1、第一部分 高速接触网的设计理念第一部分 高速接触网的设计理念1. 接触网设计的安全性及可靠性高速铁路由于列车运行高，列车制动距离长，一旦发生弓网事故，除了对受电弓产生毁灭性破坏结果外，同时将造成大面积的接触网损坏。因此，应将高速接触网设计的安全性放在第一位，尤其要处理好接触网线岔及锚段关节处的设计方案，以杜绝弓网事故。 另一方面，高速铁路由于行车密度大（列车追踪间隔34min），一般不设图定维修天窗，而仅在夜间设有46个小时的固定维修天窗。因此，对接触网的可靠性（特别是接触网零部件）提出了更高的设计要求。2. 接触线的设计使用寿命对于高速弓网受流系统，弓网间的动态接触力较常速弓网受流系统有显著
2、的提高，离线率也将有所提高。因此，弓网间无论是机械磨耗还是电气磨耗，较常速弓网受流系统都将加剧。为此，必须对接触线的设计使用寿命提出明确要求，以便采取相应的设计措施予以保证。 接触线的设计使用寿命系按弓架次计算。参照国外设计理念，接触线的设计使用寿命应在250万弓架次以上，相当于平均每天170对车双弓运行20年以上。为此，需要采用耐磨性能好的铜合金线。3. 接触线的波动传播速度为了实现高速运行，接触线应具有与列车最高运行速度相适应的波动传播速度。根据国外高速铁路接触网运营经验，列车最高运行速度与接触线的波动传播速之比宜控制在0.7以下，否则将出现难以接受的燃弧率或离线率，烧损接触网（特别是接触
3、线和吊弦）及受电弓滑板，进而缩短接触网及受电弓滑板的使用寿命，甚至引发接触网断线事故。为此，在接触线截面确定的情况下，应尽量提高接触线的张力，这就要求采用具有高抗拉强度的接触线。 接触线波动传播速度（km/h）：式中：T-接触线的张力（N） P-接触线的线密度（kg/m）世界各国典型高速铁路的接触网波动传播速度高速铁路接触线波动传播速度 列车运行速度 =V/CC（km/h）V（km/h）日本九州新干线520260(300)0.50(0.58)日本山阳新干线4103000.73法国地中海线4933500.71法国大西洋线4413000.68德国法兰克福科隆线 5693300.58西班牙马德里巴塞
4、罗那线 5503500.644. 接触网的弹性及其不均匀度随着运营速度的提高，弓网间的动态接触压力及接触线的动态抬升量也将随之加大。为了确保列车运行安全和延长接触网的使用寿命，应将接触线的动态抬升量限制在合理的范围之内。为此，要求接触网应具有较小的弹性，而降低接触网弹性最有效的途径就是提高接触网的张力。 如果接触网的弹性不均匀度太大，将导致接触线和受电弓的运动轨迹不平缓，进而使得接触线振动幅度加大，接触线会因弯曲疲劳而缩短使用寿命。因此，应将接触网弹性不均匀度限制在较小的范围之内，在接触网悬挂方式确定的情况下，提高接触网张力仍是降低弹性不均匀度最有效途径。5.与高速接触网相匹配的受电弓接触网与
5、受电弓是一个相互间共同作用而不可分割的动态受流系统。要想取得满意的弓网受流质量、实现高速运营的目标，不但要求接触网应具有优越的性能，而且还应要求与之匹配的受电弓也应具有优越的性能。接触网可按不同的速度目标值形成一系列的标准设计，受电弓也可按相应的速度目标值形成系列产品，如德国的标准接触网有Re160、Re200、Re250、Re330系列，受电弓产品有DSA200、DSA250、DSA350、DSA380系列。 弓网受流质量优劣与否，可通过计算机仿真模拟的手段或通过实际测试的方法，按相关标准对其结果进行评价。第二部分 高速接触网的相关设计标准1.弓网受流质量评价标准等规范关于弓网受流质量评价标
