國鐵剛性接觸網檢測數(shù)據分析與評價標準探討

王小兵，張于峰，王 斌，楊志鵬，張文軒，王 婧

0 引言

近年來，在既有鐵路電氣化改造中的低凈空隧道內、新建普速鐵路長大隧道內逐漸采用剛性懸掛接觸網，滿足了運營需求，國鐵剛性懸掛接觸網已逐漸成為牽引供電系統(tǒng)中的重要設備。現(xiàn)有的接觸網靜態(tài)驗收標準、動態(tài)驗收規(guī)范、運行維修規(guī)則未對剛性懸掛接觸網相關參數(shù)進行詳細規(guī)定。筆者結合國鐵剛性懸掛接觸網工程實際應用和動態(tài)檢測數(shù)據，從接觸網幾何參數(shù)、接觸線平順性、弓網受流等方面分析國鐵剛性懸掛接觸網特征，對比柔性懸掛接觸網動態(tài)檢測參數(shù)響應特點，對國鐵剛性懸掛接觸網各參數(shù)動態(tài)檢測評價值的范圍進行適用性分析，并提出國鐵剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測評價標準建議值。

1 國鐵剛性懸掛接觸網應用現(xiàn)狀

剛性懸掛接觸網因其占用空間小、結構簡單、接觸網無張力、無斷線隱患、載流性能好、系統(tǒng)防災抗震能力強、施工維護快捷等諸多經濟、技術優(yōu)點，適用于隧道內安裝。國內剛性懸掛接觸網應用始于1999年廣州地鐵一號線[1]，隨后在上海、南京、成都、北京、寧波等主要城市地鐵線路中均有采用。國鐵剛性懸掛接觸網于2006年首次應用于蘭新線烏鞘嶺特長隧道[2]，之后在多條線路的低凈空隧道、特長隧道中廣泛采用，累計應用里程達330 km，剛性懸掛接觸網在我國電氣化鐵路領域占據越來越重要的地位。

國鐵剛性懸掛接觸網工程多為特殊情況下的探索性應用，國鐵牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)有的設計規(guī)范、驗收標準、運營維修規(guī)則中未明確剛性懸掛接觸網的相關標準。TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》僅提出，為滿足運輸?shù)男枰\行速度不大于160 km/h的隧道，經技術經濟比較合理時可采用剛性懸掛[3]；TG/GD 116—2017《普速鐵路接觸網運行維修規(guī)則》僅規(guī)定了采用剛性懸掛時，電力機車（動車組）的運行速度不宜超過120 km/h[4]。

2 國鐵剛性懸掛接觸網參數(shù)特征

與柔性懸掛接觸網相比，剛性懸掛接觸網具有結構簡單、節(jié)約空間、載流量大、安裝維護簡單等優(yōu)點[5]。國鐵正線投入運用的剛性懸掛接觸網均采用隧道側壁腕臂式結構，懸臂結構為鉸接[2]，懸掛點具有一定的柔韌性，滿足順線路方向轉動和弓網動態(tài)取流需求。通過控制吊柱的安裝位置、固定鉸座的安裝高度，調節(jié)定位線夾的水平位置以及定位線夾旋轉頭銅柱體的位置等，可實現(xiàn)對接觸線拉出值和高度的控制，如圖1所示。主要設備包含定位支持裝置、剛柔過渡系統(tǒng)、中心錨結、膨脹關節(jié)、分相裝置等。

圖1 國鐵剛性懸掛接觸網定位結構示意圖

2.1 接觸網幾何參數(shù)特征

2.1.1 接觸線拉出值

拉出值的合理布置可使受電弓碳滑板的磨耗趨于均勻，由于剛性懸掛接觸網的結構特點，各錨段的匯流排一旦安裝完畢，尤其是膨脹接頭的膨脹間隙設置完成后，拉出值不能再做調整，否則膨脹接頭的間隙將發(fā)生變化。因此，剛性懸掛接觸網拉出值不存在初調和精調，僅在初安裝匯流排時一次調整到位。需重點控制剛柔過渡段、膨脹接頭、中心錨結、最大拉出值（正弦波波峰、波谷）設置位置等關鍵懸掛點拉出值滿足設計要求，其他一般懸掛點的拉出值以能滿足匯流排平滑過渡為準。

