鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的防災(zāi)研究

馬永廣

[摘? ? 要]鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)常面臨各種災(zāi)害的困擾，造成自身性能受損，若能借助仿真設(shè)計(jì)方法，明確防災(zāi)思路，可保障接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整性。在此之上，本文簡(jiǎn)要分析了鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型及其設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合影響要素，從冰災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、冰風(fēng)災(zāi)等三個(gè)方面的防災(zāi)方法展開論述，促使鐵路牽引供電系統(tǒng)擁有良好的運(yùn)行可靠性。

[關(guān)鍵詞]鐵路牽引供電系統(tǒng);接觸網(wǎng);覆冰載荷

[中圖分類號(hào)]U225.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–0–02

Research on Disaster Prevention of Catenary Structure

of Railway Traction Power Supply System

Ma Yong-guang

[Abstract]The catenary structure of the railway traction power supply system often faces various disasters， causing its own performance to be damaged. If the simulation design method is used to clarify the disaster prevention ideas， the structural integrity of the catenary can be guaranteed. On top of this， this article briefly analyzes the type of catenary structure of railway traction power supply system and its design requirements， and combines influencing factors to discuss disaster prevention methods from three aspects： ice disasters， wind disasters， and ice wind disasters. The industry gives reference to promote the railway traction power supply system to have good operational reliability.

[Keywords]railway traction power supply system; catenary; icing load

作為電氣化鐵道中布設(shè)于鋼軌上空的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，常用于高壓輸電線，在鐵路系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)大體上包含定位裝置以及支柱、接觸懸掛等部分。在實(shí)際運(yùn)行期間，多呈現(xiàn)“之”字形。由于各地降雨降雪頻率、風(fēng)力風(fēng)向不同，造成鐵路接觸網(wǎng)常因?yàn)?zāi)害出現(xiàn)自身穩(wěn)定性降低后果。此時(shí)，若能在不同工況下研究具體的防災(zāi)路徑。

1 鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型及其設(shè)計(jì)要求

1.1 結(jié)構(gòu)類型

接觸網(wǎng)實(shí)則是電氣化鐵路中重要的供電網(wǎng)絡(luò)，又可稱為架空電纜。從相關(guān)研究中可了解到：接觸網(wǎng)電壓多在25～30 kV。若位于城市地區(qū)，則以直流電壓為主，即750 V。在總結(jié)接觸網(wǎng)具體類別時(shí)，可按照不同的懸掛方式做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分類。第一種是簡(jiǎn)單接觸懸掛。它是在鐵路上方借助接觸線進(jìn)行加固懸掛。為了維護(hù)接觸網(wǎng)懸掛安全，常常安裝張力補(bǔ)償裝置，繼而達(dá)到接觸網(wǎng)的自由調(diào)節(jié)。而且還多在懸掛點(diǎn)位處新增約16 m的吊索結(jié)構(gòu)，依靠吊索彈性功能，以免懸掛時(shí)產(chǎn)生較高的壓力;第二種是鏈形接觸懸掛，此種接觸網(wǎng)是依靠吊弦予以懸掛，聯(lián)合承力索，促使接觸線能夠順利懸掛在接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，最終可在減緩接觸線懸掛跨距弛度的前提下，確保此種懸掛方式下形成的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)良。與第一種懸掛方式相比，第二種花費(fèi)的費(fèi)用偏高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度較大。然而，整體性能卻有所提升。相關(guān)人員在電氣化鐵路工程建設(shè)環(huán)節(jié)，需根據(jù)工程造價(jià)范圍以及工況條件確定如何設(shè)置接觸網(wǎng)。

