淺談強(qiáng)風(fēng)地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備選型優(yōu)化

張 建

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淺談強(qiáng)風(fēng)地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備選型優(yōu)化

張 建

近年來我國在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營方面取得了一定成效，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題和缺陷。本文通過對(duì)產(chǎn)生問題和缺陷的原因進(jìn)行分析、歸類，提出針對(duì)性優(yōu)化建議，以期為強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營提供借鑒。

強(qiáng)風(fēng)區(qū)；接觸網(wǎng)設(shè)備；選型；優(yōu)化

0 引言

中國鐵路憑借過硬的技術(shù)和成熟的運(yùn)營管理模式，走出去的步伐不斷加快，是推動(dòng)“一帶一路”建設(shè)的排頭軍。在“一帶一路”沿線的強(qiáng)風(fēng)以及強(qiáng)風(fēng)引起的其他衍生惡劣環(huán)境下，特別是電氣化鐵路的接觸網(wǎng)系統(tǒng)受風(fēng)、雪、雷、電等自然災(zāi)害的影響較大，其穩(wěn)定性直接影響鐵路的安全高效運(yùn)營。筆者通過參與蘭新線、蘭新二線風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)工程施工、試驗(yàn)，總結(jié)歸納了建設(shè)、運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)理論研究成果，對(duì)產(chǎn)生問題的原因進(jìn)行分析，并對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備選型提出優(yōu)化建議。

1 強(qiáng)風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)研究現(xiàn)狀

2002年，鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院開始研究蘭新線電氣化改造的可行性，進(jìn)行了強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下接觸網(wǎng)空氣動(dòng)力學(xué)研究，得出簡單鏈形懸掛受風(fēng)影響較小，無擋風(fēng)墻區(qū)段跨距不宜大于45 m，有擋風(fēng)墻區(qū)段跨距不宜大于40 m；強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下，強(qiáng)側(cè)風(fēng)引起接觸線張力增量達(dá)9%左右，腕臂受風(fēng)應(yīng)力集中在斜腕臂與平腕臂的連接點(diǎn)、定位器支座、定位器本體等位置的結(jié)論。

2009年3月，鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院受原鐵道部計(jì)劃司委托，聯(lián)合施工單位、設(shè)備制造商、中南大學(xué)等單位在蘭新線十三間房車站廢棄線路上擋風(fēng)墻的迎風(fēng)側(cè)架設(shè)接觸網(wǎng)1.025條公里，通過數(shù)據(jù)采集和分析，現(xiàn)場監(jiān)測初步結(jié)果為：（1）最大風(fēng)力14級(jí)以下，接觸網(wǎng)各測點(diǎn)純風(fēng)偏均在100 mm以內(nèi)，純風(fēng)抬升量不超過23 mm；（2）關(guān)節(jié)處兩支接觸線擺動(dòng)頻率與幅度基本一致；（3）接觸網(wǎng)導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)角一般在±5°以內(nèi)；（4）接觸網(wǎng)支柱垂直線路方向擺動(dòng)量一般在10 mm以內(nèi)。

2 施工和運(yùn)營中出現(xiàn)的典型問題及分析

2010年10月，基于初步擬定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在既有蘭新線十三間房（含車站）—大步區(qū)間典型風(fēng)口地段安裝了10正線公里接觸網(wǎng)。2012年12月31日開通運(yùn)營后，蘭新線發(fā)生了多起事故。蘭新第二雙線于2010年已經(jīng)開始接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，為了避免10 km試驗(yàn)段試驗(yàn)時(shí)的問題，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整，但在建設(shè)過程中及開通運(yùn)營后，仍然引發(fā)了一些事故，造成了不同程度的損失。

2.1 接觸網(wǎng)設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性方面

2011年6月，強(qiáng)風(fēng)區(qū)煙墩—雅子泉區(qū)段的混凝土墜砣串在大風(fēng)時(shí)擺動(dòng)嚴(yán)重，發(fā)生墜砣脫落或墜砣相對(duì)位移的現(xiàn)象。其主要原因是未將該區(qū)段列入強(qiáng)風(fēng)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，墜砣限制架仍然采用鐵標(biāo)單鋼管限制混凝土墜砣串。開通前全部更換為防風(fēng)型雙鋼管限制架，并將墜砣串進(jìn)行加固。

