電氣化鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長度計算探討

楊 佳，魯小兵，陳 可，繆曉宇，楊 承

0 引言

隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，為考慮供電的靈活性和可靠性，需設(shè)置接觸網(wǎng)隔離開關(guān)[1]。接觸網(wǎng)隔離開關(guān)設(shè)置于接觸網(wǎng)沿線，一端通過軟銅絞線和線夾與接觸網(wǎng)的承力索及接觸線電氣連接，另一端在隔離開關(guān)的設(shè)備線夾或支撐絕緣子處安裝固定。目前，對于隔離開關(guān)引線（以下簡稱“引線”）的安裝長度，現(xiàn)場一般根據(jù)引線兩端點間距離、環(huán)境溫度，結(jié)合施工經(jīng)驗適當考慮引線弛度直接確定。該方式施工簡捷，但精度較差，未充分考慮溫度、覆冰及風速等多種工況下接觸網(wǎng)、引線各種線索的長度變化，以及對線索、線夾等安裝荷載的影響。隨著近年來低溫、重覆冰以及大風等極端天氣頻發(fā)，極易出現(xiàn)引線等弛度過大而導致電氣絕緣距離不夠[2]，或引線張拉過緊而導致引線脫落或線夾斷裂等問題，引發(fā)接觸網(wǎng)停電跳閘，嚴重時導致列車停運甚至行車安全事故。因此，接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長度的確定及安裝非常重要，其可靠性、穩(wěn)定性已成為影響電氣化鐵路正常運行的關(guān)鍵因素之一。

本文基于電氣化鐵路接觸網(wǎng)服役特性、隔離開關(guān)及引線安裝特征，結(jié)合工程各種環(huán)境工況，提出引線長度計算方法、步驟，同時推導各種安裝工況下的引線長度計算式，并給出實際工程計算示例。

1 隔離開關(guān)引線安裝方案

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)安裝在線路側(cè)支柱上，用于接觸網(wǎng)的供電分段，當某一側(cè)接觸網(wǎng)發(fā)生故障或因檢修需要停電時，可打開該分段處的隔離開關(guān)，將該部分接觸網(wǎng)斷電，而其他部分接觸網(wǎng)仍能正常供電，從而提高了接觸網(wǎng)運行的可靠性和靈活性。

引線用于隔離開關(guān)本體與接觸網(wǎng)間的電氣連接，從安裝位置上來看，一般可分為如下兩種情形：（1）引線相對隔離開關(guān)遠離中心錨結(jié)安裝，即隔離開關(guān)位于引線與中心錨結(jié)之間，如圖1（a）所示；（2）引線相對隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝，即隔離開關(guān)位于引線與下錨之間，如圖1（b）所示。

圖1 隔離開關(guān)引線安裝示意

2 隔離開關(guān)引線安裝工況

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長度的選取主要考慮接觸網(wǎng)、引線長度及空間位置變化后引起相應(yīng)線索電氣絕緣間隙、機械荷載等性能變化，因此，在進行引線長度計算時，應(yīng)結(jié)合工程實際情況充分考慮各種極限工況?；谖覈姎饣F路接觸網(wǎng)工作條件，極限工況應(yīng)至少包括最低氣溫、最高溫度、最大覆冰、最大風速等4種計算工況[3]，典型工況極限取值見表1。

表1 引線長度計算典型工況

3 隔離開關(guān)引線計算

3.1 計算方法及步驟

基于接觸網(wǎng)服役特性以及隔離開關(guān)、引線安裝特征，結(jié)合設(shè)計圖紙及現(xiàn)場測量，經(jīng)綜合研究與分析，得出與接觸網(wǎng)相連的隔離開關(guān)引線長度的計算方法及步驟：

（1）現(xiàn)場測量或根據(jù)設(shè)計圖紙確定隔離開關(guān)引線在隔離開關(guān)設(shè)備線夾處安裝固定點與承力索間的垂直和水平距離。

（2）現(xiàn)場測量或根據(jù)設(shè)計圖紙確定引線與承力索連接固定點距中心錨結(jié)裝置的距離。

（3）根據(jù)承力索的線脹系數(shù)，結(jié)合溫度、覆冰及風速等工況環(huán)境條件，確定引線與承力索連接固定點隨溫度變化的偏移量，以及引線在隔離開關(guān)設(shè)備線夾處的安裝固定點及與承力索連接固定點間的距離。

（4）根據(jù)引線的線脹系數(shù)，結(jié)合引線許用應(yīng)力或安裝允許張力，確定引線在不同工況環(huán)境條件的長度。

（5）結(jié)合引線在線夾處的安裝、固定、綁扎長度，確定引線所需長度。

3.2 簡化計算式

結(jié)合上述引線計算方法及步驟，為方便現(xiàn)場施工并實現(xiàn)準確性及便捷性，結(jié)合圖1，其簡化計算式推導如下：

（1）現(xiàn)場測量或根據(jù)設(shè)計圖紙確定引線在隔離開關(guān)線夾處固定點（A）與其連接承力索上投影點（E）的垂直距離（LAO）以及水平距離（LOE）。

（2）在接觸網(wǎng)腕臂和定位器正常位置的溫度時，根據(jù)設(shè)計圖紙確定引線與承力索連接固定點（C）與該接觸網(wǎng)錨段中心錨結(jié)裝置間的距離（LZ-C）以及與E點間的距離LEC正。

