高速接觸網系統SiFCAT350研發及實驗驗證

■ 戚廣楓

高速接觸網系統SiFCAT350研發及實驗驗證

■ 戚廣楓

目前，國外尚無商業運營速度達350km/h的高速鐵路接觸網。高速接觸網系統SiFCAT350工程技術研究在參照采用歐洲最新技術動態TSI，EN 50119及IEC，UIC最新國際技術標準，借鑒法國、德國和西班牙接觸網工程建設經驗基礎上，2004年正式推出滿足350km/h的全補償鏈型懸掛高速接觸網系統SiFCAT350，包括簡單鏈型懸掛SiFCAT350-0和彈性鏈型懸掛SiFCAT350-Y。2008年1月在武漢試驗段成功驗證了高速接觸網系統SiFCAT350設計的正確性和技術性能，為武廣、鄭西高速鐵路技術方案工程實施提供了全面的技術支持。2009年5月武廣高速鐵路354km/h雙弓重聯試驗成功、2009年9月352km/h鄭西高速鐵路試驗成功都充分證明了高速接觸網系統SiFCAT350的先進性、前瞻性和正確性，自主創新的高速接觸網系統SiFCAT350取得了成功。

1 機車車輛參數與牽引供電系統對接觸網的要求

1.1 機車車輛參數的驗證

試驗和實際運行時列車運行速度350km/h、牽引質量750 t，300km/h及以上高速列車編組為16輛，運行時受電弓雙弓同時取流，具體機車車輛參數研究見文獻[1]。與2004年研究設定的邊界條件，即經“高速機車車輛參數仿真擬合軟件TP_RSIS”和“WEBANET牽引供電仿真軟件”計算的驅動總功率19 000～22 000 kW相吻合，按照受電弓制造技術條件，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列車兩個及以上受電弓的取流條件。

1.2 牽引供電系統對接觸網電氣性能的要求

速度達到和超過300km/h的大容量高密度客運專線鐵路牽引供電系統一般采用AT供電方式。典型牽引變電所往供電臂的下行方向3min追蹤高峰時段接觸懸掛和正饋線的負荷電流仿真曲線見圖1、圖2。

圖1 3min追蹤高峰時段接觸懸掛的負荷電流仿真曲線

圖2 3min追蹤高峰時段正饋線的負荷電流仿真曲線

供電計算要求接觸網一般持續載流能力在800～900 A之間，短時1000 A以上，正饋線導線600A以上。目前緊密運行方式還有待進一步落實試驗條件并采集數據對比，但單列包括雙列重聯的運行條件下，設定電流分配規律在研發時得到準確驗證。

2 接觸網懸掛類型和高速接觸網系統SiFCAT350技術規格參數

2.1 系統設計

機車受電弓相關工作條件。采用UIC 608 Annex 4a標準寬度為1950mm的受電弓，與我國現行機車受電弓行業標準和中速跨線車兼容。考慮雙弓運行時接觸網懸掛類型的匹配情況，雙弓間距200～400m進行設計。根據UIC505結合客運專線速度目標值和線路條件，受電弓動態包絡線核算可采用的設計值見圖3。根據仿真計算結果，參考國外運行經驗，懸掛定位點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。安裝時采用限位定位器設計，有利于減小對限界要求。參照國外同類受電弓條件下的始觸區標準，客運專線正線始觸區范圍定義為距離受電弓中心600～1050mm及抬升150mm構成的空間區域，始觸區范圍內禁止安裝除吊弦線夾外的任何線夾類金屬器具。

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

接觸網系統目標和要求。電氣性能要求接觸網應滿足系統載流量的需要，接觸線磨耗使用壽命達到200萬弓架次。接觸網系統每百條公里的可用度達到0.98。弓網受流性能要求應滿足TSI，EN50317和不低于UIC794標準（見圖4）。

