高速鐵路接觸網不同導線組合的載流能力分析

秦曉宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

接觸網載流量是電氣化鐵路接觸網的基礎設計參數，也是決定牽引供電系統供電能力的主要控制因素，接觸網各導線的線材以及導線截面由供電專業確定，因此接觸網的載流量計算不僅是接觸網各導線選型的重要基礎，也是影響牽引供電方案設計的關鍵環節[1]。

我國高速鐵路和重載鐵路的快速發展使得列車牽引功率進一步提高，牽引供電系統的負荷電流成倍增大，因此對接觸網的載流能力提出了更高的要求。從目前的牽引供電設計來看，通常是先根據供電方案計算供電臂電流，然后再依據供電計算結果，結合實際運營經驗選擇接觸網的導線組合，但這一過程并未對接觸網其他導線組合的載流能力展開過深入的分析和研究。

隨著新標準TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》與TB/T 3111—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金絞線》的發布與實施(以下簡稱“新標準”)，更是使接觸網的載流能力成為電氣化鐵路供電設計的關鍵技術指標[2]。因此有必要基于新標準，對高速鐵路接觸網導線的載流能力進行分析，以期尋找最合理優化的導線組合方案，為今后的供電方案設計提供參考和技術對策。

1 高速鐵路接觸網導線載流能力

1.1 新標準的主要修訂內容

新標準對接觸網導線規格、材料類型、機電性能、載流量、磨耗性能等方面提出了更高的要求。

在接觸網規格方面，取消了85 mm2以及110 mm2規格接觸線，只保留120 mm2和150 mm2規格接觸線。對于銅鎂合金，新標準將其細化為CTM、CTMM、CTMH這3種。對于銅錫合金，新標準新增了CTSM、CTSH。新標準中還增加了我國自主研發、擁有獨立知識產權的銅鉻鋯合金接觸線CTCZ，以適應不同速度等級及載流量的要求[3]。

在載流量方面，舊標準僅給出了室外條件下，即環境溫度40 ℃，風速0.5 m/s，日照強度1 000 W/m2的持續載流量。新標準在此基礎上增加了室內持續載流量的指標及其載流量試驗的條件要求。此外，新標準還說明了過載載流量的試驗要求。為了判斷接觸線和承力索的載流能力，新標準規定銅合金接觸線以及銅合金絞線的最高允許工作溫度為95 ℃和150 ℃[4]。

新標準中還增加了接觸線磨耗比作為評價指標，要求接觸線磨耗比應滿足≤0.015 mm2/萬弓架次(試驗用碳滑板、試驗用浸金屬碳滑板或其他復合基碳滑板)的規定[3]。這與原鐵道部發布的技術文件TJ/GD 011—2009 《200～250 km/h電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件(OCS-2)》的要求是一致的[5]。

1.2 考慮接觸線磨耗的導線載流能力

1.2.1 銅(合金)接觸線磨耗面積計算方法

根據圖1，已知接觸線線材半徑A、B；磨耗高度h；接觸線中心至底面的高度a；則接觸線磨耗面積Sm(即圖中的陰影部分，mm2)可由公式(1)求得[6]

(1)

通過計算可得接觸線在運行過程中磨耗高度與磨耗面積的關系，并由此計算出不同磨耗程度下的接觸線磨耗比。

圖1 銅(合金)接觸線截面及相關參數

由公式(1)計算得出，當接觸線磨耗高度為1.6 mm時，150 mm2規格接觸線磨耗面積為9.892 mm2，磨耗比為6.5%；120 mm2規格接觸線磨耗面積為9.323 mm2，磨耗比為7.7%，如圖2所示。

圖2 銅(合金)接觸線磨耗計算

1.2.2 磨耗比的選擇

若根據新標準中接觸線磨耗比≤0.015(mm2/萬弓架次)的要求，以信號機3 min布點、4 min追蹤、一列車雙弓運行的極限情況作為前提條件。經計算，接觸網運行30年(接觸網系統設計壽命應不小于30年[7])，產生的磨耗面積為9.855 mm2。當接觸線截面為120 mm2時，磨耗比為8.21%，當接觸線截面為150 mm2時，磨耗比為6.57%。接觸網導線共計657萬弓架次。

該計算結果與1.2.1節的計算結果相一致，且滿足TB10621—2014《高速鐵路設計規范》以及TG/GD124—2015《高速鐵路接觸網運行維修規則》的相關要求[7-8]。

為了對比分析，主要考慮200～250 km/h速度等級下接觸線的極端運行情況，此時磨耗比按限界值20%計算[8]。

1.2.3 導線允許載流量

當考慮接觸線磨耗時，接觸線的允許載流量會減小，減小量約為允許載流量乘以磨耗比。本文分別取不同的磨耗比δ，對室外條件下，最高允許工作溫度為95℃及150℃時的接觸線載流能力進行修正，結果如表1所示。

表1 接觸線允許持續載流量 A

2 接觸懸掛組合方案供電能力

目前牽引供電設計大多以接觸網的載流需求作為前提，并依靠工程經驗大致選取接觸懸掛導線組合，但并未對接觸懸掛不同導線組合的載流能力展開過系統的分析。基于此，對不同導線組合下的接觸網載流能力進行計算。

2.1 電流分配系數

高速鐵路接觸網懸掛類型通常采用全補償彈性鏈形懸掛，該種模式下，接觸網可以看成由接觸線、承力索并聯組成。設接觸線和承力索的電流分配系數分別為kc，kj，則接觸網各導線的電流分配比例由相關阻抗確定，計算公式如下[9]