1.2 設(shè)計(jì)要求

鐵路牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在其具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，常需要遵從下列多項(xiàng)要求：①無論是在高速狀態(tài)下運(yùn)行還是在冰天雪地里操作，都要求接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性適中且能夠正常供應(yīng)電流;②在接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安裝中，其中選用的零配件應(yīng)當(dāng)質(zhì)量過硬，且具備一定的抗磨、耐腐蝕優(yōu)勢(shì);③接觸網(wǎng)的安裝應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地絕緣;④為了提高搶修效率，確保鐵路能夠縮短供電間歇時(shí)間，還以簡(jiǎn)便化結(jié)構(gòu)為首選;⑤接觸網(wǎng)的安裝應(yīng)注重其經(jīng)濟(jì)性，尤其是鋼材等材料的使用量。只有充分考慮上述技術(shù)要求，才能確保接觸網(wǎng)建成后能夠?yàn)殍F路牽引供電系統(tǒng)提供可靠的輸電線路，促進(jìn)電氣化鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響要素

2.1 覆冰載荷

在研究鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響因素時(shí)，還需要采用有限元元件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，假設(shè)本次研究活動(dòng)中使用的鋼材彈性模型為2.02×1011 MPa，密度為7.8×103 kg/m3。而瓷絕緣子的彈性模量及其密度分別為0.54×1011、2.7×103 kg/m3。其中選用的吊弦材料為鍍鋅鐵線，外界鎂銅合金承力索。在此研究活動(dòng)中，需結(jié)合有限元軟件建立的仿真模型，判斷在其覆冰條件下受到的不同作用力。接觸網(wǎng)會(huì)受到橫縱兩個(gè)方向的覆冰荷載影響。其中垂直（縱向）方向上的作用力以及水平方向（橫向）上的覆冰質(zhì)量，均可參照下述公式予以計(jì)算，而后知道不同覆冰荷載工況下的作用力差異。

F垂直=-mil

M水平=-migl·Lcosθ

其中，mi、l、θ、L分別是覆冰質(zhì)量、接觸網(wǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)度、凝冰角度、冰心-導(dǎo)線中心間距。對(duì)于覆冰質(zhì)量（mi）的計(jì)算方法多按照（S為冰厚，ρ冰為冰密度）得出具體值。結(jié)合各地區(qū)常見覆冰厚度，多在10 ～30 mm。代入相關(guān)數(shù)值后，可發(fā)現(xiàn)隨著覆冰厚度的增加，接觸網(wǎng)何載荷明顯增加[2]。

2.2 風(fēng)壓載荷

在確定風(fēng)壓載荷對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)帶來的影響程度時(shí)，一般需參照下述公式得出風(fēng)壓值（P）而后推算出風(fēng)壓與風(fēng)速（v）的關(guān)系。即，其中ρ是指空氣密度。而后利用r與ρg的相等關(guān)系，判定風(fēng)壓公式還可轉(zhuǎn)換為，式中r為空氣重度。為了更加直觀地分析風(fēng)壓與風(fēng)速關(guān)聯(lián)，還可代入具體的氣壓值以及重力加速度等數(shù)值，繼而知曉隨著風(fēng)速增加，風(fēng)壓也隨之加大。

3 鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)防災(zāi)方法

3.1 冰災(zāi)防災(zāi)

鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在遇到降雪降雨天氣時(shí)，極易形成覆冰層，而后導(dǎo)致接觸網(wǎng)性能下降，甚至不利于維護(hù)結(jié)構(gòu)完好性。結(jié)合上述研究成果，在不同覆冰厚度下，位移量的變化會(huì)隨著覆冰厚度的增加逐漸變大，造成應(yīng)力增加時(shí)，對(duì)接觸網(wǎng)線路產(chǎn)生的危害也會(huì)越來越大。若電氣化鐵路中的供電系統(tǒng)不能依靠接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)獲取供應(yīng)電流，將嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)行質(zhì)量，甚至加劇運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍嚓P(guān)人員在現(xiàn)場(chǎng)需采取有效措施增強(qiáng)接觸網(wǎng)防災(zāi)能力，尤其是冰災(zāi)條件下，更需要重視除冰效果。通常情況下，適用于冰災(zāi)的防災(zāi)措施包含以下兩點(diǎn)。

