電氣化鐵路接觸網隔離開關引線長度計算探討

楊 佳，魯小兵，陳 可，繆曉宇，楊 承

0 引言

隨著電氣化鐵路的快速發展，為考慮供電的靈活性和可靠性，需設置接觸網隔離開關[1]。接觸網隔離開關設置于接觸網沿線，一端通過軟銅絞線和線夾與接觸網的承力索及接觸線電氣連接，另一端在隔離開關的設備線夾或支撐絕緣子處安裝固定。目前，對于隔離開關引線（以下簡稱“引線”）的安裝長度，現場一般根據引線兩端點間距離、環境溫度，結合施工經驗適當考慮引線弛度直接確定。該方式施工簡捷，但精度較差，未充分考慮溫度、覆冰及風速等多種工況下接觸網、引線各種線索的長度變化，以及對線索、線夾等安裝荷載的影響。隨著近年來低溫、重覆冰以及大風等極端天氣頻發，極易出現引線等弛度過大而導致電氣絕緣距離不夠[2]，或引線張拉過緊而導致引線脫落或線夾斷裂等問題，引發接觸網停電跳閘，嚴重時導致列車停運甚至行車安全事故。因此，接觸網隔離開關引線長度的確定及安裝非常重要，其可靠性、穩定性已成為影響電氣化鐵路正常運行的關鍵因素之一。

本文基于電氣化鐵路接觸網服役特性、隔離開關及引線安裝特征，結合工程各種環境工況，提出引線長度計算方法、步驟，同時推導各種安裝工況下的引線長度計算式，并給出實際工程計算示例。

1 隔離開關引線安裝方案

接觸網隔離開關安裝在線路側支柱上，用于接觸網的供電分段，當某一側接觸網發生故障或因檢修需要停電時，可打開該分段處的隔離開關，將該部分接觸網斷電，而其他部分接觸網仍能正常供電，從而提高了接觸網運行的可靠性和靈活性。

引線用于隔離開關本體與接觸網間的電氣連接，從安裝位置上來看，一般可分為如下兩種情形：（1）引線相對隔離開關遠離中心錨結安裝，即隔離開關位于引線與中心錨結之間，如圖1（a）所示；（2）引線相對隔離開關靠近中心錨結安裝，即隔離開關位于引線與下錨之間，如圖1（b）所示。

圖1 隔離開關引線安裝示意

2 隔離開關引線安裝工況

接觸網隔離開關引線長度的選取主要考慮接觸網、引線長度及空間位置變化后引起相應線索電氣絕緣間隙、機械荷載等性能變化，因此，在進行引線長度計算時，應結合工程實際情況充分考慮各種極限工況。基于我國電氣化鐵路接觸網工作條件，極限工況應至少包括最低氣溫、最高溫度、最大覆冰、最大風速等4種計算工況[3]，典型工況極限取值見表1。

表1 引線長度計算典型工況

3 隔離開關引線計算

3.1 計算方法及步驟

基于接觸網服役特性以及隔離開關、引線安裝特征，結合設計圖紙及現場測量，經綜合研究與分析，得出與接觸網相連的隔離開關引線長度的計算方法及步驟：

（1）現場測量或根據設計圖紙確定隔離開關引線在隔離開關設備線夾處安裝固定點與承力索間的垂直和水平距離。

（2）現場測量或根據設計圖紙確定引線與承力索連接固定點距中心錨結裝置的距離。

（3）根據承力索的線脹系數，結合溫度、覆冰及風速等工況環境條件，確定引線與承力索連接固定點隨溫度變化的偏移量，以及引線在隔離開關設備線夾處的安裝固定點及與承力索連接固定點間的距離。

（4）根據引線的線脹系數，結合引線許用應力或安裝允許張力，確定引線在不同工況環境條件的長度。

（5）結合引線在線夾處的安裝、固定、綁扎長度，確定引線所需長度。

3.2 簡化計算式

結合上述引線計算方法及步驟，為方便現場施工并實現準確性及便捷性，結合圖1，其簡化計算式推導如下：

（1）現場測量或根據設計圖紙確定引線在隔離開關線夾處固定點（A）與其連接承力索上投影點（E）的垂直距離（LAO）以及水平距離（LOE）。

（2）在接觸網腕臂和定位器正常位置的溫度時，根據設計圖紙確定引線與承力索連接固定點（C）與該接觸網錨段中心錨結裝置間的距離（LZ-C）以及與E點間的距離LEC正。