2.1.2 接觸線高度

剛性懸掛接觸網彈性較弱，高速運行的受電弓與接觸線應保持良好的弓網關系，對接觸線高度的平順性要求較高，以減少離線與燃弧的發(fā)生。

2.2 接觸線平順性參數(shù)特征

2.2.1 硬點

剛性懸掛接觸線上無線夾，安裝簡單，因此剛性懸掛接觸網不易產生硬點缺陷，但實際運營中反饋硬點缺陷發(fā)生較多，已成為提高剛性懸掛接觸網運行速度的關鍵制約因素。剛性懸掛接觸網硬點缺陷多發(fā)生在膨脹關節(jié)、分段絕緣器等位置，主要原因為安裝位置不理想或參數(shù)調整不到位。

2.2.2 一跨內高差

設計規(guī)定剛性懸掛接觸網相鄰懸掛點高差不得超過所在跨跨距值的0.5‰，跨距越小跨中弛度越小，國鐵剛性懸掛點間距一般不大于8 m，相鄰懸掛點高度安裝誤差可控制在較小范圍內。

2.3 弓網受流參數(shù)特征

2.3.1 弓網接觸力

弓網接觸力是反映弓網間動態(tài)特性的主要作用參數(shù)[6]。弓網接觸力過大會造成接觸線與受電弓碳滑板間磨耗異常，增加運營成本；弓網接觸力過小，導電斑減少，接觸電阻增大，接觸表面發(fā)熱嚴重，增加弓網能耗；當弓網接觸力為零時意味著出現(xiàn)弓網離線，將產生電弧。為保證受電弓取流質量，弓網接觸力應保證在一定范圍內，國鐵電力機車或動車組受電弓靜態(tài)接觸力一般為(70±10) N，動態(tài)作用下弓網接觸力的波動與速度關系較密切，隨著速度的提高，弓網接觸力波動不斷加劇[7]。

2.3.2 燃弧

大量關于地鐵剛性懸掛接觸網運用情況分析的文獻表明，剛性懸掛接觸網更容易產生弓網間燃弧，但關于國鐵剛性懸掛接觸網弓網間燃弧的研究或分析較少。受電弓與接觸線相互滑動運行時，包含了多種機械運動和電氣變化的過程[8]，受電弓通過適當?shù)奶εc接觸線互相耦合，隨著列車速度的提高和振動的加劇，剛性懸掛彈性較差的缺點使得弓網耦合狀態(tài)不良，繼而在受電弓滑板與接觸線之間產生電弧以維持電流的存在。

3 接觸網參數(shù)特征響應對比分析

剛性懸掛與柔性懸掛接觸網參數(shù)特征有較大差別，選取典型長大隧道剛性懸掛接觸網最近5年的檢測數(shù)據與同線路柔性懸掛接觸網檢測數(shù)據進行統(tǒng)計對比，分析兩種不同類型接觸網動態(tài)檢測時的參數(shù)特征響應。檢測數(shù)據來源于按線路實際運行速度運行的接觸網檢測車（檢測車受電弓升弓不受流），檢測數(shù)據按接觸網跨進行各參數(shù)的核密度統(tǒng)計分析，兩種類型接觸網統(tǒng)計跨數(shù)基本相同。

兩種不同類型接觸網動態(tài)檢測跨內平均速度的核密度統(tǒng)計如圖2所示。可以看出，兩者檢測速度的分布區(qū)間及核密度曲線的極值位置基本一致，即能夠利用所選的動態(tài)檢測數(shù)據在速度基本一致時對兩種不同類型接觸網的動態(tài)響應特性進行對比分析。

