN±10%的下限方案，也就是30kN＋21kN方案。但在武漢試驗(yàn)段保留6個(gè)錨段的標(biāo)準(zhǔn)SiFCAT350系統(tǒng)作為實(shí)物試驗(yàn)對(duì)比。鄭西高速鐵路雖然也是采購(gòu)BB公司中標(biāo)的接觸網(wǎng)零部件產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)，但全線均采用高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350標(biāo)準(zhǔn)型方案，即28.5kN＋23kN。

2.3 高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350技術(shù)規(guī)格

高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350正線接觸網(wǎng)各種線材技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。其技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖5 SiFCAT350-0標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單鏈型懸掛類型和張力匹配值

圖6 SiFCAT350-Y標(biāo)準(zhǔn)彈性鏈型懸掛類型和張力匹配值

圖7 雙弓條件下接觸線28.5kN張力的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單鏈型懸掛350km/h的取流效果

圖8 雙弓條件下接觸線28.5kN張力50m跨距彈性鏈型懸掛350km/h取流效果(前弓)

圖9 雙弓條件下接觸線28.5kN張力50m跨距彈性鏈型懸掛350km/h取流效果（后弓）

圖10 雙弓條件下的接觸線30kN張力50m跨距彈性鏈型懸掛350km/h取流效果（前弓）

圖11 雙弓條件下的接觸線30kN張力50m跨距彈性鏈型懸掛350km/h取流效果（后弓）

表1 高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350正線接觸網(wǎng)各種線材的技術(shù)規(guī)格

表2 高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350技術(shù)規(guī)格

3 接觸網(wǎng)工程系統(tǒng)方案部分創(chuàng)新技術(shù)

3.1 道岔區(qū)方案實(shí)現(xiàn)寬型受電弓無(wú)交分不碰觸側(cè)線接觸網(wǎng)導(dǎo)線的安全通過(guò)

正線18﹟道岔、1950mm寬受電弓條件下接觸網(wǎng)采用新型無(wú)交分式線岔（適應(yīng)正線受電弓以350km/h高速通過(guò)）、錨段關(guān)節(jié)電分相適合A，B類跨線車等技術(shù)難題，均是由于我國(guó)國(guó)情導(dǎo)致國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法直接使用產(chǎn)生的新技術(shù)問(wèn)題，高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350是在國(guó)際工程研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適合國(guó)情的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

道岔區(qū)接觸網(wǎng)布置形式。根據(jù)國(guó)內(nèi)外接觸網(wǎng)道岔始觸區(qū)原理定位設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的側(cè)線通過(guò)速度不大于80km/h的無(wú)交分或交分式道岔定位方式，應(yīng)優(yōu)先滿足交叉道岔定位的基本原則，還要考慮如下原則：（1）合理設(shè)置定位處的拉出值，調(diào)整側(cè)線下錨的方向，充分考慮始觸區(qū)內(nèi)的弓網(wǎng)安全關(guān)系，確保正線受電弓高速通過(guò)時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)不與側(cè)線接觸網(wǎng)發(fā)生關(guān)系。（2）對(duì)于列車運(yùn)行350km/h的正線，接觸線的變化坡度為0。側(cè)線由于速度較低，其坡度的變化應(yīng)考慮受電弓在正線和側(cè)線轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)，任何方向都應(yīng)滿足始觸區(qū)范圍的布置要求。（3）標(biāo)準(zhǔn)等高定位點(diǎn)位于兩線間距600～800mm間。

當(dāng)正線、渡線接觸線進(jìn)入任一受電弓始觸區(qū)范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生受電弓中心線兩側(cè)均有接觸導(dǎo)線分布，大號(hào)道岔區(qū)線岔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一就是通過(guò)輔助三線實(shí)現(xiàn)接觸線在該受電弓中心線兩側(cè)的不對(duì)稱布置，使受電弓在通過(guò)時(shí)能向相鄰始觸線傾斜，避免鉆弓；其次，三支接觸線等高點(diǎn)位置需要結(jié)合受電弓始觸區(qū)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確選取?？傊啦硖幗佑|導(dǎo)線的空間如何定位，關(guān)鍵取決于受電弓的尺寸和始觸區(qū)標(biāo)準(zhǔn)范圍的靈活掌握，盡量采用錨段關(guān)節(jié)式的立面切入取代平面切換，才能提供安全可靠性。

在工程中實(shí)際運(yùn)用最多的一般車站到發(fā)線正線18#道岔區(qū)，高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)型無(wú)交分線岔方案，在2009年3月的試驗(yàn)和隨后的聯(lián)調(diào)聯(lián)試高速試驗(yàn)的工程驗(yàn)收過(guò)程中得到了成功驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了側(cè)向通過(guò)速度130km/h（取決于道岔側(cè)線本身限制）、正線通過(guò)速度無(wú)接觸不限速通過(guò)1950mm寬受電弓條件下接觸網(wǎng)世界創(chuàng)新技術(shù)。