2011年10月，蘭新線大風(fēng)區(qū)連續(xù)發(fā)生3起承力索終端錨固線夾脫落事件，主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量不能滿足大風(fēng)區(qū)使用要求，沒有經(jīng)過嚴(yán)格試驗(yàn)，施工單位在材料進(jìn)場驗(yàn)收時(shí)也忽視了批次檢驗(yàn)報(bào)告。最后將大風(fēng)區(qū)終端錨固線夾全部更換。

2014年10月，蘭新二線聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，隔離開關(guān)引線脫落造成動(dòng)檢車受電弓損壞及多個(gè)錨段接觸網(wǎng)受損（圖1），對(duì)運(yùn)營安全造成極大威脅。主要原因是隔離開關(guān)和避雷器引線采用線鼻子壓接，脫落后懸吊在線路正上方。開通前按設(shè)計(jì)要求將開關(guān)處2根支柱（引線）連成一體，在支柱上增加引線固定橫擔(dān)。目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中要求避雷器必須增加引線支撐絕緣子，并能承受設(shè)計(jì)拉斷力。

圖1 蘭新二線開關(guān)引線脫落事故現(xiàn)場

2015年11月蘭新二線開通運(yùn)營后，嘉峪關(guān)供電段管轄范圍內(nèi)出現(xiàn)多起隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)脫落事件，風(fēng)沙造成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件失效，調(diào)度所無法進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)操作。

蘭新線和蘭新二線施工過程中，還先后出現(xiàn)了吊弦線夾斷裂、吊弦護(hù)套脫落、彎形定位管斷裂、定位器斷裂、承力索座脫落、棘輪破裂等事件。主要原因是生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)存在問題，部分批次的產(chǎn)品無法滿足大風(fēng)區(qū)零部件的技術(shù)參數(shù)。

2.2 接觸網(wǎng)設(shè)備持久性和耐用性方面

2010年10月，在十三間房10 km試驗(yàn)段驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別電連接存在斷股現(xiàn)象，懸掛接觸網(wǎng)終點(diǎn)標(biāo)的鐵絲被磨斷；2012年3月，發(fā)現(xiàn)在十三間房—大步區(qū)間正饋線懸掛的雙耳型V形聯(lián)板磨損嚴(yán)重，同時(shí)懸掛供電線的球頭掛環(huán)幾乎被磨斷，雙支供電線的鋁線在等距線夾處也幾乎全部被磨斷，而上述零件安裝還不到一年時(shí)間。主要原因是零部件連接部位存在間隙，大風(fēng)舞動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電位差，造成電腐蝕。經(jīng)過設(shè)計(jì)單位研究，改用軸套式連接對(duì)零件進(jìn)行了更換，并對(duì)供電線進(jìn)行了改造。

2014年10月，供電段反饋錨段關(guān)節(jié)和線岔處采用的弓形定位器為鉤環(huán)連接，長時(shí)間在大風(fēng)作用下磨損嚴(yán)重，定位器容易從缺口處脫落。最終全部更換為法式銷軸連接定位器，并在定位器與斜腕臂之間設(shè)置等電位連接線。

2.3 接觸網(wǎng)設(shè)備在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境適應(yīng)性方面

強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)沙對(duì)電氣化設(shè)備的破壞性非常大。2010年10月，在十三間房—大步區(qū)間對(duì)檢驗(yàn)批進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)多處瓷質(zhì)棒式絕緣子的裙邊損壞，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，損壞絕緣子全部集中在挖方地段，主要是由于強(qiáng)風(fēng)刮起的卵石落入挖方地帶直接擊打了棒式絕緣子。

