武广高铁接触网工程的关键技术实施

3.7.4.1　宽型受电弓道岔区接触网布置方案研究

1）原则

接触网道岔定位是关系行车安全的关键设备之一，根据国内外的运行和试验经验，弓网事故多发生于此区域。线路道岔区域的接触网构造，也称为接触网线岔，是高速接触网工程的重难点和关键技术方案所在，与机车标准受电弓的宽度、接触网平立面设计布置等密切相关。

高速运行的正线受电弓以不碰触侧线接触网导线为原则，接触网导线在空间受电弓可能接触的范围内实现平面无交分延展的线岔结构，相对于通常较低速度时采用的交叉式线岔结构，是保证列车安全通过正线道岔区更为安全的模式，困难的是如何在较宽的受电弓尺寸条件下实现该方式。具体可选方案有无交分线岔和三线关节式道岔定位方式。

（1）无交分线岔。道岔定位结构形式目前有交叉式和无交叉式两类。宽型受电弓的德语系国家均采用交叉式，如图3.21。窄型受电弓条件下的法国、日本主要采用开放式即无交分式线岔，安全性良好。

图3.21　道岔区接触网悬挂交叉式线岔原理

无交分式线岔可以适应高达400km/h的试验要求，该方式原理上接近三跨锚段关节式的过渡原理，在平面布置时，应充分考虑始触区的标准，避免引起侧向通过的受电弓钻弓事故。但是无交分线岔过渡的下锚支在定位点处的转角较大（≥道岔角），尤其是针对12号以下的道岔，导线水平力偏大，不利于精确定位。对于高速18号以上道岔即使宽弓条件也基本可以应用。

（2）三线关节式道岔定位。辅助三线关节式道岔定位在国外高铁的实际运营效果已达到令人满意的水平，故弓网取流的质量和安全性是最容易得到保证的，在线路条件具备的情况下，应优先采用。但该方式需要在两道岔间布置至少三跨接触网（即需要150～200m的狭长空间），故应用的场合较为有限，一般在线间距为5m的线路上，铜合金120接触导线，工作张力15kN的条件下，需具备30号及以上的道岔的上下行渡线处才可能采用。且要求辅助的三线应与正线接触网系统使用相同参数配置的系统。经过研究分析，确认SiFCAT350的辅助三线定位在43号、58号道岔区均可实现。

2）应用方案

武广高铁工程第一次成功开发国际上首例正线18号道岔、1950mm宽受电弓条件下接触网新型无交分式线岔，可适应正线受电弓单侧接触地以350km/h高速通过。高速铁路道岔区接触网布置形式，如图3.22。

图3.22　1/18号道岔无交分线岔道岔定位布置示意图

道岔处接触导线的空间如何定位，关键取决于受电弓的尺寸和始触区标准范围的灵活掌握。在工程中实际运用最多的一般车站正线出岔的18号道岔区，SiFCAT350系统普遍采用了上述标准型的无交分线岔方案，在2009年3月的试验和随后的联调联试高速试验的工程验收过程中技术性能和安全性能均得到了成功验证，完美地实现了侧向通过速度130km/h（取决于道岔侧线的本身限制）、正线通过速度无接触不限速的1950mm宽受电弓条件下世界性的创新技术，开通至今该类型线岔从未出过安全事故，性能优异。

另外，在具备实现辅助三线定位大道岔如43号区，SiFCAT350系统采用的按4跨绝缘关节进行过渡、在侧向通过线路的关节布置方案；同理，58号道岔处可按5跨绝缘关节进行过渡的区域。具体的工程设计图，请参见案例说明。

3.7.4.2　锚段关节及下锚装置方案

1）锚段关节、中心锚结的方式

接触网比较特别的结构就是这种被称之为“锚段关节”的结构形式，如图3.21所示的“8—7—6—7—8”构造和“8—3—2—2—9—9”构造，它是为了在户外风载作用下和温度变化的情况下，通过每隔一定距离的设置以实现张力补偿和延续导线的贯通性，它是能够克服温差变化保持导线尤其是接触线高度相对于线路轨道平面不变的装置，通过在顺线路方向上自由伸缩但电气连续导通使得运动中滑动接触的受电弓能平滑过渡。所以，功能上有机械受力结构的要求和电气性能设置的要求。其中，在电气性能上还能起到顺线路方向上绝缘隔断分离作用的，叫绝缘锚段关节；反之，叫非绝缘锚段关节。