另外，在具備實(shí)現(xiàn)輔助3線定位如43#大道岔區(qū)，系統(tǒng)采用按4跨絕緣關(guān)節(jié)進(jìn)行過(guò)渡、在側(cè)向通過(guò)線關(guān)節(jié)布置方案，58#道岔處可按5跨絕緣關(guān)節(jié)進(jìn)行過(guò)渡區(qū)域，采用了類似法國(guó)高速鐵路采用的切線式3線輔助懸掛方案，其區(qū)別是在1950mm寬型受電弓更為苛刻條件下實(shí)現(xiàn)的，突破了專業(yè)教科書(shū)定義的僅僅窄型受電弓適用無(wú)交分或切線式3線輔助懸掛過(guò)渡方案的禁區(qū)。

3.2 無(wú)砟軌道線路結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)電氣貫通、安全、軌道電路信號(hào)傳輸模式的兼容

在高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350方案中，對(duì)回流、軌道接地、等電位設(shè)計(jì)導(dǎo)則及相關(guān)工程實(shí)施細(xì)則作了深入系統(tǒng)的研究，由于客運(yùn)專線線路道床結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的改變，對(duì)地泄漏電阻大大提高，但信號(hào)制式?jīng)Q定了鋼軌既要傳輸牽引回流，又要作為信號(hào)回路，大電流工作接地和安全接地?zé)o法隔離，必須考慮與零電位的電位平衡連接。鋼軌作為主要的電氣回路之一，如不特別處理，其對(duì)地電位將超出安全范圍，威脅信號(hào)設(shè)備和人身安全。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50122-1《鐵路應(yīng)用，固定地面設(shè)備，關(guān)于電氣安全性和接地的保護(hù)措施》等標(biāo)準(zhǔn)，要求對(duì)電壓極限值進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)接口設(shè)計(jì)及其采取相應(yīng)的接地及電位平衡控制措施，滿足“軌道接地要求”、“電位平衡要求”。通過(guò)設(shè)定或改變整體道床內(nèi)部鋼筋的分布和連接，應(yīng)兼顧最小的對(duì)信號(hào)回路的電磁感應(yīng)和/或電容耦合和有利于“接觸網(wǎng)和受電弓接地區(qū)域”內(nèi)的金屬接地體回路的構(gòu)成，首次在無(wú)砟軌道區(qū)域?qū)崿F(xiàn)滿足“接觸網(wǎng)和受電弓接地區(qū)域”的“可靠的大電流安全閃絡(luò)保護(hù)通道的軌道接地要求”，更是實(shí)現(xiàn)了軌道電路信號(hào)傳輸模式的兼容，弱電傳輸?shù)膿p耗影響最小的工程目標(biāo)。

[1]鄂科鑒字[2005]第200443010號(hào) 牽引供電設(shè)計(jì)用高速機(jī)車車輛參數(shù)的仿真擬合[S]，2005

[2]鄂科鑒字[2002]第22343107號(hào) 交流電氣化鐵路牽引供電及接觸網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[S]，2002

[3]鄂科鑒字[2005]第21383090號(hào) 客運(yùn)專線鐵路接觸網(wǎng)SiFCAT350的工程技術(shù)研究[S]，2005

[4]鄂科鑒字[2005]第22173138號(hào) 牽引網(wǎng)電壓、電流分布及接觸網(wǎng)工程接地技術(shù)研究[S]，2005

[5]EN 50119:2001 Railway applications Fixed installations, Electric traction overhead contact lines[S]，2002

[6]EN 50122-1:1997 Railway applications-Fixed installations-Part 1: Protective provisions relating to electrical safety and earthing[S]，1997

[7]EN 50121-5:2000 Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 5 Emission and immunity of fixed power supply installations and apparatus[S]，2001

[8]DIN 48201.Copper stranded conductors[S]，1981

[9]EN 50149 Railway applications-Fixed installations; Electric traction-Copper and copper alloy grooved contact wires[S]，2001

[10]IEC 60913 Electric traction overhead lines[S]，2001

[11]UIC 505-1 Railway transport stock-Rolling stock construction gauge[S]，1997

[12]UIC 505-5 Gemeininsame Grundbedingungen fur Eisenbahnfahrzeuge Fahrzeugbegrenzungslinien,, Basic conditions common to Leaflets 505-1 and 505-4[S]，1977

[13]TSI Special standards for European interoperability common for free access on several electrified networks[S]，2005

[14]UIC 799-0 Characteristics of direct-current overhead contact systems for lines worked at speeds of over 200km/h[S]，2000

[15]EN 50124 Relevant standard for insulation[S]，2001

責(zé)任編輯王志明

戚廣楓：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，湖北 武漢，430063