接觸網系統在沿海環境下的適應性研究

劉 忠

0 引言

沿海地區經常受到雷暴、臺風、海霧等災害性天氣影響，該環境條件對接觸網系統的防雷、防腐、抗污、防風提出了嚴格的要求，因此有必要針對沿海環境的氣候特點進行接觸網系統環境適應性研究。

1 接觸網防雷措施

根據城市軌道交通車輛段和停車場的具體情況，接觸網應采取防止雷電壓的措施，以盡量避免雷電對接觸網和變電所設備以及列車車輛設備產生危害。

1.1 直擊雷防護

直擊雷防護通常采用避雷針、避雷線方式。《66 kV及以下架空電力線路設計規范》[1]規定：35 kV架空電力線路可采用進出線段架設地線的方式，3～10 kV混凝土桿架空電力線路在多雷區可架設地線。《地鐵設計規范》[2]規定：在地面區段架空地線可兼作避雷線。

車場內試車線由于其線路相對獨立，建議采用將接觸網架空地線抬高兼作避雷線的直擊雷防護方案，接觸網架空地線抬高高度、安裝位置應滿足保護角45°或滾球半徑取值為45 m時保護范圍的規定。建議試車線架空地線每隔約200 m設置放電間隙，放電間隙接地電阻值不大于10 Ω，以保證雷擊接觸網架空地線時雷電流能有效泄流，避免在接觸網架空地線和接觸網鋼柱上形成較高電位的殘壓而擊穿絕緣子；接觸網每隔約200 m設置避雷器，避雷器接地電阻值不大于10 Ω，避免雷電反擊擊穿接觸網后竄至牽引變電所；相鄰放電間隙與避雷器的設置應保證間隔約100 m距離，以進一步增強對牽引變電所內電氣設備的絕緣保護。

車場內股道多，接觸網遭受雷擊的概率高于單線區段，但也正是由于接觸網多股道架設，雷電流分流迅速，對接觸網設備的危害較小。一般停車庫房建筑物高于接觸網設備，庫房兩端外露的接觸網基本處于建筑物的防雷屏蔽范圍內；如果車場咽喉區上部或周圍存在較多建筑物，對咽喉區接觸網具有一定的防雷屏蔽效果。此時，車場內多股道區接觸網可以不考慮直擊雷的防護。如果車場多股道線路接觸網處于較為空曠的地段，接觸網遭受雷擊的概率遠高于上述區域，但由于多股道接觸網雷電流分流迅速，加上設置避雷器接地泄流的作用，此時防雷效果不會對接地可靠性造成較大影響。

因此，建議車場內（除試車線外）線路暫不采用將接觸網架空地線抬高接閃方案。

1.2 感應雷防護

接觸網架空地線兼作避雷線對直擊雷的防護有明顯的效果，但對城市軌道交通沿線的感應雷卻不能起到直接防護作用。通常情況下，DC 1 500 V系統絕緣子爬距增至250 mm后，接觸網具有一定的防感應雷裕量，出于提高防雷水平的考慮，《地鐵設計規范》規定：地上區段架空接觸網應設置避雷器，其間距不應大于300 m，防雷接地電阻值不大于10 Ω。前述直擊雷防護中避雷器設置方案已滿足要求，因此建議車場內試車線接觸網每隔約200 m設置避雷器。

1.3 絕緣子優化

城市軌道交通柔性架空接觸網懸掛用絕緣子一般采用瓷質絕緣子。嚴重的污穢會降低瓷絕緣子的絕緣性能和動穩定能力，不僅會提高絕緣擊穿的概率，同時擊穿瞬間的短路沖擊極易導致瓷絕緣子破裂、重合閘失效，因此，建議地上區段架空接觸網采用抗污能力和動穩定能力強的硅橡膠絕緣子，以保證系統受雷擊后從暫態至穩態的可靠過渡。

2 接觸網防風措施

接觸網除應滿足正常行車取流要求外，還應采取有效措施防止大風對接觸網的影響，提高接觸網的穩定性。

2.1 支柱的選用

按照《鐵路電力牽引供電設計規范》[3]，矩形、工字形和H形截面支柱的風荷載體型系數為1.3，而環形截面混凝土支柱的風荷載體型系數為0.6，環形截面實腹式鋼柱的風荷載體型系數為0.9，由角鋼組成的格構式鋼柱的風荷載體型系數為0.8。建議接觸網支柱選用風荷載體型系數為0.9的錐形鋼支柱，其抗彎和抗扭性能好，受力無方向性，以減小風力對支柱容量的影響。

2.2 接觸懸掛

柔性架空接觸網懸掛受風荷載的影響主要體現在兩方面：接觸懸掛的受風面積和線索的張力。根據強風地區的高速鐵路設計經驗并借鑒國外鐵路設計經驗，建議采用適當降低接觸網結構高度的方法減小整個懸掛系統的受風面積，增強懸掛裝置及整個系統的穩定性；提高接觸網線索（接觸線和承力索）的張力，不僅將明顯改善弓網取流質量和降低離線率，還有利于減小線索的風偏移和保持接觸線的高度，確保列車在運行風速下可靠受流。