（3）結(jié)合工程環(huán)境條件，分別確定在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰以及最大風速4種環(huán)境工況下引線與承力索連接固定點（C）隨溫度變化偏移（至B或D）后，與引線在隔離開關(guān)線夾固定點（A）間的距離（HAD）。由于接觸網(wǎng)導線隨溫度變化熱脹冷縮，并與接觸網(wǎng)下錨墜砣位置密切相關(guān)，因此，HAD的確定需充分考慮引線與下錨（或中心錨結(jié)）間的相互位置關(guān)系，結(jié)合第1節(jié)中引線安裝位置，HAD的計算應(yīng)包含以下兩種情況：

a.引線相對隔離開關(guān)遠離中心錨結(jié)安裝（即靠近接觸網(wǎng)下錨端），詳見圖1（a）。若溫度降低，引線與承力索連接固定點（C）向中心錨結(jié)處移動（至B），引線弛度將增加；若溫度升高，C點將向下錨端移動（至D），引線弛度將減小。由于引線長度較短，其自身變化量較小，與最大覆冰以及最大風速相比，最高溫度顯然應(yīng)屬于最不利工況，此時引線安裝長度一般可按最高溫度工況進行控制，計算式如下：

式中：tmax為最高計算溫度，℃；tmin為最低氣溫，℃；α為承力索線脹系數(shù)，1/℃。

b.引線相對隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝（即遠離接觸網(wǎng)下錨端），詳見圖1（b）。若溫度升高，引線與承力索連接固定點（C）向接觸網(wǎng)下錨端移動（至B），引線弛度增加；若溫度降低，C點將向接觸網(wǎng)下錨端移動（至D），引線弛度減小。結(jié)合接觸網(wǎng)工程特點，此時引線安裝長度一般可按最低氣溫或最大覆冰工況進行控制。

最低氣溫時，計算式同式（1）。

最大覆冰時：

式中：tb為最大覆冰時溫度，℃。

（4）根據(jù)引線的許用應(yīng)力或安裝允許工作張力，分別確定引線在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰及最大風速4種環(huán)境工況時的線索長度[4]：

式中：g為引線在不同環(huán)境工況下的荷載，N；N為引線的許用應(yīng)力或安裝允許工作張力，N。

（5）結(jié)合引線兩端安裝、固定及綁扎等所需長度（L安裝綁扎），并考慮施工裕量50mm，最終確定引線的安裝長度L：

4 工程計算示例及驗證

4.1 工程計算示例

某工程項目環(huán)境工況組合如下：最高計算溫度80℃（覆冰0mm、風速0m/s）；最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0m/s）；最大覆冰20mm（溫度?5℃、風速10m/s），最大風速30m/s（覆冰0 mm、溫度10℃）。承力索采用銅合金絞線（線脹系數(shù)為0.17×10-4）[5]；隔離開關(guān)引線采用TJR1-95（外徑14.28mm、單位質(zhì)量0.895kg/m），許用應(yīng)力23500N，其安裝允許工作張力500N。引線相對隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝度?，F(xiàn)根據(jù)第3節(jié)中引線長度計算方法、步驟計算隔離開關(guān)引線長度。

（1）現(xiàn)場測量或根據(jù)設(shè)計圖紙確定：LAO=3m，LOE=3.1m。

（2）在腕臂和定位器正常位置時的溫度，根據(jù)設(shè)計圖紙確定：LEC正=5.5m，LZ-C=600m。

（3）根據(jù)計算式計算線索長度HAD。

工況1：最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0 m/s）時，由式（1）可得HAD= 7.48m。

工況2：最大覆冰20mm（溫度?5℃，風速10m/s）時，由式（2）可得HAD= 7.19m。

（4）結(jié)合引線安裝的允許工作張力（500N），根據(jù)式（3）計算LAD。

工況1：最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0 m/s）時，LAD= 7.49 m。

工況2：在最大覆冰20mm（溫度?5℃，風速10m/s）時，LAD= 7.24 m。

綜上，引線安裝長度在考慮允許工作張力及最低氣溫（工況1）時為最不利工況，LAD=7.49m。

（5）結(jié)合引線兩端安裝、固定、綁扎等所需長度L安裝綁扎=100mm，以及施工裕量50mm，且考慮引線距接地體以及其他線索較遠，最終確定該工點的隔離開關(guān)引線安裝長度L為7640mm。

4.2 工程驗證

結(jié)合成渝客專提質(zhì)改造工程，選取最大風速時工況為最不利工況，計算確定出隔離開關(guān)引線安裝長度的理論值；同時對現(xiàn)場安裝的隔離開關(guān)引線進行多次測量，并與理論計算值進行對比（表2），可知理論計算值與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)差距非常小，在工程應(yīng)用中可忽略不計，驗證了本文提出的簡化計算式的正確性及實用性。

表2 計算實例計算結(jié)果對比 m

5 結(jié)論

本文結(jié)合接觸網(wǎng)服役特性，充分考慮工程多種環(huán)境工況，提出接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長度計算方法、步驟，并推導出簡化計算式，通過工程項目現(xiàn)場測試驗證，該方法簡單、高效、易用，計算結(jié)果精準，避免了事故隱患，可替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗操作方法，同時也為引線施工工廠化預配提供了理論數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化了高質(zhì)量、精細化設(shè)計及施工工藝控制[6]，有利于推進精品工程建設(shè)，保障電氣化鐵路可靠、穩(wěn)定運行。