在接近锚段的中心处的“5—4—5”构造即为一个防断中心锚结，它起着固定接触网装置防止锚段关节沿轨道方向的可能窜动，起到保持锚段和导高的稳定性并减少断线事故范围的重要作用。武广高铁和我国的高铁正线、联络线均采用腕臂两跨式防断中心锚结。高速铁路站线困难时可采用“八”字形防窜中心锚结。

国内外的运营经验表明，只要锚段关节安装调整得当，无论4跨、5跨，均可取得满意的受流效果。但导线张力很大时，较多跨距缓坡的5跨关节具有优越性，比如绝缘锚段关节、非绝缘锚段关节（跨距45m以下的）、隧道内关节等均应采用5跨关节。

2）武广高铁的接触网锚段关节方案

（1）采用新式无静态平行区的交叉方式锚段关节，立面上看，相当于取消了“平行段”。

（2）对导线的抬升坡度进行验证研究，针对受电弓测试双支悬挂时的抬升量和弹性设置合理的坡度。

（3）安装零部件进行改进，确保空间定位准确。同时配合限位定位器设计，保证安全。

（4）锚段关节均采用5跨关节。

（5）根据国内紧急救援经验及国际工程TSI技术规范相关条款要求，区间隧道区段为达到更好的救援需求，其锚段关节布置遵循的原则如下：长度大于1000m的隧道口处，有条件的尽量设置绝缘锚段关节；长度大于6km的隧道内及隧道群区段，每隔4km设一处绝缘关节；在长度大于2000m的隧道口处增设半锚段的过渡区；所有绝缘关节工程裕量的配套设置纳入了远动系统的带接地的电动隔离开关的条件。

（6）隧道外下锚补偿装置。高铁正线及桥上线路采用50kN的棘轮补偿装置，传动效率≥97％；其他线路也可采用滑轮组补偿；传动比为1∶3；接触线、承力索同杆补偿下锚，均采用铁坠砣。

（7）隧道内狭窄空间条件下的下锚装置方案。隧道内下锚补偿装置受到限制，需与安全空间、技术作业空间和安全救援通道兼容。

A.技术作业空间如图3.23所示，它限制了接触网设备的安装。通常，隧道内安全空间应在距线路中线3.0m以外，单线隧道设在电缆槽一侧，多线隧道必须设在两侧。人站立的地面安全空间区域与上方的接触网设备的带电部件之间的距离不小于3.95m。(www.xing528.com)

图3.23　安全空间（救援通道）与技术作业空间（单位：m）

根据国际TSI的相关标准，安全空间被定义为救援通道，要求高度不应小于2.2m，宽度取1.25m（标准值）和0.8m（最小值）。而我国目前设计的救援通道考虑允许人双向同时通过，采用了最小1250mm的宽度标准，但没有定义最小限值。图中，工程技术作业空间在安全空间和救援通道之外，其宽度为0.25m。

武广高铁SiFCAT350适用的100m2隧道断面内，隧道救援通道安装接触网下锚范围应位于救援通道外侧，即线路中线3.55m外，如图3.24的阴影部分。

图3.24　100m2隧道断面内的救援通道

B.隧道内补偿坠砣方案的研究。

鉴于特别困难的限值条件，按照承力索、接触线分开下锚，采用50kN的隧道内棘轮补偿装置，传动比为1∶3的条件展开专题研究。初步筛选后，对有价值的两大比选方案进行了深入研究。

方案一：弧形补偿小车坠砣，如图3.25。其优点是，可避免隧道开挖，不占用救援通道的空间，补偿效率高，美观；其缺点是接触网系统张力不恒定，变化范围为5％～15％，施工安装调试较困难，运营维护量较多，且造价昂贵。

图3.25　弧形补偿小车坠砣结构

图3.26　推荐采用的直型矩形铁坠砣方案

方案二（推荐）：采用直型矩形铁坠砣，如图3.26。其优点是，可避免隧道开挖，减少占用救援通道的空间，仍可采用标准棘轮、滑轮和坠砣定位设备，补偿效率高，接触网系统张力恒定，施工安装方便，运营维护量较少；其缺点是，需线路长度上局部占用救援通道的部分空间，隧道净空高度不足时需限制隧道内锚段长度。

