国产接触网在白俄罗斯电气化铁路中的应用

张 令

0 引言

近年来，随着一大批时速350 km 客运专线相继投入运营，中国铁路吸引了海外众多目光，越来越多的国家在铁路建设方面寻求与中国合作，中国铁路逐渐发展到由“引进来”到“走出去”的历史性转折点。作为中国在东欧地区承建的第一个铁路项目——白俄罗斯奥希波维奇—日洛宾铁路电气化建设项目（下文简称白俄项目）正是在这样的背景下启动的。

白俄项目为既有线电气化改造工程，线路为I级双线铁路，设计速度160 km/h，轨距1 520 mm，最小曲线半径485 m。接触网系统设计由白铁联盟设计院负责，中方负责详细设计及部分接触网设备材料的供货和施工。由于历史原因，白俄罗斯现行接触网技术标准一直沿用前苏联标准，与中国现行的技术标准存在差异。虽然中国的接触网产品电气和机械性能总体要高于白俄罗斯方现行技术标准，但因标准差异，中国产品的外形、材质等参数无法与白俄罗斯方技术要求完全一致，给国产接触网产品在白俄项目中的推广和应用带来极大困难。

1 两国接触网系统差异及兼容问题

1.1 接触网设计理念的差异

根据白俄罗斯方接触网标准要求，160 km/h的线路均采用全补偿弹性链形悬挂，同时白俄罗斯方技术人员从主观上也认为简单链形悬挂无法适应项目的运营速度。因此，在初步设计阶段，白俄罗斯方原型接触网系统正线采用全补偿弹性链形悬挂，具体导线组合为 ПБСМ95+МФ100（18 kN+10.5 kN），弹性吊索为35 mm2的铜合金绞线，张力3.5 kN；站线采用全补偿简单链形悬挂，具体导线组合为ПБСМ70+МФ85（10 kN+8.25 kN）。事实上，根据国内接触网的设计与运营经验，时速250 km/h 及以下线路接触网采用全补偿简单链形悬挂是完全适宜的。

1.2 接触网主要线材的差异

根据白俄罗斯方提供的技术文件显示ПБСМ型承力索为铜包钢绞线，МФ 型接触线为铜接触线，在符合中国现行铁标的承力索、接触线产品中无法找到完全相同的类型，尤其是接触线，其悬吊沟槽角度和宽度与现行TB/T2809-2005 中完全不同（图1、图2）。

1.3 不同标准产品的兼容问题

众所周知，接触网零部件接口尺寸取决于与其连接线材的外形尺寸，如定位线夹、接触线中锚线夹、接触线电连接线夹、吊弦线夹等零件的齿形角度与接触线的悬吊沟槽角度完全一致，才能确保两者更紧密的贴合。另一方面，铜包钢承力索由于其自身抗拉强度较大，原型系统中承力索的额定工作张力相对较大（18 kN），而中国类似速度等级线路的承力索额定张力一般为15 kN，与其配套的承力索终端锚固线夹、中心锚结线夹的滑动荷载、破坏荷载等力学指标主要以工作张力15 kN 考核，若配合铜包钢线使用且不降低工作张力，可能导致零件安全裕度降低。

图2 中国铁标接触线沟槽参数（27°+51°）示意图

因此，线材和零部件必须在统一的标准平台上配合使用才能确保系统的可靠性，有效控制技术风险。而根据白俄罗斯方标准重新研制非标的产品费时费力，在工期紧张的情况下不具备可操作性，只能采用国内主流接触网产品（即线材和零部件均采用中国生产），并通过对接触网系统设计方案进行优化，确保优化后的系统性能不低于原系统性能，才有可能说服业主接受中国产品。

2 接触网系统优化设计

2.1 承力索及接触线采用国内主流产品

结合国内外电气化铁路发展现状，接触线与承力索采用同类材质早已是一大趋势，因两者线性膨胀系数一致，在提高施工精度的同时也降低了运营维护工作量，对改善弓网受流性能效果明显。国内承力索普遍采用铜或铜合金绞线，铜合金绞线具备耐高温性能好、抗拉强度高等优点，可有效降低承力索断线几率，提高接触网的安全可靠性，因此，优化后承力索采用JTМH 型铜合金绞线。

国内类似线路，接触线主要以铜银合金和铜锡合金线为主，铜锡合金线的导电率相对较低，但抗拉强度相对较高（430 МPa 以上）。在耐磨耗性能方面，铜锡合金线的耐磨性能优于铜银合金线，在制造工艺方面，两者基本无差别，均能满足白俄项目的接触线载流要求。经综合考虑，优化后接触线采用铜锡合金接触线。

鉴于现行铁标中已无标称截面为100 mm2的接触线产品，因此正线接触线优化后采用与原型最为接近的CTS110 型接触线。

2.2 正线张力体系优化设计

世界各国经过多年的运营实践和理论研究逐渐形成了各自不同的弓网受流评判体系，但有一点是被大家一致认同的，即提高接触网的波动传播速度是提高列车运行速度的基本方向。EN50119 中明确规定列车运行速度在接触线的波动传播速度的70%以下。接触线波动传播速度理论公式为

式中，C 为接触线波动传播速度，km/h；T 为接触线张力，N；ρ 为接触线线密度，kg/m。

由式（1）可知，提高接触线波动速度可通过提高接触线张力或降低接触线的线密度来实现。使用CTS110 型代替МФ100 型，增大了接触线的线密度，必须适当增加接触线张力以提高接触线波动速度，从而保证弓网受流质量不低于原型系统。结合国内工程经验以及铜锡合金接触线的抗拉强度，优化后接触线张力采用13 kN。通过式（1）可分别求得2 种接触线在2 种工作张力下波动速度：