(2)

式中，zc，zj分別為分索、接觸線的單位自阻抗，zjc為接觸線和承力索之間的單位互阻抗。僅考慮其中一種鏈形懸掛接觸網空間位置參數(表2)，根據新標準中對接觸線和承力索的相關參數描述，可求得導線阻抗值，進而求得接觸網各導線的電流分配系數。

表2 接觸懸掛相關基礎參數

注：未考慮加強線。

2.2 不同導線組合接觸網綜合載流能力

根據電流分配關系以及接觸網各導線的持續載流量，對接觸網不同導線組合的綜合載流量及線索載流能力利用率進行計算。限于篇幅，僅展示考慮磨耗下，導線最高允許工作溫度取95 ℃時的計算結果。

若采用承力索/接觸線為JTMM120/CTM150組合方式，在室外試驗條件下，該組合導線電流分配比kc/kj為0.511/0.489；接觸網允許載流量為859 A，該線索組合的匹配受限于接觸線載流能力，接觸線處于欠載狀態。其載流能力利用率為93%。

3 接觸網導線選型與配置

3.1 導線選型流程

(1)首先估算接觸網載流量，按工程經驗大致選取導線組合，以保證供電方案的合理性。

(2)根據設計方案計算接觸網的載流需求，校核不同導線組合的載流能力。

(3)考慮工程特點和接觸網載流量需求，經綜合比選后確定最佳的導線配置方案。

3.2 載流量需求計算

牽引供電計算的供電臂電流特征值有供電臂平均電流、有效電流、短時最大有效電流、20 min有效電流以及瞬時最大電流等[10]，根據不同電流特征值的適用范圍，選取最合適的參數校核接觸網導線的載流量。

3.3 工程實例

以某新建客運專線為例，選取典型供電區間對接觸網導線配置原則進行分析。

該線路設計最高運行速度為250 km/h，開行CRH5型動車組(短途采用8輛編組，長途采用16輛編組)和HXD3機車。采用240 min矩形天窗，列車最小追蹤間隔5 min。

設計根據行車原始資料對供電臂電流特征值進行計算，并考慮8輛編組緊密運行、8輛編組追16輛編組緊密運行以及16輛編組緊密運行3種情況進行校核，結果如表3所示。

表3 供電臂各種電流特征值計算結果 A

根據表3計算結果，供電臂瞬時最大電流值最大，但接觸網載流量僅考慮持續載流量，因此瞬時電流不作為評價指標。另一方面，其出現概率相對較低，以此特征值進行載流量校核可能會造成資源浪費。20 min有效電流和短時最大有效電流在16輛編組緊密發車情況下達到最大值，分別為850 A和1 034 A，考慮到本線僅開行1趟長途16輛編組動車組，因此結合實際運營情況，按8輛編組追16輛編組緊密運行情況進行校核更為合理，此時20 min有效電流、短時最大有效電流分別為637,754 A。因此本文選取20 min有效電流和短時最大有效電流來分別校核導線的持續載流量及過載載流量。

根據載流量需求，選擇6種導線組合方案進行分析，如表4所示。導線的最高允許工作溫度越高，其所允許傳輸的電流越大。當考慮20%最大磨耗時，CTMH150+JTMH120、CTSM150+JTMH120、CTSH150+JTMH120導線組合能滿足接觸網的綜合載流量需求，且CTSM150+JTMH120的綜合載流量較高，載流利用率也較高。而CTSM120+JTMH95組合利用接觸線自身過載能力也能滿足要求。因此，從電氣性能方面，這4種導線組合均具備供電能力。

高速鐵路接觸網導線除了具備良好的電氣性能以外，還應采用抗拉強度高、耐腐蝕能力強、耐高溫性能好的銅合金線。《鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)》規定，120 mm2銅合金接觸線應選用20 kN張力，150 mm2銅合金接觸線應選用25 kN張力[5，11]，則CTSH、CTMM、CTMH、JTMH均符合條件。

表4 不同導線組合載流量

注：1.表中載流量系按環境溫度40 ℃，風速按0.5 m/s的室外條件計算而得；

2.取δ=δ30時，120 mm2接觸線磨耗按8.21%考慮，150 mm2接觸線磨耗按6.57%考慮。

另一方面，銅錫接觸線相較于銅鎂造價較低，施工工藝相對簡單，常用于我國已運營的250 km/h電氣化鐵路中[1]。考慮本工程相鄰鐵路線路的導線組合情況，經技術造價綜合比選后，推薦采用CTSM150+JTMH120導線組合。

4 結論

基于以上分析結果，對設計速度為200～250 km/h的高速鐵路接觸網導線選型提出以下建議：

(1)從導線組合矩陣看，接觸網有多種組合均能滿足本工程接觸網的載流量需求，若考慮導線的過載能力，則接觸網導線載流的安全裕度較大，因此設計中應對多種導線組合進行分析，確定最優的導線配置方案。

(2)從載流量角度出發，根據本文供電臂電流計算結果可知，接觸網最高工作溫度可選取為95 ℃。

(3)相較于按接觸線磨耗限界經驗值選取磨耗比的方法，本文采用的按接觸線系統設計壽命選擇磨耗比的方法更加符合運行實際，使其接觸網導線選型也更加合理靈活。

(4)采用20 min最大有效電流和短時最大電流來校核接觸網持續載流量及過載載流量更為合理；

(5)本文研究對接觸網導線選型具有一定的參考價值，但在實際設計中常常會遇到特殊線路，比如大坡度等，因此需結合具體項目特點具體分析。