第四章我国适用的高速铁路接触网模式研究

第四章我国适用的高速铁路接触网模式研究4、1引言研究高速铁路接触网的最终目的，是为了提高我国高速铁路接触网的设计和施工水平，推动我国高速铁路技术发展。本章在参考借鉴国外技术标准和实践经验的基础上，通过计算机仿真并结合我国的实际情况，对适合我国的高速铁路接触网模式进行研究。4.2悬挂类型选择悬挂类型是高速铁路接触网设计和施工的最基本参数.高速铁路接触网对悬挂类型的要求，是能够提供良好的受流质量、寿命长、少维修、故障率低，同时应该有较高的性能价格比。目前国外高速铁路接触网大体有三种悬挂类型:以日本为代表的复链型悬挂、以德国为代表的弹性链型悬挂和以法国为代表的简单链型悬挂。在相同条件下对这三种悬挂类型进行计算机仿真，仿真结果表明它们均能满足高速要求。简单链型悬挂和其他两种悬挂类型相比，受流质量相差不多，但是结构简单、施工维护都很方便，工程造价也低得多。从我国己建成并投入运营的广深线、秦沈线实际情况来看，综合受流、成本、施工、运营和维护等各方面的因素，我国的高速铁路接触网宜选用简单链型悬挂。简单链型悬挂技术参数为:接触网张力:15-20+20kN;跨距:不大于60m(隧内50m);预留弛度:0.5%0^'1.0%004.3悬挂主要参数选择4.3.1接触网结构高度从计算机仿真来看，高速接触网的结构高度对受流质量没有明显影响。结构高度仍由最短吊弦长度及最大跨距来确定，而最短吊弦长度由结构上允许的最短长度及该处网的弹性两方面来确定.综合国内外的情况，最短吊弦一般为500-600mm,困难地段宜取250-400mm。由此，结构高度宜大于1.4m，特殊区段可采用1.lm。4.3.2接触线高度接触线高度应尽可能低。较低的接触线高度有利于改善受电弓的特性参数，减少隧道及跨线建筑物的净空高度，减小支柱容量和工程量，降低造价。接触线高度应满足高速、中速跨线车辆的建筑限界及受电弓的工作范围。由于高速线车辆限界仍采4800mm，综合考虑其他因素，接触线高度以5300-5500mm为佳。4.3.3跨距根据计算机仿真结果和国外情况，高速接触网的标准跨距为60mm，最小跨距不小于50mm。4.3.4锚段长度锚段长度主要考虑:接触线张力的增量不宜超过10%，补偿应灵活；定位器偏移应在允许范围内；在温度变化范围内，导线高度变化应在允许范围内。根据计算机仿真结果和国外情况，锚段长度不宜大于1200-1400m。4.3.5锚段关节型式根据计算机仿真结果和国外情况，非绝缘关节宜采用3-4跨式，绝缘关节宜采用4-5跨式，目前在实际工程中多采用奇数跨。4.4主要线材选型4.4.1接触线线材接触线性能是制约受流质量的关键，接触线的张力和波动传播速度对受流质量有着重要的影响〔19.29,21].从受流角度来看，接触线必须使用线密度较小、抗拉强度较高的线材。同时，由于列车速度的提高，当受电弓通过定位点、接头处和变化的接触线坡度时，容易形成离线而产生电弧。电弧会使接触线温度升高、机械强度下降、电腐蚀与机械损耗加剧，因而要求提高接触线的平直度、耐高温性能和耐磨性能。另外，电气化列车要具有高速和重载的能力，就必须提高接触线的载流能力，这可以通过提高接触线的电导率和增加其截面积来实现。但是电导率和抗拉强度往往相互矛盾，只有复合金属才能在一定范围内同时调节电导率和抗拉强度。所以，高速铁路的速度目标值为300km/h以上时，根据仿真研究并借鉴国外经验，对其接触线材提出以下倾向性意见:张力:25-30kN;线密度:1.1-1.2kg/m;机械强度:60-70N/mm2;拉断力:70-85kN(导线截面按120mm2);导电率:80%-85%IACS;高温下机械强度的降低率在10%以下；耐磨和耐腐蚀性能与铜电车线相当。