（1）制訂接觸網(wǎng)破冰計(jì)劃，由于冰災(zāi)下接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)形成冰層，繼而在施壓下導(dǎo)致導(dǎo)線可靠性下降。此時(shí)應(yīng)定期觀察接觸網(wǎng)覆冰厚度，并選擇適合的除冰方法，提高接觸網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。常用破冰方法包含機(jī)械破冰以及熱力融冰、自然脫落3種。①由相關(guān)人員對(duì)接觸網(wǎng)上的冰層借助冰車、鏟刀等工具進(jìn)行破除。②運(yùn)用短路電流，依靠接觸網(wǎng)內(nèi)部加熱電阻的發(fā)熱功能，達(dá)到冰層融化。③隨著季節(jié)的突然變化，造成原有的冰層僅在短時(shí)間內(nèi)自然脫落。但此種方法可能性偏低。相關(guān)人員需在冰災(zāi)下切實(shí)做好除冰工作，由此優(yōu)化接觸網(wǎng)的運(yùn)行性能。

（2）改造橫跨材質(zhì)與分相裝置，以往在電氣化鐵路接觸網(wǎng)建設(shè)中多以軟橫跨作為支撐梁，導(dǎo)致自身承載力不強(qiáng)，一旦遭遇冰災(zāi)，自然不能保持優(yōu)良彈性。因此，可選用硬橫梁，對(duì)原有橫跨予以改造，便于改造設(shè)計(jì)后，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)具備突出的抗災(zāi)能力。另外，對(duì)于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在冰災(zāi)情況下的絕緣性變化程度，還可對(duì)原有的分相裝置進(jìn)行改造，繼而削弱冰災(zāi)對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響[3]。

由此可知，應(yīng)針對(duì)覆冰載荷提出可靠的改進(jìn)建議，用于增強(qiáng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)抗災(zāi)能力，借此滿足不同工況下鐵路運(yùn)行需求。

3.2 風(fēng)災(zāi)防災(zāi)

風(fēng)災(zāi)的出現(xiàn)也會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。結(jié)合本次研究成果，可找到風(fēng)災(zāi)條件下，引起接觸網(wǎng)懸掛點(diǎn)位移量最大的部分，而后對(duì)其進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，便于優(yōu)化后系統(tǒng)能夠重新恢復(fù)原有的穩(wěn)定性。在仿真試驗(yàn)中假設(shè)的風(fēng)速為37 m/s。此時(shí)從0 ～80 s變化過程中，風(fēng)災(zāi)條件下，接觸網(wǎng)具備支撐應(yīng)力的點(diǎn)位會(huì)隨著時(shí)間的后延而出現(xiàn)位移先增后減趨勢(shì)。其中位移量會(huì)從0 m逐漸增加為0.3 m以上，而后達(dá)到峰值后會(huì)逐漸降低到0.15 m。此時(shí)會(huì)隨著風(fēng)力載荷的變化，導(dǎo)致鐵路牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定變化情況。因此，風(fēng)災(zāi)也是導(dǎo)致接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能下降的關(guān)鍵性要素。

相關(guān)人員為了應(yīng)對(duì)風(fēng)災(zāi)威脅，還可從多個(gè)部分提出可行性風(fēng)災(zāi)防治建議，便于增強(qiáng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)抗災(zāi)能力。此處可參照先進(jìn)的防災(zāi)經(jīng)驗(yàn)。如某地區(qū)曾因十級(jí)風(fēng)造成接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障問題，而且故障點(diǎn)位于風(fēng)口直線區(qū)段，跨距為60 m左右。面對(duì)此次故障，維修人員專門對(duì)鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)調(diào)整，最終降低風(fēng)災(zāi)下的接觸網(wǎng)故障率。因此，本次仿真試驗(yàn)中也可以以此為基礎(chǔ)，總結(jié)出明確的防災(zāi)步驟，便于提高接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)抗災(zāi)水平。