圖2 跨內平均速度核密度

3.1 接觸網幾何參數(shù)特征響應

接觸網幾何參數(shù)特征響應對比如圖3所示。

圖3 接觸網幾何參數(shù)特征響應對比

柔性懸掛接觸網拉出值設計呈之字形布置（設計最大值400 mm），跨內拉出值最大值動態(tài)檢測數(shù)據主要分布在100～400 mm，跨內最大動態(tài)拉出值達500 mm，跨內接觸線高度最值（最大值和最小值去均值化）動態(tài)檢測數(shù)據分布范圍較大，動態(tài)最值偏離設計標準值較多，主要分布在0～50 mm，隨著速度的提高分布范圍更大，最大值達200 mm；剛性懸掛接觸網拉出值設計呈正弦波布置（設計最大值200 mm），跨內拉出值最大值動態(tài)檢測數(shù)據統(tǒng)計分布范圍較為集中，分布在0～210 mm，跨內接觸線高度最值（最大值和最小值去均值化）動態(tài)檢測數(shù)據分布范圍也較為集中，分布在0～20 mm，且不受速度影響。

3.2 接觸線平順性參數(shù)特征響應

接觸網平順性參數(shù)特性響應對比如圖4所示。對于柔性懸掛和剛性懸掛，接觸網硬點值具有相同的分布區(qū)間，主要分布在0～20g，均隨著速度的提高分布范圍增大，相同速度等級下剛性懸掛硬點值略比柔性懸掛硬點值分布離散；柔性懸掛接觸網一跨內高差動態(tài)檢測值主要分布在0～100 mm，隨著速度的提高一跨內高差離散值增多，剛性懸掛接觸網一跨內高差動態(tài)檢測值集中分布在0～20 mm，受速度影響較小。

圖4 接觸網平順性參數(shù)特性響應對比

3.3 弓網受流參數(shù)特征響應

弓網受流參數(shù)特征響應對比如圖5所示。柔性懸掛接觸網和剛性懸掛接觸網具有相似的弓網接觸力響應特征，弓網接觸力最大值主要分布在80～160 N，最小值主要分布在40～100 N，隨著速度的提高弓網接觸力增大且離散值增多；剛性懸掛接觸網弓網接觸力標準差主要分布在0～30 N，柔性懸掛接觸網弓網接觸力標準差主要分布在10～20 N；兩種類型接觸網的弓網接觸力標準差均隨著速度的提高而增大。

圖5 弓網受流參數(shù)檢測數(shù)據對比

普速鐵路接觸網檢測車受電弓升弓不受流，檢測數(shù)據不能準確分析燃弧參數(shù)特征響應，選取同條件下綜合檢測列車在某隧道剛性懸掛接觸網連續(xù)5年的檢測數(shù)據對燃弧參數(shù)特征進行分析。統(tǒng)計數(shù)據顯示，該剛性懸掛接觸網除膨脹關節(jié)、分段絕緣器等特殊位置外，其他區(qū)段未出現(xiàn)明顯的燃弧特征。

4 剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測評價標準探討

目前，國鐵剛性懸掛接觸網均為長大線路中的局部應用，為適應柔性懸掛接觸網參數(shù)特征要求，在有剛性懸掛接觸網應用的線路中運行的電力機車或動車組受電弓弓頭外形輪廓、靜態(tài)壓力等參數(shù)仍然按適應柔性懸掛接觸網性能配置。

4.1 接觸網幾何參數(shù)評價

基于受電弓的外形輪廓、柔性懸掛接觸網的參數(shù)特征，普速鐵路接觸網動態(tài)檢測評價標準針對柔性懸掛接觸網拉出值和接觸線高度分別制定了一級、二級缺陷范圍值。國鐵剛性懸掛接觸網設計最大拉出值為200 mm，遠小于受電弓外形輪廓對接觸線拉出值的安全限值要求，剛性懸掛接觸網高度安裝誤差易于控制。結合以上對接觸網幾何參數(shù)特征響應的對比分析，建議國鐵剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測不對接觸線拉出值做限值缺陷評價，接觸線高度按超出設計標準值±20 mm做限值缺陷評價。