6、准参考了欧洲、日本系列标准：EN50119、EN50367、EN50317、EN50318、TSI energy subsystem、JRS等，具体如下：平均接触力Fm。从图可知：当最高运行速度分别为200km/h、250km/h、300km/h和350km/h时，平均接触力分别为109N、131N、157N和189N。接触力最大标准偏差。规定接触力最大标准偏差为平均接触力的30%。当最高运行速度分别为200km/h、250km/h、300km/h和350km/h时，对应的接触力最大标准偏差分别为33N、39N、47N和57N。最高运行速度下的燃弧率为0.14%。 定位器允许抬升量与实际最大抬
7、升量之比值。该标准规定为2倍，亦即定位器允许上抬空间是正常情况下接触线抬高量的2倍，以保证受电弓通过定位器点的安全。当对弓网间动态受流质量进行评价时，如果受测量手段限制，对接触力（或标准偏差）和燃弧率只需评价其中的一个项目即可。例如，德国仅测接触力，法国则仅测燃弧率。对于燃弧率的测定方法，TSI标准中有明确的规定。对于燃弧率标准的直观判据，EN50119标准（关于铁路应用固定安装电力牵引接触网）规定：如果每100m接触网范围内出现持续时间大于10ms（且最大为25ms）的可见电弧不大于一次，则视为弓网受流质量良好。 关于定位器允许抬升量与实际最大抬升量之比值， EN50119标准规定：如果定位
8、器带限位功能，该比值应不小于1.5倍。不限位定位器工作原理限位定位器工作原理2.对高速接触网的基本要求UIC794标准（关于欧洲高速铁路网弓网间相互作用，1996年版）对高速接触网的基本要求如下：3.对受电弓的基本要求TSI标准对受电弓的基本要求如下：1600mm受电弓外形轮廓1950mm受电弓外形轮廓关于受电弓弓头宽度。欧洲国家受电弓弓头宽度类型较多，主要有1450mm、1600mm、1950mm三种，对于跨国运行列车，往往一列车上装备有23种不同弓宽的受电弓。为此，欧洲铁路联盟规定：对于新建高速铁路，接触网按能满足1600mm弓宽受电弓运行进行设计。我国既有电气化铁路机车受电弓弓头宽度一般
9、为19502160mm，因此，我国客货共线或客运专线铁路将统一配备1950mm弓宽受电弓。关于受电弓弓头最大电气宽度。弓头最大电气宽度系指一架受电弓两条滑板之间的平行距离，主要是为了保证受电弓通过器件式电分相时不至于引起异相短路。如下图所示，要求 d l。D1-无电区长度，指靠近中性段中心的两绝缘转换柱绝缘子外侧间的距离D2-中性段长度，指远离中性段中心的两绝缘转换柱绝缘子内侧间的距离双弓间的距离（L）大于中性段的长度(D2) 双弓间的距离（L）小于无电区的长度（D1） 4.接触线安全系数标准EN50119标准关于接触线允许工作应力的规定如下：接触线的允许工作应力应不超过其最小拉应力的65%，
10、并考虑接触线允许工作温度、允许磨耗面积、冰风荷载、补偿效率、终锚零件、接触线焊接情况等不利因素引起的折减系数。 按照国内传统的概念，安全系数可以理解为线材的最小拉应力与其实际工作应力之比值。以德国、法国、西班牙的三条典型高速线为例，接触线的安全系数如下表：第三部分 高速接触网的设计方案1接触网悬挂方式高速接触网悬挂方式主要有三种，即复链、简链、弹链。国外经验表明，三种悬挂方式均能满足时速300km/h以上高速运营要求。复链型悬挂（主要代表国家为日本）的性能最为优越，接触网弹性最为均匀，接触线的动态抬升量也最小，最适合于高速运行。但因增加了一根辅助承力索，结构较变得复杂，施工及运营维护不方便，事
11、故抢修难度大。 弹性链形悬挂（主要代表国家为德国）因在悬挂点处增加了一根弹性吊索，可改善接触网的弹性不均匀性，但接触线动态抬升量较大，导线容易产生疲劳，且弹性吊索安装、调整工作量大，事故抢修难度也较大。 简单链型悬挂（主要代表国家为法国）弹性不均匀度较大，动态接触力标准偏差较弹链和复链大，但能够满足高速弓网受流要求，接触网可达到预期的使用寿命（250万弓架次以上），且国内具有丰富的设计、施工及运营经验，更适合于我国国情。日本复链型悬挂日本简单链型悬挂德国弹性链型悬挂法国简单链型悬挂京津城际简单链型悬挂2接触线的选择国外时速300km/h及以上接触线的应用情况从国外高速客运专线接触线的使用情况来