2014年8月，通過錄像觀測，蘭新二線百里風(fēng)區(qū)和三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)口地段擋風(fēng)墻上方形成渦流使附加線在跨中大幅舞動(dòng)，造成線索在懸掛點(diǎn)處承受的應(yīng)力過大，正饋線和保護(hù)線在懸掛點(diǎn)處鋁線散股報(bào)廢。其原因是對(duì)大風(fēng)造成的附加線舞動(dòng)和擋風(fēng)墻處大風(fēng)產(chǎn)生渦流沒有足夠重視，片面地認(rèn)為十三間房試驗(yàn)段取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)具有完整的代表性。采取的補(bǔ)救措施包括更換附加線、增大附加線張力、將保護(hù)線降到擋風(fēng)墻以下、在跨中將附加線在擋風(fēng)墻上固定、將正饋線懸掛點(diǎn)通過絕緣子在保護(hù)線肩架上固定、將保護(hù)線改為懸掛式架設(shè)、對(duì)連接零件全部改用軸套式連接、增加防舞鞭等，但上述措施的適應(yīng)性還需要較長時(shí)間檢驗(yàn)。

2.4 接觸網(wǎng)設(shè)備平面布置和立面布置方面

2010年10月，十三間房—大步區(qū)間10 km試驗(yàn)段錨段關(guān)節(jié)中心柱處部分定位器及定位管距接觸線距離過小，大風(fēng)時(shí)接觸線上下跳動(dòng)，將定位器打出缺口（圖2）。在十三間房車站交叉線岔處，由于交叉線岔要求限制管對(duì)導(dǎo)線起到限制作用，接觸線長期擊打限制管，造成限制管損壞。

圖2 定位器被打出缺口

2010年10月，十三間房—大步區(qū)間因保護(hù)線磨損正饋線拉線，保護(hù)線的尾線磨損下錨碗頭掛板，導(dǎo)致多處保護(hù)線鋁外包層散股，原因是保護(hù)線在支柱順線路中心下錨與正饋線拉線在空間上產(chǎn)生沖突?，F(xiàn)場采取了調(diào)整下錨抱箍角度、纏繞預(yù)絞絲等臨時(shí)處理措施。

受支柱容量的限制，強(qiáng)風(fēng)區(qū)的承導(dǎo)線分別在不同支柱上下錨，按以往的施工工藝將關(guān)節(jié)電連接安裝在轉(zhuǎn)換柱與下錨柱之間，由于線面不正，電連接線夾扭面嚴(yán)重，造成散股。

3 強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備選型及優(yōu)化建議

強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工是在不斷摸索中進(jìn)行改進(jìn)和總結(jié)的，雖然從管理層面出臺(tái)了一些基本原則規(guī)范，但還需要進(jìn)一步細(xì)化。

3.1 從設(shè)計(jì)方面對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備選型的優(yōu)化建議

（1）支柱基礎(chǔ)。應(yīng)采用挖孔樁基礎(chǔ)，保證路基穩(wěn)定；采用圓鋼管柱保證支柱受力均勻；針對(duì)泥巖、濕陷性黃土、砂礫土、鹽堿地段，對(duì)支柱和基礎(chǔ)應(yīng)采取相應(yīng)的防塌方、防膨脹或防腐蝕措施。

（2）支持結(jié)構(gòu)。支持結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很大，提高支持結(jié)構(gòu)的剛度可以獲得良好的穩(wěn)定性能，減免屈曲破壞；應(yīng)結(jié)合國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)過驗(yàn)證的防風(fēng)型整體式腕臂結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對(duì)零部件之間因公差配合、溫差變化、應(yīng)力變化、零件滑動(dòng)等引發(fā)的問題，使其更適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)的環(huán)境。

（3）下錨裝置應(yīng)采用棘輪補(bǔ)償裝置、鐵墜砣、防風(fēng)型墜砣限制架。

（4）吊弦。在線岔、錨段關(guān)節(jié)非工作支處可以采用柔性吊弦或開發(fā)可調(diào)式剛性吊弦，以便于施工和維護(hù)；結(jié)構(gòu)高度和跨距對(duì)接觸網(wǎng)承載能力影響較大，高度和跨距越小，靜態(tài)穩(wěn)定性能越好，考慮結(jié)構(gòu)高度和經(jīng)濟(jì)性，吊弦數(shù)取8個(gè)最為適宜。