3.7.4.3　接触网工程腕臂安装设计的特殊性

1）腕臂安装设计研究必要性

一般情况下，由于腕臂强度容易自然满足要求，常常被忽略其重要性。在高速条件下，接触网张力系水平成倍增长，腕臂强度成为新的控制因素之一，如不精确计算，有可能局部强度超标，成为安全隐患或导致工程接口错误的根源。经研究发现，接触网腕臂在新的张力系条件下，不论是铝合金或钢腕臂均存在应力极限的不稳定状态；腕臂定位器安装方案往往无法根据平面图设计要求轻易实现，尤其是定位器和定位管的配合设计等反过来限制平面布置的设计；以上均需要精确设计和校验，此为高速铁路不同于常规铁路的地方。

腕臂结构是复杂的网状杆系结构。结构主体由铝质或钢质管材组成，还包括各种金属线夹、陶瓷绝缘子及拉线，采用有限元分析方法（FEM）是适应设计要求的必然选择。分析模型如图3.27所示。高铁采用绝缘旋转全腕臂支持结构，腕臂如果采用镀锌钢管，一般情况下，φ60的钢管强度满足要求，但必须设斜支撑。下锚转换处的普通钢管强度超标，必须采取措施，如加大至70mm钢管或增加套筒等措施。

图3.27　典型腕臂FEM分析建模

（1）中间柱腕臂。图3.27中的铝质腕臂结构为ALMgSi14铝管时，腕臂使用70管，定位管使用55管，斜撑管使用42管。钢质腕臂结构（以下称为Ⅱ型）腕臂使用60管，定位管使用48管，斜撑管使用40管。在结构验算风速56m/s、覆冰10mm的承载能力极限校验荷载下，有斜撑的三角腕臂结构FEM分析结果表明：有斜撑腕臂结构的总体受力平均，应力分布更合理，应力余度较大。无论钢或铝合金腕臂，最大应力已接近或超过材料极限屈服强度，会发生局部塑性变形。

（2）非支腕臂。非支腕臂结构承受较大的荷载：承力索水平荷载Pc是中间柱腕臂荷载的2倍、接触线水平荷载Pj达到中间柱荷载的2.12倍，接触悬挂垂直荷载Gx为1.1倍。对非支腕臂结构分析、校核是必要的。从分析结果可知，常规腕臂尺寸（指德国原型的φ55mm直径管或φ60mm钢管腕臂）这时将不能满足强度要求。改进设计中应考虑适当加大管径，提高结构承载能力，改进后的分析结果如图3.28所示。

图3.28　典型的加强型非支腕臂结构FEM应力分析

将腕臂主管直径加大到φ70，壁厚3.5mm。由上述分析结果可见，加强型的非支腕臂可以满足要求。

2）定位装置及其相关设计要求

高速接触网的定位装置的适用场合及安装方式有不同以往之处，具体如下。

（1）正线、联络线定位器一般采用矩形截面的铝合金限位定位器，均设防风拉线。严格控制客专正线定位器允许工作荷载为80～2500N（极限情况采取措施可用到3500N）

（2）对于正线工作支定位装置，本次安全校验设计取值原则为：对可安装限位定位器的，定位点最大抬升校验值取1.5倍抬升量，即达到225mm定位器接触限位，继续抬升300mm仍不打弓进行的安全极限校验（高标准）可以适用绝大部分场合。由于高铁接触线导线张力大，为防止水平力过大，对跨距小于50m的直线、关节、道岔区域部分悬挂需减小拉出值至200mm或加装定位管支撑，同时改用大弯形定位器。

（3）道岔、关节转换处双支尽可能采用双柱单腕臂式安装。三支悬挂处采用双柱三腕臂安装。

（4）在设无柱雨棚的车站，接触网利用股道间的雨棚柱安装旋转全腕臂支持结构，或在无柱雨棚结构梁上采用悬吊吊柱加旋转全腕臂支持结构。隧道内通过固定在隧道顶部的吊柱独立悬挂定位支持装置。隧道关节的转换支柱非支的平腕臂应尽可能长。

通过上述系统研究，解决了工程的主要关键技术问题。相应的完整的各项参数和技术暂行规范、相应的标准接口设计、安装设计和平面设计原则等工程实施办法，经国际工程、专家咨询和试验实车验证，证明完全实现了预定功能，安全可行。它达到了指导高速铁路接触网施工设计和施工组织的目标。具体的武广高铁工程中，如何结合工点实施完成设计要求的过程，可参见第4.2节“高速接触网系统的工程技术方案”篇章内容。