CTS110 型：C= 412 km/h

МФ100 型：C= 390 km/h

同时，根据EN50119 规定，接触线的设计使用应力不应大于其最大许用应力的65%。铜锡合金接触线最大设计使用应力：

式中，Ktemp为温度系数，取0.9；Kwear为接触线允许磨耗系数，取0.8；Kload为风和冰荷载系数，取0.9；Keff为补偿效率系数，取0.95；Kclamp为接触线终端锚固线夹系数，取1；Kjoint为接触线焊接接头系数，取1。

计算求得：σw= 136 N/mm2。

由此可求得CTS110 型接触线最大设计使用张力可达17.98 kN，当接触线额定工作张力采用 13 kN 时，其强度安全系数完全满足欧洲标准要求。

合理选择承力索张力对提高接触网安全性、可靠性和弓网受流质量同样非常重要。原型接触网系统中采用ПБСМ95 型铜包钢绞线，额定张力为 18 kN，当采用JTМH95 型承力索后，工作张力如仍维持18 kN 已不合适。首先，铜镁合金承力索抗拉强度低于前者，降低承力索工作张力能有效提高承力索的强度安全系数，从而提高接触网系统的安全性和可靠性；其次，TB/T 2075-2010 中规定95型承力索终端锚固线夹最大工作荷重为16.5 kN，当工作张力超过该值后，零件的安全裕度有所降低；最后，有理论分析证明，通过降低承力索张力来减小增强因数γ 对改善受流质量是有利的。增强因数计算公式：

式中，TC、ρC、TJ、ρJ分别为承力索工作张力、承力索线密度、接触线工作张力、接触线线密度，Cp为接触网波动速度，v 为列车运行速度。

通过式（3）—式（5）可以看出，在其他条件不变的前提下，采用增大接触线张力，减小承力索张力的方法可以减小反射因数r，从而达到减小增强因数γ 的目的。

因此，正线承力索工作张力优化后由18 kN 降低至15 kN。正线接触网张力体系推荐采用15 kN +13 kN（白俄罗斯方原设计为18 kN+10.5 kN）。

2.3 悬挂类型由弹性链形改简单链形

目前各国广泛采用的适应于160 km/h 及以上速度的接触网悬挂类型主要有全补偿简单链形悬挂和弹性链形悬挂。

简单链形悬挂具有结构相对简单，节省投资，施工调整和运营维护相对方便，事故抢修难度较弹性链形悬挂小等优点；后者具有弹性不均匀度小，接触压力标准偏差较小等优点。结合项目线路条件的实际情况，区间小半径曲线比较多，跨距较小，在该线路条件下采用弹性链形悬挂对提高受流质量效果并不明显，同时，项目工期紧张，弹性链形悬挂不利于工期控制。综合考虑，接触网悬挂类型采用全补偿简单链形悬挂。

3 理论验证

根据提出的优化设计方案，对比系统原型设计方案进行弓网受流质量模拟计算，以验证系统方案的可行性。

3.1 接触网参数

接触网模拟计算参数见表1。

表1 接触网模拟计算参数表

3.2 评判标准

弓网关系的评判标准主要基于欧洲标准EN 50119 及EN 50367，关键评判指标如下：

（1）最大动态接触压力Fmax＜300 N。

（2）最小动态接触压力Fmin＞0 N。

（3）标准偏差SDF≤0.3 Fm（平均动态接触压力）。

3.3 模拟结果

（1）速度160 km/h，接触网采用弹性链形悬挂，弓网动态接触压力及接触线抬高量曲线如图3、图4所示。

图3 弓网动态接触压力曲线图

图4 接触线抬高量曲线图

（2）速度160 km/h，接触网采用全补偿简单链形悬挂，弓网动态接触压力、接触线抬高量曲线如图5、图6所示。

图5 弓网动态接触压力曲线图

图6 接触线抬高量曲线图

3.4 模拟结果对比

通过以上模拟结果可以得出结论：优化后的简单链形悬挂设计方案在理论上完全能满足时速 160 km 的弓网受流质量要求，与原型弹性链形悬挂设计方案性能相当（表2）。

表2 2 种悬挂方式的模拟结果对比表

4 结语

白俄项目第一标段接触网系统已于2013年3月顺利开通，弓网运行状况良好，实践进一步证明优化后的接触网系统设计方案是切实可行的。

国情不同必然导致标准、规范存在较大差异，客观上给中国的接触网系统“走出去”造成了诸多困难。只有在确保接触网系统可靠性和安全性的前提下结合当地实际情况对接触网系统设计方案大胆地进行优化处理，使中国现有产品发挥最大优势，从整体性能上去满足系统设计的要求，才能实现中国接触网系统与境外铁路系统的无缝对接，同时达到有效控制经济和技术风险的目标。随着中国承建的海外项目不断增多，上述设计思路可为今后类似工程提供借鉴。

[1]于万聚.高速铁路电气化接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[2]TB/T 2075-2010.电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[3]TB/T 2809-2005.电气化铁道用铜及铜合金接触线[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]EN50119.Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S].Brussels:CENELEC,2001.

[5]EN50367.Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line(to achieve free access) [S].Brussels:CENELEC, 2006.