（5）絕緣子。應(yīng)盡量采用瓷絕緣子以降低紫外線的影響，但是在挖方地帶、污染地段或容易出現(xiàn)閃絡(luò)的地段，應(yīng)采用硅橡膠絕緣子；為了增大爬距，防止被短接，絕緣子必須采用大小裙邊，對(duì)裙邊的間距必須提出具體要求。

（6）附加線應(yīng)全部采用V形懸掛，供電線的等距線夾采用預(yù)絞式等距護(hù)線條，供電線的連接全部采用肩架和柱式絕緣子固定，并應(yīng)安裝防舞鞭；對(duì)向下錨采用偏心下錨固定角鋼，避免保護(hù)線、正饋線磨損拉線；正饋線的下錨杵環(huán)桿過長會(huì)造成對(duì)錨連線與接地體的空氣絕緣距離不足，建議由30型改為12型。

（7）接觸網(wǎng)設(shè)備。避雷器與隔離開關(guān)同底座安裝，不宜單獨(dú)設(shè)置引線，以減少電連接故障點(diǎn)，且所有引線宜采用二次加固措施；隔離開關(guān)宜采用上下開合式，防止刀閘開合存在問題；強(qiáng)風(fēng)地區(qū)戶外操作機(jī)構(gòu)箱及端子箱宜采用雙層防寒、防沙箱體，并在箱內(nèi)安裝智能型加熱器；接觸網(wǎng)終點(diǎn)標(biāo)、作業(yè)標(biāo)、斷合標(biāo)均宜設(shè)在地面，并采取加固措施。

（8）設(shè)計(jì)階段時(shí)必須考慮現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境，特別是既有線、擋風(fēng)墻、接觸網(wǎng)周圍環(huán)境的影響因素；必須認(rèn)真考慮線索交叉處零件間的間隙，包括接觸間隙及空氣放電間隙；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免交叉，必須交叉時(shí)需考慮零部件之間的距離，盡可能加大其間距，或采取可靠的防磨措施；電連接線與承力索應(yīng)進(jìn)行綁扎，承導(dǎo)線之間不做彈簧圈；應(yīng)充分考慮大風(fēng)引起的承力索和接觸線跳動(dòng)或擺動(dòng)以及對(duì)零部件間距離的影響，如全線應(yīng)采用單重絕緣，承力索交叉處采用固定式懸掛，風(fēng)區(qū)全部采用無交叉線岔防止線岔與導(dǎo)線之間的磨損；將錨段關(guān)節(jié)內(nèi)等高點(diǎn)設(shè)在跨中，或者改變定位器結(jié)構(gòu)，以加大導(dǎo)線與另一支定位器的垂直距離；水平繩在順線路方向不采用V形懸掛；強(qiáng)風(fēng)區(qū)范圍外一定距離的設(shè)備也應(yīng)納入風(fēng)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，支持結(jié)構(gòu)需驗(yàn)證拉出值與定位器受力的匹配性。

（9）設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化。設(shè)計(jì)階段充分征詢運(yùn)營管理單位的意見，提前進(jìn)行設(shè)計(jì)方案修訂；應(yīng)盡可能地減少連接件，當(dāng)不可避免需要采用連接件時(shí)，在連接件之間應(yīng)采取相應(yīng)預(yù)防磨損措施，如增加等電位線、采用軸套式連接、采用耐磨型材料等。

3.2 強(qiáng)風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)施工時(shí)應(yīng)注意的問題

應(yīng)不斷總結(jié)典型風(fēng)區(qū)電氣化鐵路的施工和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，特別是在開口銷、平墊、彈墊、止動(dòng)墊安裝等方面應(yīng)嚴(yán)格按照零部件安裝以及力矩要求安裝到位，防止零部件松脫；承導(dǎo)線及附加線在下錨時(shí)需釋放旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，防止下錨處線索偏轉(zhuǎn)。