2.2 接觸網懸掛類型

研究要求。高速客運專線接觸網懸掛方式的綜合性能應滿足圖4曲線值，即列車最大速度超過200km/h時，接觸網動態接觸壓力應保證在0～350N之間、燃弧率應小于1%的動態受流性能要求。在設計過程中采用計算機模擬預評價設計系統的受流質量，考慮實際測量誤差的裕量，取±50 N。2009年8月調試期間，實測壓力曲線明顯好于0～350N的最低要求，而且壓力變化穩定，離線火花幾乎為零。

圖3 受電弓動態包絡線核算可采用的設計值示意圖

圖4 平均接觸壓力的絕對值上限

線材選擇。為滿足350km/h及以上列車運行速度要求，接觸線波動傳播速度應達到518km/h。考慮客運專線特點和我國國情，參照歐洲標準（EN50119）允許工作應力規定，接觸線允許工作應力應不超過其最小拉應力的65%。近年來，導線生產技術發展很快，與20世紀80，90年代制定規范EN50149，DIN48201相比，均有長足的進步。很多銅錫合金導線生產強度性能（150mm2綜合拉斷力）可以達到65kN以上，相當于EN50149中CuMg0.5的水平。所以，銅錫合金、銅鎂合金（CuMg0.2）是未來主要的可選導線。結合武廣高速鐵路對牽引接觸網持續載流量要求，在四電集成施工總承包的實施中，設備選型最終采用150mm2當量截面的銅鎂合金材質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，可達到最佳匹配23kN（±10%）的張力。

經仿真研究，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動態性能更好，但其載流量略小，無法適應我國鐵路客運專線大電流密度的需要。在接觸線張力28.5kN＋承力索張力23kN的系統方案下，對該主要參數作為基數進行10%的上下限取值優化研究，需要結合工程實施和設備選型具體研究。

懸掛方式的綜合比選。構造見圖5、圖6。接觸導線張力28.5kN（28.5kN±10%，最小26kN），波動傳播速度達517km/h，適應雙弓取流；為了兼容世界不同技術流派的設備方案并保證弓網安全和技術性能，實施中SiFCAT350跨距有所減少，標準值取50m。

2007年5月在“四電”集成商采購國外設備并引進技術服務合同談判過程中，BB公司中標接觸網零部件產品并提出實施其CHINA2000/25系統方案。最終經合同談判，同意并認可武廣高速鐵路工程中按照中方提出的高速接觸網系統SiFCAT350總體技術方案和工程主要技術方案、參數，包括放棄其交叉式線岔等技術方案、抬升量等重要指標，僅在高速接觸網系統SiFCAT350提出10%的上下限優化或改變要求。對此，對這種標準高速接觸網系統SiFCAT350的變形方案進行了具體分析和研究，其取值和效果見圖7—圖11。

實際在武廣高速鐵路最終實施方案中，經與提供技術服務的外方多次研討，得出仿真研究結論，即兩種系統技術性能相當。雖然其工程實施難度更大并可能犧牲如定位器坡度等安全指標，但在外方承諾安全負責并不違背高速接觸網系統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。但在武漢試驗段保留6個錨段的標準SiFCAT350系統作為實物試驗對比。鄭西高速鐵路雖然也是采購BB公司中標的接觸網零部件產品和技術服務，但全線均采用高速接觸網系統SiFCAT350標準型方案，即28.5kN＋23kN。

2.3 高速接觸網系統SiFCAT350技術規格

高速接觸網系統SiFCAT350正線接觸網各種線材技術規格見表1。其技術規格數據見表2。

圖5 SiFCAT350-0標準簡單鏈型懸掛類型和張力匹配值

圖6 SiFCAT350-Y標準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張力的標準簡單鏈型懸掛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 高速接觸網系統SiFCAT350正線接觸網各種線材的技術規格

表2 高速接觸網系統SiFCAT350技術規格

3 接觸網工程系統方案部分創新技術

3.1 道岔區方案實現寬型受電弓無交分不碰觸側線接觸網導線的安全通過

正線18﹟道岔、1950mm寬受電弓條件下接觸網采用新型無交分式線岔（適應正線受電弓以350km/h高速通過）、錨段關節電分相適合A，B類跨線車等技術難題，均是由于我國國情導致國際標準無法直接使用產生的新技術問題，高速接觸網系統SiFCAT350是在國際工程研究經驗的基礎上進行適合國情的優化設計。