这样的接触线材所构成的接触网，当运行速度为300km/h时，导线的波动传播速度520-595km/h范围内，列车速度和接触线波动传播速度之比为0.59-0.67。由于这类接触线在国内尚无正式运营的成熟产品，因此建议引进德国的MgCu120或者日本的GT-CSI10接触线。4.4.2承力索线材根据仿真研究，承力索对接触网的受流质量没有明显的影响。对承力索线材的选取需综合考虑载流量、接触线影响和结构高度等因素。1、承力索材料为减少由于承力索与接触线线胀系数不同而引起的吊弦顺线路偏斜、张力增量加大等，承力索的材料应该与接触线相同。2、承力索张力从受流角度来讲，对于300km/h以上的铁路，为满足对隧道、跨线建筑物净空的要求，承力索的张力取20kN为佳。3、承力索截面积牵引网的最大电流将达到1000A，考虑载流，承力索截面积不宜小于120mm2.4.5主要设备选型4.5.1电分相装置在机车高速行驶的情况下，通过降弓升弓的方式来实现电分相已经不再适用，必须采用先进的自动切换电分相装置。自动切换电分相装置主要有地面自动切换方式、车上自动切换方式、柱上自动切换方式三种，它们在电分相时都不需要司机进行操作，机车能满负荷通过。地面自动切换方式由地面开关站自动切换电分相.这种方式一次性投资较大，而且在切换过程中容易产生过电压，引起开关重燃及异相短路，造成重大事故。柱上自动切换方式由借车的牵引电流直接控制切换电分相。这种方式缺点是柱上开关无备用，且最高允许速度仅为200km/h。经过综合比较，地面电磁传感车上自动切换方式结构简单，价格低廉，并且由于采用锚段关节方式，对高速铁路接触网更为适用。4.5.2线岔线岔是关系行车安全的关键设备之一，根据国内外经验，弓网事故多发于此。线岔可分为交叉线岔和无交叉线岔(开放式线岔)。无交又线岔能够有效降低线岔处的硬点，无论机车从正线驶入站线。还是从站线驶入正线，受电弓都可以平稳过渡。另外，无交叉线岔可以适应多种形状的受电弓头，考虑京沪高速铁路属于混跑，其高速接触网宜采用无交叉线岔。4,6支持装置选型高速铁路接触网的支持装置应具备以下基本条件:1.容量大;2.高可靠性和稳定性;3要尽可能无维修或少维修;4.便于机械化施工，便于安装和调整;5.可以满足高速铁路接触网的精度要求。具体来讲，高速铁路接触网的支持装置主要包括以下几种。4.6.1支柱和基础在支柱选型方面，应首选等径圆支柱，标准化各类支架底座及其安装位置，有利于提高安装效率和支架底座的大规模生产。在车站上，为避免上、下行高速接触网的相互干扰，应尽可能用单腕臂柱的悬挂方式。在特殊困难地段，也可采用硬横梁的方式。随着支柱类型和容量的不同，可以采用桩基础、扩大基础、杯形基础、棱柱型基础等形式，以加强基础的抗倾覆力矩，增大与土壤的接触面积。在高架桥上可采用预留杯形基础或法兰盘连接方式。4.6.2横跨结构横跨结构分为软横跨和硬横跨。软横跨承力索属无补偿的悬挂索，受温度影响其伸缩变化较大，直接导致承力索和接触网高度发生较大的变化。当其中一支悬挂发生故障时，往往波及到其他的悬挂，使事故范围扩大。基于上述原因，在高速铁路站场或多线并行区段宜选用硬横跨，特殊情况也可选用带弹簧补偿器的软横跨。4.6.3腕臂结构及材料腕臂结构宜采用刚性水平腕臂、斜腕臂及防风支撑组成的可旋转腕臂，应具备防风能力，零件稳定不易滑动，杆件具备足够刚度。在材质上，采用如高强度的铝合金的材料。