基于歐標的波哥大輕軌接觸網參數計算研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.008

摘" 要：為響應中國鐵路“走出去”戰略，筆者結合參與設計的哥倫比亞波哥大輕軌項目，對基于歐標體系的接觸網設計參數選取及相關取值計算進行探討，詳細介紹歐標下接觸網相關計算輸入參數的來源及技術原則計算過程；參數選取及設計原則的計算是接觸網設計的核心，該文結合具體項目對取值及計算過程進行論述，可為后續的其他海外城市軌道交通項目接觸網設計提供參考。

關鍵詞：波哥大輕軌；歐標；接觸網；參數選取；計算過程

中圖分類號：U225.8" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0030-05

Abstract： In response to China's railways \"going global\" strategy， the author， in conjunction with the participation in the design of the Bogotá Light Rail Project in Colombia， discussed the selection of OCS parameters and related calculations based on the European standard， and provided a detailed introduction to the source and calculation process of input parameters required for OCS related calculations under the European standard. The selection of parameters and the calculation of design principles are the core of catenary design. This paper discusses the value and calculation process combined with specific projects， which can provide reference for catenary design of other overseas urban rail transit projects.

Keywords： Bogotá Light Rail; European Standard; catenary; parameter selection; calculation process

近年來，我國城市軌道交通建設得到了迅猛發展，運營線路規模、在建線路規模和客流規模均居世界第一，已擁有完全自主的設計、研發、建設和運營維護能力，為響應國家鐵路建設“走出去”戰略，作者結合實際項目對歐洲標準下的接觸網參數計算進行探討；根據項目特點，本線采用2種不同的接觸網懸掛方式，分別為彈性簡單懸掛（Tramway type）和彈性簡單鏈形懸掛（Railway type）。彈性鏈型懸掛接觸網在國內應用廣泛且技術成熟，可參考的技術資料豐富，因此本文重點對彈性簡單懸掛接觸網的計算進行介紹。

1" 項目簡介

Regiotram（波哥大西部輕軌）位于波哥大西部，線路全長約39.66 km2，全線設17個車站及一場一段，主要執行歐洲（EN）標準及當地標準；供電系統采用110/34.5 kV兩級電壓的集中供電方式，牽引網采用DC1500V架空接觸網，結合線路特征及城市化需求，市區段采用全補償彈性簡單懸掛（Tramway），郊區段采用全補償彈性簡單鏈形懸掛（Railway）（圖1）。

2" 執行的標準

執行的主要標準見表1。

3" 接觸網參數計算

接觸網設施會受到機械、電氣、氣象等方面的載荷和應力的影響，為確保電能可靠的傳送到牽引車輛，接觸網必須承受規定極限內的所有載荷和應力，并符合相關的標準要求如EN 50119：2020。

3.1" 風載荷：峰值速度壓力

峰值速度壓強按哥倫比亞國家標準（NSR 10：2012）的B.6.5.10節計算，公式如下

式中：Kd為風向系數，Kz為地形系數，Kzt為地形系數。空氣密度值？籽為1.225 kg/m3。本風速V為22 m/s用于維修性檢查，28 m/s用于極限狀態檢查。基本風速的定義見哥倫比亞《國家標準》2012年第10期圖B 6.5-4。Kd的值考慮保守值1.0。根據B.6.5.7.2節，Kzt的數值按1.0選取。I的值按1.15選取。因為需要在地震期間和地震后都能使用，接觸網系統被認定是第四組。Kz的值根據標準NSR 10：2012表B.6.5.3用以下公式計算

式中：Z是高出地形的高度，a和Zg的定義見NSR 10：2012標準中表B.6.5-2。

3.2" 峰值速度壓力

Z=10 m時3種不同地形類別不同風速下的風壓結果見表2。

3.3" 導體上的冰載荷

導體上的冰荷載用下式計算

，

式中：b為冰層半徑，d為導體的直徑，ρ為冰的密度。

波哥大地區的氣候條件適宜，常年平均溫度17 ℃，因此在本項目計算中不需考慮冰荷載。

3.4" 允許的拉應力

材料的允許應力是所有計算的基礎，其決定了最大張力。接觸線的最大允許工作拉應力是根據標準EN 50119：2020第5.3節中的定義，用以下公式計算

。

接觸線采用歐標線材，其參數根據EN 50149：2012中規定及供應商提供的參數確定（表3）。

因此，可知接觸線工作狀態允許拉應力滿足張力要求，且原始接觸線安全系數為4.072。

3.5" 跨距的計算

跨距對接觸網投資影響重大，因此本文設計時盡可能采取較大的跨距，跨距的計算主要取決于受電弓弓頭工作范圍，設計風速及弓網接觸點橫向位移等。

在制定計算時考慮了CRC 1 700 mm受電弓，受電弓型號及主要技術參數由列車車輛廠家提供，具體見表4。

3.5.1" 因風而產生的最大側向偏差計算

因風引起的最大側向偏差按以下公式計算

式中：e2max是從曲線外側吹風時的線材位移，e1max是風從曲線內側吹來時的線材位移，R（m）=曲線半徑，Fw（N/m）=風壓，H（N）=接觸線張力，bi，bi+1（m）=接觸線拉出值。