4.2 接觸線平順性參數(shù)評價

剛性懸掛接觸網跨距一般不大于8 m，接觸線安裝高度容易控制，無較大弛度和抬升量變化，一跨內高差特征響應主要分布在0～20 mm，受速度影響較小，檢測數(shù)據受檢測系統(tǒng)誤差影響較大，因此建議剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測不對一跨內接觸線高差做限值缺陷評價。

接觸網硬點的限值評價目的主要是為保護受電弓和接觸網設備運行的安全，國鐵剛性懸掛接觸網與柔性懸掛接觸網采用了相同的受電弓，且硬點參數(shù)特性響應相似，因此建議剛性懸掛接觸網硬點評價標準與柔性懸掛接觸網動態(tài)檢測評價標準保持一致。

4.3 弓網受流參數(shù)評價

弓網接觸力的大小主要與接觸網性能、受電弓靜態(tài)抬升力和列車運行速度相關，根據圖4所示的弓網接觸力特征響應對比結果，剛性懸掛接觸網和柔性懸掛接觸網具有相似的弓網接觸力特性響應和接觸力值分布范圍。剛性懸掛接觸網弓網接觸力標準差較大，這主要與剛性懸掛接觸網彈性弱的特性相關，高速運行時弓網間振動較大。弓網接觸力主要影響接觸線和滑板的磨耗，但剛性懸掛接觸線無張力，可以承受更大的磨耗量。目前運營的線路中，剛性懸掛接觸網在線路中的占比較小，剛性懸掛接觸網不是影響受電弓滑板磨耗的主要因素。

國鐵剛性懸掛接觸網燃弧參數(shù)特征響應不明顯，不如地鐵剛性懸掛接觸網燃弧劇烈，主要由于以下幾方面原因：國鐵剛性接觸網采用側壁腕臂式安裝方式，較地鐵垂直吊架安裝方式具有更好的柔韌性，具備一定量均勻分布的彈性；國鐵牽引供電電壓為交流25 kV，地鐵牽引電壓一般為直流1.5 kV，因此國鐵機車或動車組牽引電流較地鐵車輛小很多；國鐵機車或動車組運行速度高，配置了較地鐵車輛性能更優(yōu)的受電弓，具有更好的弓網跟隨性，且運行速度相對均勻，不存在頻繁加速減速情況。

基于以上弓網受流參數(shù)特征響應對比及分析，建議剛性懸掛接觸網弓網接觸力、燃弧以及接觸網電壓參數(shù)動態(tài)檢測評價標準保持與柔性懸掛接觸網評價標準一致。

4.4 建議評價標準

根據以上對剛性懸掛接觸網參數(shù)特性分析、剛性懸掛與柔性懸掛接觸網參數(shù)特征響應對比分析以及各參數(shù)評價標準的適用性分析，參照《普速鐵路接觸網運行維修規(guī)則》中動態(tài)檢測評價標準的劃分方法[4]，提出160 km/h及以下速度國鐵剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測建議評價標準，如表1所示。

表1 國鐵剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測建議評價標準

5 結語

本文根據工程應用實際探討提出了國鐵剛性懸掛接觸網動態(tài)檢測評價標準建議值。目前國鐵剛性懸掛接觸網的總體占有比例偏小，相關的科學研究相對較少，運營維護經驗有限，掌握的檢測分析數(shù)據存在一定的局限性，編制并形成系統(tǒng)的評價標準體系還需要進行大量的試驗研究，并不斷總結相關規(guī)律，為剛性懸掛接觸網的設計、施工和運維提供支撐。