（1）選用強(qiáng)承載絕緣子，以便在風(fēng)災(zāi)下能夠有良好的抗壓能力，以免因機(jī)械運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯偏移。

（2）接觸網(wǎng)原本是以“之”字形分布，此時(shí)則應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大其幅度，以便接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的定位裝置等部分能夠擁有突出的拉力，這樣可適當(dāng)?shù)窒L(fēng)力載荷，也能減小風(fēng)災(zāi)對(duì)接觸網(wǎng)擺動(dòng)幅度的刺激。此外，還可重新進(jìn)行“之”字形設(shè)計(jì)。例如，可從正反定位兩個(gè)部分，將其拉出值進(jìn)行拓展與后退，繼而降低偏移量。尤其是在強(qiáng)風(fēng)干擾下，也依舊能夠保持接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)壓力分布的均勻性。

（3）減小跨距，一般可采用增設(shè)支柱的形式，縮小跨距，而后能夠確保在小跨距下降低水平方向的偏移量，必要時(shí)還可在承力索部分安裝防風(fēng)錘，借助外力施加抗風(fēng)壓力，盡管在風(fēng)災(zāi)干擾下，也能始終保持鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，延長(zhǎng)接觸網(wǎng)的使用年限，為電氣化鐵路工程的高質(zhì)量建設(shè)奠定基礎(chǔ)[4]。

3.3 冰風(fēng)災(zāi)防災(zāi)

通常在降雪降雨天氣里會(huì)伴有大風(fēng)。此時(shí)，在開展接觸網(wǎng)防災(zāi)仿真設(shè)計(jì)工作時(shí)，還需分析在兩種災(zāi)害交叉出現(xiàn)的情況下，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化情況。隨著風(fēng)壓載荷與覆冰載荷的逐漸加大，處于20 mm冰厚與30 m/s風(fēng)速災(zāi)害狀態(tài)下，接觸網(wǎng)壓力會(huì)在時(shí)間后延中有所加大。直到達(dá)到40 s時(shí)會(huì)出現(xiàn)些許波動(dòng)，之后則進(jìn)入降壓階段。在雙重災(zāi)害條件下，相關(guān)人員還需準(zhǔn)確測(cè)量固定支撐點(diǎn)的偏移量，若超出330 mm，且覆冰厚度為20 mm以上，此時(shí)可先行考慮是否需要停運(yùn)，以免加大鐵路行駛風(fēng)險(xiǎn)。此外，還可準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)冰災(zāi)環(huán)境里，承力索以及腕臂應(yīng)力值的變化范圍。由于風(fēng)災(zāi)的風(fēng)壓載荷變化不確定，此時(shí)則需要在風(fēng)災(zāi)減弱時(shí)，對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的具體性能予以測(cè)定，并開展破冰工作，這樣才能避免后期風(fēng)災(zāi)等級(jí)再次加大時(shí)，造成接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法承載雙重災(zāi)害，而出現(xiàn)嚴(yán)重故障。冰災(zāi)的處理需在風(fēng)災(zāi)變小時(shí)予以解決。而風(fēng)災(zāi)則應(yīng)當(dāng)在尚未出現(xiàn)冰災(zāi)前就提前更換各種配件，致使鐵路牽引供電系統(tǒng)持久性具備完整的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)供應(yīng)條件。

4 結(jié)束語

鐵路牽引供電系統(tǒng)常需要在接觸網(wǎng)輔助下實(shí)現(xiàn)鐵路供電。而在不同工況條件下，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其運(yùn)行可靠性都會(huì)呈現(xiàn)出差異性變化。對(duì)此，本文專門以仿真設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化鐵路供電性能，使其在冰災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、冰風(fēng)災(zāi)情況下，都能有效維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全，特別是在風(fēng)速超出37 m/s，且覆冰20 mm以上工況下，更需要加強(qiáng)接觸網(wǎng)管理，繼而在防災(zāi)設(shè)計(jì)中積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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