12、看，主要以铜锡和铜镁合金线为主。铜锡和铜镁线均能满足高速铁路高抗拉强度的要求，在导电性方面，0.2%含量的上述合金线有80%左右的导电率，而0.5%含量的上述合金线则只有60%左右的导电率。目前铜锡、铜镁合金线已经实现了国产化，但因铜镁合金线制造工艺复杂，国产化难度相对较大。 京津城际采用了德国进口的120mm2铜镁合金线,合金镁的含量为0.5%,导电率仅为62%，导线使用张力为27kN。 武广、郑西客专同时采用了进口和国产的150mm2铜镁合金线,合金镁的含量为0.5%,导电率为62%，导线使用张力分别为30kN、28.5kN。3导线高度在满足建筑限界的情况下，接触线的悬挂高度应尽量低，以减
13、小空气动力对弓网受流质量的影响。国外高速铁路接触线高度如下：日本：5000mm法国：5080mm德国：5300mm 京津城际、武广客专、郑西客专接触线悬挂点高度为5300mm，最低点不小于5150mm。对于仅运行动车组的客运专线，可仅考虑受电弓的工作高度、机车车辆限界，接触导线的最低点高度为不小于5150mm。如果为无砟轨道，接触导线在悬挂点高度可按5300mm考虑，如果是有砟轨道，考虑今后线路养护抬道等问题，接触导线在悬挂点高度可按5500mm考虑。 对于同时运行动车组和电力机车的客运专线，可仅考虑受电弓的工作高度、机车车辆限界，接触线最低点高度为不小于5200mm，接触导线悬挂点高度按55
14、00mm考虑。 对于兼顾货物运输的客运专线，主要考虑货物列车的装载等级：通行一级、二级超限的线路，接触导线的最低点高度不小于5350mm，接触导线悬挂点高度可按55005650mm考虑（无砟轨道按5500mm、有砟轨道按5650mm）；通行超级超限货物运输的线路，接触导线的最低点高度不小于5650mm，接触导线悬挂点高度可按58006000mm考虑（无砟轨道按5800mm、有砟轨道按6000mm）；通行双箱货物运输的线路，接触导线的最低点高度不小于6330mm，接触导线悬挂点高度可按6450mm考虑。4结构高度结构高度大小主要取决于允许的最短吊弦长度。对于两端都有吊弦线夹的整体式吊弦来说，吊弦
15、长度越短，其呈现的刚度越大，对弓网受流越不利。根据国外经验，对于高速而言，最短吊弦长度不宜小于800mm，与之对应的接触网结构高度不宜小于1400mm。国外高速铁路接触网结构高度如下： 法国：1400mm（简链） 德国：1600mm或1800mm（弹链） 日本：950mm（简链）或1500mm（复链） 京津城际的结构高度一般为1600mm，跨线建筑下最小结构高度1100mm，最短吊弦500mm。 注：日本接触网结构高度较小，主要是其采用了承力索端无吊弦线夹的绝缘式吊弦。5吊弦结构形式吊弦结构形式大体可分为以下三类：无鸡心环式整体吊弦。该种吊弦两端均采用压接工艺，虽然具有一定的载流能力，但运营实
16、践表明，压接处容易出现疲劳断裂。国外（如法国）以及国内早期电气化线路有应用（如广深、京郑），目前国外高速线以及国内线路已基本不用。带鸡心环式整体吊弦。可克服无鸡心环式整体吊弦压接处易断裂的缺点，同时载流能力强、吊弦不易被烧损。目前，国内外大多采用该种吊弦。绝缘吊弦。绝缘吊弦主要是日本采用。绝缘吊弦无鸡心环式整体吊弦带鸡心环式整体吊弦整体吊弦的采用是系统集成带来的一大进步6腕臂结构形式法国：套管绞环+钩头鞍子形式，钢质腕臂德国：不可调承力索座形式，铝合金腕臂日本：可调承力索座形式，钢质腕臂意大利：可调承力索座形式，钢质腕臂京津城际：可调承力索座形式，铝合金腕臂7定位装置设计思路欧洲标准EN501