施工單位對(duì)零部件的安裝及使用效果及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，并與設(shè)計(jì)單位溝通。施工前，對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的可實(shí)施性進(jìn)行分析論證，設(shè)備招標(biāo)選型時(shí)，對(duì)防風(fēng)方面應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)提出具體的要求。

建設(shè)、施工、監(jiān)理方應(yīng)對(duì)材料的進(jìn)場檢驗(yàn)嚴(yán)格把關(guān)，必須具備準(zhǔn)入證明、試驗(yàn)報(bào)告、出廠檢驗(yàn)報(bào)告、廠家按批次送第三方檢驗(yàn)的報(bào)告、現(xiàn)場見證抽樣送檢，確認(rèn)產(chǎn)品合格后才能使用，避免因廠家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)造成質(zhì)量隱患。

3.3 對(duì)強(qiáng)風(fēng)區(qū)運(yùn)營維護(hù)管理的建議

在運(yùn)營維護(hù)方面，設(shè)備管理單位應(yīng)重點(diǎn)巡察已出現(xiàn)問題的薄弱環(huán)節(jié)，增加巡檢頻次，對(duì)容易磨損的零部件進(jìn)行重點(diǎn)檢查，并采取更換老舊零件進(jìn)行試驗(yàn)的方法判斷其后續(xù)使用周期，為運(yùn)營可靠性提供依據(jù)。運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)反饋給主管部門和設(shè)計(jì)單位，以便提高整體施工和設(shè)計(jì)水平。

3.4 從管理層面需要考慮的問題

新產(chǎn)品的準(zhǔn)入必須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)和評(píng)審才能進(jìn)入風(fēng)區(qū)鐵路線路安裝，應(yīng)制定風(fēng)區(qū)零部件成套試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件的穩(wěn)定性、安全系數(shù)、耐磨次數(shù)進(jìn)行明確規(guī)定，保證風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備的使用壽命。

目前，我國關(guān)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在強(qiáng)風(fēng)區(qū)適應(yīng)性方面的研究起步不久。在整體概算方面，應(yīng)制定強(qiáng)風(fēng)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的單項(xiàng)定額或補(bǔ)充定額，在項(xiàng)目招標(biāo)階段應(yīng)考慮強(qiáng)風(fēng)地區(qū)必須增加的投資，不能單純考慮經(jīng)濟(jì)性和條公里指標(biāo)，避免因風(fēng)力因素引起施工費(fèi)用增加超過施工單位可承受范圍，從而影響施工質(zhì)量，造成諸多設(shè)計(jì)隱患長期存在，不利于我國鐵路事業(yè)的進(jìn)步。

4 結(jié)語

目前，我國沿海城市和“一帶一路”地區(qū)面臨電氣化鐵路建設(shè)的大好機(jī)遇，強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國“一帶一路”的戰(zhàn)略和鐵路可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

我國目前取得的接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)研究成果，結(jié)合了我國風(fēng)區(qū)鐵路的實(shí)際情況，滿足了現(xiàn)階段的需求。建議針對(duì)施工和運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)的問題，繼續(xù)深入研究，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并能夠細(xì)化到接觸網(wǎng)平面圖、安裝圖、產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書中，基于長期運(yùn)營進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，不斷改進(jìn)、完善，提高并形成一套完整的風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)，以確保強(qiáng)風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)安全穩(wěn)定，也為后續(xù)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)電氣化鐵路建設(shè)、既有線改造施工提供有力的技術(shù)支持。

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In recent years, certain achievements have been obtained from design, construction and operation of overhead contact line system of electrified railways in strong wind region in our country, however, some problems and defects are still existed. On the basis of analyzing and classification of causes of the problems and defects, the paper puts forward the proposals particular for their optimization so as to provide reference for design, construction and operation of overhead contact line system in the strong wind region.

Strong wind region; overhead contact line system equipment; type selection; optimization

U227+.3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.013

1007-936X(2018)01-0053-04

2018-01-02

張 建.中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師。