（3）結合工程環境條件，分別確定在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰以及最大風速4種環境工況下引線與承力索連接固定點（C）隨溫度變化偏移（至B或D）后，與引線在隔離開關線夾固定點（A）間的距離（HAD）。由于接觸網導線隨溫度變化熱脹冷縮，并與接觸網下錨墜砣位置密切相關，因此，HAD的確定需充分考慮引線與下錨（或中心錨結）間的相互位置關系，結合第1節中引線安裝位置，HAD的計算應包含以下兩種情況：

a.引線相對隔離開關遠離中心錨結安裝（即靠近接觸網下錨端），詳見圖1（a）。若溫度降低，引線與承力索連接固定點（C）向中心錨結處移動（至B），引線弛度將增加；若溫度升高，C點將向下錨端移動（至D），引線弛度將減小。由于引線長度較短，其自身變化量較小，與最大覆冰以及最大風速相比，最高溫度顯然應屬于最不利工況，此時引線安裝長度一般可按最高溫度工況進行控制，計算式如下：

式中：tmax為最高計算溫度，℃；tmin為最低氣溫，℃；α為承力索線脹系數，1/℃。

b.引線相對隔離開關靠近中心錨結安裝（即遠離接觸網下錨端），詳見圖1（b）。若溫度升高，引線與承力索連接固定點（C）向接觸網下錨端移動（至B），引線弛度增加；若溫度降低，C點將向接觸網下錨端移動（至D），引線弛度減小。結合接觸網工程特點，此時引線安裝長度一般可按最低氣溫或最大覆冰工況進行控制。

最低氣溫時，計算式同式（1）。

最大覆冰時：

式中：tb為最大覆冰時溫度，℃。

（4）根據引線的許用應力或安裝允許工作張力，分別確定引線在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰及最大風速4種環境工況時的線索長度[4]：

式中：g為引線在不同環境工況下的荷載，N；N為引線的許用應力或安裝允許工作張力，N。

（5）結合引線兩端安裝、固定及綁扎等所需長度（L安裝綁扎），并考慮施工裕量50mm，最終確定引線的安裝長度L：

4 工程計算示例及驗證

4.1 工程計算示例

某工程項目環境工況組合如下：最高計算溫度80℃（覆冰0mm、風速0m/s）；最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0m/s）；最大覆冰20mm（溫度?5℃、風速10m/s），最大風速30m/s（覆冰0 mm、溫度10℃）。承力索采用銅合金絞線（線脹系數為0.17×10-4）[5]；隔離開關引線采用TJR1-95（外徑14.28mm、單位質量0.895kg/m），許用應力23500N，其安裝允許工作張力500N。引線相對隔離開關靠近中心錨結安裝度。現根據第3節中引線長度計算方法、步驟計算隔離開關引線長度。

（1）現場測量或根據設計圖紙確定：LAO=3m，LOE=3.1m。

（2）在腕臂和定位器正常位置時的溫度，根據設計圖紙確定：LEC正=5.5m，LZ-C=600m。

（3）根據計算式計算線索長度HAD。

工況1：最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0 m/s）時，由式（1）可得HAD= 7.48m。

工況2：最大覆冰20mm（溫度?5℃，風速10m/s）時，由式（2）可得HAD= 7.19m。

（4）結合引線安裝的允許工作張力（500N），根據式（3）計算LAD。

工況1：最低氣溫?40℃（覆冰0mm、風速0 m/s）時，LAD= 7.49 m。

工況2：在最大覆冰20mm（溫度?5℃，風速10m/s）時，LAD= 7.24 m。

綜上，引線安裝長度在考慮允許工作張力及最低氣溫（工況1）時為最不利工況，LAD=7.49m。

（5）結合引線兩端安裝、固定、綁扎等所需長度L安裝綁扎=100mm，以及施工裕量50mm，且考慮引線距接地體以及其他線索較遠，最終確定該工點的隔離開關引線安裝長度L為7640mm。

4.2 工程驗證

結合成渝客專提質改造工程，選取最大風速時工況為最不利工況，計算確定出隔離開關引線安裝長度的理論值；同時對現場安裝的隔離開關引線進行多次測量，并與理論計算值進行對比（表2），可知理論計算值與現場測量數據差距非常小，在工程應用中可忽略不計，驗證了本文提出的簡化計算式的正確性及實用性。

表2 計算實例計算結果對比 m

5 結論

本文結合接觸網服役特性，充分考慮工程多種環境工況，提出接觸網隔離開關引線長度計算方法、步驟，并推導出簡化計算式，通過工程項目現場測試驗證，該方法簡單、高效、易用，計算結果精準，避免了事故隱患，可替代傳統的經驗操作方法，同時也為引線施工工廠化預配提供了理論數據，進一步優化了高質量、精細化設計及施工工藝控制[6]，有利于推進精品工程建設，保障電氣化鐵路可靠、穩定運行。