道岔區接觸網布置形式。根據國內外接觸網道岔始觸區原理定位設計經驗，實現安全可靠的側線通過速度不大于80km/h的無交分或交分式道岔定位方式，應優先滿足交叉道岔定位的基本原則，還要考慮如下原則：（1）合理設置定位處的拉出值，調整側線下錨的方向，充分考慮始觸區內的弓網安全關系，確保正線受電弓高速通過時，動態范圍內不與側線接觸網發生關系。（2）對于列車運行350km/h的正線，接觸線的變化坡度為0。側線由于速度較低，其坡度的變化應考慮受電弓在正線和側線轉換運行時，任何方向都應滿足始觸區范圍的布置要求。（3）標準等高定位點位于兩線間距600～800mm間。

當正線、渡線接觸線進入任一受電弓始觸區范圍時，會產生受電弓中心線兩側均有接觸導線分布，大號道岔區線岔設計的關鍵之一就是通過輔助三線實現接觸線在該受電弓中心線兩側的不對稱布置，使受電弓在通過時能向相鄰始觸線傾斜，避免鉆弓；其次，三支接觸線等高點位置需要結合受電弓始觸區標準準確選取。總之，道岔處接觸導線的空間如何定位，關鍵取決于受電弓的尺寸和始觸區標準范圍的靈活掌握，盡量采用錨段關節式的立面切入取代平面切換，才能提供安全可靠性。

在工程中實際運用最多的一般車站到發線正線18#道岔區，高速接觸網系統SiFCAT350普遍采用了標準型無交分線岔方案，在2009年3月的試驗和隨后的聯調聯試高速試驗的工程驗收過程中得到了成功驗證，實現了側向通過速度130km/h（取決于道岔側線本身限制）、正線通過速度無接觸不限速通過1950mm寬受電弓條件下接觸網世界創新技術。

另外，在具備實現輔助3線定位如43#大道岔區，系統采用按4跨絕緣關節進行過渡、在側向通過線關節布置方案，58#道岔處可按5跨絕緣關節進行過渡區域，采用了類似法國高速鐵路采用的切線式3線輔助懸掛方案，其區別是在1950mm寬型受電弓更為苛刻條件下實現的，突破了專業教科書定義的僅僅窄型受電弓適用無交分或切線式3線輔助懸掛過渡方案的禁區。

3.2 無砟軌道線路結構下實現電氣貫通、安全、軌道電路信號傳輸模式的兼容

在高速接觸網系統SiFCAT350方案中，對回流、軌道接地、等電位設計導則及相關工程實施細則作了深入系統的研究，由于客運專線線路道床結構標準的改變，對地泄漏電阻大大提高，但信號制式決定了鋼軌既要傳輸牽引回流，又要作為信號回路，大電流工作接地和安全接地無法隔離，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，其對地電位將超出安全范圍，威脅信號設備和人身安全。根據歐洲標準EN50122-1《鐵路應用，固定地面設備，關于電氣安全性和接地的保護措施》等標準，要求對電壓極限值進行系統設計。通過客運專線綜合接地系統、接觸網系統的相關接口設計及其采取相應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”。通過設定或改變整體道床內部鋼筋的分布和連接，應兼顧最小的對信號回路的電磁感應和/或電容耦合和有利于“接觸網和受電弓接地區域”內的金屬接地體回路的構成，首次在無砟軌道區域實現滿足“接觸網和受電弓接地區域”的“可靠的大電流安全閃絡保護通道的軌道接地要求”，更是實現了軌道電路信號傳輸模式的兼容，弱電傳輸的損耗影響最小的工程目標。

[1]鄂科鑒字[2005]第200443010號 牽引供電設計用高速機車車輛參數的仿真擬合[S]，2005

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

[3]鄂科鑒字[2005]第21383090號 客運專線鐵路接觸網SiFCAT350的工程技術研究[S]，2005

[4]鄂科鑒字[2005]第22173138號 牽引網電壓、電流分布及接觸網工程接地技術研究[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

責任編輯王志明

戚廣楓：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063