考虑高速受流对接触网稳定性及张力的要求，腕肴柱宜采用高强度棒式绝缘子。4.7主要零件选型4.7.1吊弦吊弦承担着负载接触线的任务，因此必须具备一定的机械强度。另外，吊弦上会通过一定的负载电流，考虑到受流方式有分散式受流(电动车组)和集中式受流(电力机车)，要求吊弦能够满足不同的受流要求。标准速度的接触网中常采用铁线环节式吊弦，当列车高速运行时，这种吊弦主要存在下列问题:(I)强度低;(2)耐腐蚀性差:(3)电火花烧伤及磨损严重;(4)精度低，需要经常调整;(5)容易使接触线发生振动，造成受电弓离线率增加。因此，在高速铁路接触网中，宜采用具有防振功能的载流式整体吊弦。通过整体弦的长度，来控制接触线对钢轨的高度并预留一定的弛度。吊弦由合金材质绞线制造〔如青铜绞线)，吊弦线夹采用铜镍硅或铝青铜合金材质制造，二者压接成一体以减少电磨耗。4.7.2定位器定位器装设处容易形成硬点。列车速度一旦提高，这些固定点处接触线的压力明显增大，同时不可避免地造成局部冲击。使用时间越长，磨耗量越大，导致该位置的接触线难以保持恒定的张力。为缓和硬点造成的影响，应该减轻定位器的重量。在保证既定强度和耐久性的前提下，尽量采用强度高、韧性好、质量轻、耐腐蚀的铝合金材质定位器。4.7.3张力补偿装置目前的张力自动补偿装置主要有日本的变比鼓轮补偿装置、德国的棘轮补偿装置和法国的滑轮组补偿装置。张力自动补偿装置应具备如下技术性能:(1)机械传动变比1:3-1:5;（2)机械传动效率不低于0.97;(3)质量不大于30kg。相比之下，法国的滑轮组补偿装置制造相对简单，传动比可调，适用范围较大，是高速铁路接触网首选的张力补偿装置。4.7.4电连接线夹电连接线夹要求导电性能好，抗冲击振动性能强，耐腐蚀，少维修。接触线电连接线夹本体可采用Tz纯铜，副板材质采用铸铝青铜，与电连接压接为一体。并沟电连接线夹采用两夹板紧固式，夹板材质为铝黄铜。4.7.5接触线接头线夹和终锚线夹接触线接头线夹宜采用夹板式螺栓紧固结构，夹板采用强度高的铜镍硅制造，夹板与接触线燕尾槽接触部分加工成锯齿形。当6个直径M12不锈钢螺栓紧固时，两夹板锯齿就紧紧嵌在接触线燕尾槽中使之不能滑脱。接触线终锚线夹可采用锥套式螺纹胀紧结构，本体采用铸铝青铜直径适当加大，锥楔采用铜镍硅制造。锥楔内圆加工有螺纹，当承受张力时硬度很高的螺纹紧紧嵌在接触线外表面使之不能滑脱，也可以采用双耳楔型线夹下锚。4.7.6承力索接头线夹和终锚线夹承力索接头线夹和终锚线夹应当适应承力索不同材质、直径的要求，并满足工作张力15-20kN机械性能的要求。锥套式终锚线夹质量轻、安装简单，国外用于铜绞线或钢绞线承力索下锚取得很好的效果。但是近年来，锥套式终锚线夹在我国一些线路上发生了铝包钢承力索抽脱情况。因此，对于GLJC-120/35型铝包钢承力索，应采用NLD-4倒装式螺栓型耐张线夹，还可以选用U螺栓紧固型线夹;对于GLJE-30/50型铝包钢承力索，可以采用柞座楔形线夹。在类似京沪高速铁路的重要千线上，如果采用锥套式终锚线夹，可以通过加长楔子、增加楔子齿数来提高锥套式终锚线夹的工作荷重和滑动荷重，保证下锚质量，另外，还可以采用双耳楔型线夹下锚。4.8小结高速铁路接触网选型属于设计环节，是接触网施工的前提。高速铁路能否安全高效地运营，最基本的就在于接触网的类型和参数是否合适。速度是最终的目标，必须借助计算机仿真技术对影响受流质量的因素进行多方面的分析、比较及综合，在参考借鉴国外经验、标准过程中，深入了解各国标准的差异及产生原因，结合我国的实际情况，才能确定我国适用的接触网模式。