2.3 支持裝置

考慮臺風對接觸網穩定性的影響，在支持裝置中增加腕臂支撐、定位管支撐及防風拉線等，以增強支持裝置結構的穩定性（圖1）。

2.4 支柱容量選擇

在結構計算風速為60 m/s，地面區段最小曲線半徑為350 m，跨距選取40 m的情況下，接觸網懸掛裝置及支柱各負載情況見圖1和表1。

圖1 地面段接觸網典型安裝示意圖

表1 接觸網懸掛及支柱負載 kN·m

通過計算得知，接觸網中間柱的最大計算容量為118.76 kN·m，絕緣轉換柱的最大計算容量為181.27 kN·m，在接觸網設計中，中間柱采用下錨柱采用實際使用容量分別為120、200 kN·m。采用地腳螺栓，其強度設計值考慮了不小于1.5的安全系數，接觸網支柱的強度設計值考慮了不小于2.0的安全系數，對應中間柱和轉換柱，其最大使用容量分別可達240、400 kN·m。因此，在強臺風情況下，接觸網支柱及地腳螺栓均可抵抗臺風的襲擊，不會遭到破壞，地腳螺栓不會拔出。

通過上述接觸網應對強風的設計措施，使接觸網受臺風的影響減小到最低限度。

3 接觸網防腐措施

結合環境特點，綜合分析接觸網存在的腐蝕問題。海洋大氣溫暖濕潤、降水量高、濕度大、多風、大氣含鹽分多，對金屬腐蝕性強。海洋大氣中金屬表面容易沉降細小鹽粒子，使得金屬表面即使在空氣相對濕度很低時也會形成表面液膜，引起腐蝕。接觸網鋼支柱和主要零部件一般采用熱浸鍍鋅工藝，鍍鋅層表面易與大氣中的CO2和Cl離子反應分別形成堿式碳酸鋅和堿式氯化鋅，熱浸鍍鋅遭到破壞后，碳鋼基體作為陰極，Zn+作為陽極，形成電偶腐蝕，加速鍍鍍層的腐蝕破壞。圖2為國內某沿海區段接觸網部件的腐蝕照片。此外，大氣環境中的Cl離子通過不同遷移機制擴散到混凝土內部，對接觸網混凝土基礎的腐蝕破壞嚴重，大大降低了混凝土基礎的使用壽命。

圖2 國內某沿海區段接觸網部件腐蝕圖

針對上述分析，提出以下建議措施：

（1）剛性架空接觸網防腐措施。a.架設剛性架空接觸網接觸線前，應在接觸線上涂覆導電油脂，防止銅銀合金接觸線和鋁合金匯流排之間發生異相金屬腐蝕，且不影響銅鋁間的電流流動；b.銅鋁之間的連接線夾采用銅鋁過渡線夾；c.在隧道口或滲水地帶，用匯流排防護罩對剛性架空接觸網進行保護。

（2）柔性架空接觸網防腐措施。a.M14及以下螺栓采用高強度不銹鋼件；b.接觸網鋼支柱、接觸網零部件采用熱浸鍍鋅防腐工藝。

沿海區段的氣候特性決定了其污穢等級和腐蝕強度較高，因此，對沿海區段柔性架空接觸網還應考慮以下防腐措施：

a.沿海區段的空氣濕度和鹽密度值較高，對金屬的腐蝕性較強，因此，建議地上區段接觸網零部件采用鋁合金材質，同時鋁合金基材需經陽極氧化處理，以提高防鹽霧能力。

b.與接觸網零部件相比，由于接觸網支柱采用鋁合金材質對系統整體投資影響較大，國內外接觸網系統很少采用，其制造工藝對支柱強度性能的影響也尚不明確，因此，不建議地上區段接觸網支柱采用鋁合金材質。

c.接觸網鋼支柱在采用熱浸鍍鋅防腐的基礎上，可后期涂刷高性能防腐涂料以實現雙重防腐，涂料性能、漆膜厚度、涂刷工藝應滿足相關要求，涂刷工藝建議在出廠前一次性完成，以滿足精度要求。

4 接觸網防松措施

接觸網系統的主要特點是振動性強，其中包括外界振動（如列車通過振動、風荷載影響）和自身振動（接觸線彈性振動）。車場地上段柔性架空接觸網風荷載較大，易造成接觸網系統緊固件的松動和疲勞破壞。

目前，干線電氣化鐵路和城市軌道交通接觸網系統采用的防松緊固件主要是基于機械防松原理，包括開口銷、止動墊圈、雙螺母等，其缺點是增加緊固連接的重量，并且在一些區段仍會出現防松失效的情況。隨著防松技術的發展，出現了一些新型的防松緊固件（如HUCK螺栓、NORDLOCK防松墊圈等），該類防松緊固件主要通過對螺栓、墊圈本體的結構進行處理，以實現幾何自鎖功能，不需要額外增加緊固連接重量，防松性能優越。建議地上區段柔性架空接觸網緊固件采用新型自鎖型緊固件。

5 結語

本文針對沿海環境的氣候特點，從防雷、防風、防腐和防松4個方面對接觸網的設計及材質選取等提出了針對性的措施，可為接觸網系統設計、施工及運營維護提供參考。