3.5.2" 最大跨距計算

e2max和e1max是根據不同的拉出值和軌道半徑組合計算得出。這2個數值的最大值需與受電弓允許的最大側向位移（300 mm）進行比較。

其中，線材規格為CuAg 0.1 AC 150，線材直徑=14.8 mm，基本風速Vb=22 m/s，C和D類地形的峰值速度壓力qz為0.341 kN/m2和0.402 kN/m2，接觸線上的風荷載為3.788 N/m和4.467 N/m。

注：Fw是根據EN 50119：2020標準第6.2.4.3節所述，使用導線上的風方程計算的，即

，

式中：Gc=0.75，Cc=1，θ=0。

風力產生的導線偏移是接觸網跨距的決定性因素，圖2顯示了在前面提到的條件下，最大接觸線偏差的結果。

表5為不同曲線下簡單懸掛跨距表，設計時在無干擾的區段盡量使用最大跨距以節省支柱數量，達到節省成本的目的。

3.5.3" 定位器的徑向載荷

對于簡單懸掛來說，定位器最大負載出現在最大風速情況下，且最大風力荷載與“之”字力重合。通過對定位器不同曲線半徑及跨距情況下的計算，可以明確定位器的選取以及用于支柱容量計算。

圖3計算了不同跨距、不同曲線半徑下定位器的徑向載荷，最大和最小徑向載荷分別限制在2 500 N（數值來源于相應供應商廠家）和100 N（最小受力值）。

3.6" 最大錨段長度計算

同跨距一樣，最大錨段長度同樣對接觸網投資影響較大，錨段長度主要由架空接觸網溫度范圍，可能的水平張力變化，補償裝置的工作行程，拉出值允許容差和接觸線高度等因素決定。首先，根據當地氣象資料查詢，本次計算溫度范圍按-10～100 ℃選取，錨段長度按1 200 m驗證，下錨裝置采用棘輪補償裝置或彈簧補償裝置。據上文，在計算時不需考慮冰雪負載引起的長度變化，因此需計算由熱脹冷縮引起的長度變化。

另外，為了確保整個溫度范圍內接觸網性能最佳，計算還要考慮由于腕臂及定位器角度導致的接觸線張力消耗，尤其是位于曲線的錨段，張力增量不應超過8%。

3.6.1" 熱膨脹引起的長度變化

由于熱脹冷縮引起的電線長度變化用以下公式計算

式中：l為中錨點與下錨點之間的距離，？滓為線材熱膨脹系數，t1、t2分別為最低環境溫度及接觸導線最高溫度。

3.6.2" 參數選取及計算值

參數選取及計算值見表6、表7。

3.7" 配重工作范圍

對于接觸網下錨補償裝置，設計需計算墜砣行程范圍以保證墜砣在所有溫度下都能正常工作。工作行程由熱膨脹引起的長度變化和棘輪系統的傳動比相乘得到（棘輪補償傳動比為3∶1）。

式中：A為平均下墜砣高度，l為半錨長度，ta為環境溫度，tm為平均溫度，n為棘輪組傳動比，α為熱膨脹系數。

根據上文參數，A=3.875 m，計算結果如圖4所示。

選擇下錨補償裝置時，應參考上圖半個錨段長度為600 m時最高溫度及最低溫度確定墜砣行程范圍，同時核對不同情況下接觸網下錨高度并考慮足夠的余量。

3.8" 支柱的載荷及容量選取

3.8.1" 單支柱

正線接觸網錨段的支柱類型有中間柱、轉換柱、中心錨結柱及下錨柱，本項目為雙線電氣化，其支柱又分為2種類型，分別是線間支柱和單側支柱，線間支柱需要安裝2套腕臂且承受2條接觸線“之”字荷載、徑向力及風荷載。根據EN 50119：2020要求，計算需考慮懸掛自重、最大風時負載，合成負載等，并分別計算不同曲線半徑下及跨距下綜合載荷。對于下錨柱，安裝有設備的支柱，還應額外考慮相應負載。

3.8.2" 門架柱

車輛段與停車場股道相對密集，在多線區段接觸網一般采用門架橫跨結構，通過門架橫梁來承受接觸懸掛及其支持結構重力垂直荷載，定位索承擔接觸網懸掛的徑向力和風荷載，軟橫跨將橫承張力、定位索徑向力等施加于門型架邊柱，對于安裝設備或下錨支柱，還應考慮相應負載。由于計算較為復雜，輸入參數較多，一般需開發或購買專業軟件進行計算。

3.8.3" 支柱容量選取

根據支柱載荷計算可得出作用于支柱的重力、垂直線路的力、順線路方向的力，根據受力高度與基礎面高度差，可得出作用于支柱底部的彎矩，根據載荷和彎矩值不同可針對性地選取供應商提供的產品，為了不影響鐵路運營，還應對接觸線高度處的撓度進行限制。

4" 結束語

本文結合具體項目，對基于國際標準下的架空接觸網各項參數的計算進行了簡單的介紹，對接觸網系統主要技術標準確定及設備參數選擇具有指導意義；與中國國家標準不同的是，歐洲標準更傾向于對計算方法及參數選取提出要求而非直接指定取值，本文按照歐標要求對接觸網相應參數進行計算并提供計算過程，是一次全新的探索，對后續類似的海外項目設計具有一定的指導意義。

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作者簡介：錢高偉（1991-），男，工程師。研究方向為電氣化。