17、19规定：当定位器不带限位功能时，其自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍；当带限位功能时，定位器自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的1.5倍。 欧洲标准EN50367规定：受电弓动态包络线的上抬量为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍。受电弓动态包络线的左右摆动量与线路、轨道、机车等的性能有关，实测值较难确定，一般根据运营经验取值为250300mm。 法国采用的弯形定位器不带限位，允许最大抬升量为400mm；德国采用带限位的直形定位器，限位抬升量为150180mm法国地中海线 （不限位定位器）7定位装置设计思路意大利罗马那不勒斯线（不限位定位器）德国纽伦堡英格尔斯
18、塔特线（限位定位器）西班牙马德里巴塞罗那线（限位定位器）日本北陆新干线（限位定位器）7定位装置设计思路京津城际（限位定位器）直线上直型定位器曲线上折线型定位器8张力补偿装置法国：1:5+1:5铝合金滑轮组8张力补偿装置德国：1:3+1:3棘轮8张力补偿装置日本： 1:3变比鼓轮8张力补偿装置京津城际：1:3+1:3棘轮9锚段关节形式国外高速接触网锚段关节形式较多，三跨、四跨、五跨均有应用实例。日本和法国一般采用四跨关节形式；德国汉诺威维尔茨堡（Re250）、曼海姆斯图加特（Re250）、柏林汉诺威（Re330）三条高速铁路均采用五跨关节形式，法兰克福科隆（SICAT-H1.0）高速铁路则采用三
19、跨（非绝缘）和五跨（绝缘）关节形式；西班牙马德里巴塞罗那（EAC-350）和意大利罗马那不勒斯高速铁路均采用四跨关节形式。三跨非绝缘四跨非绝缘五跨非绝缘9锚段关节形式五跨关节立面示意图四跨关节立面示意图9锚段关节形式三跨和五跨关节在跨距中部过渡，跨中两支接触线相对于悬挂点高出约50mm；四跨关节则在定位点过渡，两支悬挂在中心柱外侧第一吊弦之间形成一等高过渡段，非支从第一吊弦点开始抬升，中心柱定位器一般按不受力设计。 各国的运营经验表明，只要锚段关节安装调整得当，无论三跨、四跨、五跨，均可取得满意的受流效果。五跨关节内侧两转换柱处非工作支接触线抬高量一般为150mm，因处于受电弓动态包络线以内，
20、故仍需采用定位器，且该定位器需要特殊设计，特别是五跨绝缘关节的转换柱处。相对而言，四跨关节的安装调整较为容易，无需采用特殊定位器，且安全性较好。 京津城际采用了五跨关节形式。9锚段关节形式五跨关节特殊定位器实例10线岔形式高速接触网线岔可分为交叉和无交叉两大类，其中无交叉线岔又可分为两支无交叉和三支无交叉（锚段关节式）两种形式。A、C为悬挂点，B为交叉点，悬挂A点一般位于线间距0400mm范围之内，交叉点B位于线间距400700mm范围之内。在悬挂点A处，正线接触线拉出值为300400mm，并按正常接触线高度设计，侧线接触线拉出值一般为400550mm，并抬高约150mm，使得A点处侧线接触线
21、位于受电弓的正常动态抬升量以外。在悬挂点C处，正线接触线按正常高度设计，侧线接触线比正线高30mm。 高速用交叉线岔原理10线岔形式在交叉点B处，为了减小接触网的硬点影响，正线接触线相对于正常高度抬高10mm（通过吊弦实现），侧线接触线相对于正线抬高20mm，与悬挂点C处高度一致。侧线在AB段按抛物线抬高，在BC段靠近线岔处（线间距500mm600mm处）设有一交叉吊弦（正线接触线通过吊弦悬挂于侧线承力索上，侧线接触线通过吊弦悬挂于正线承力索上），意在使始触区附近两支接触线在动态作用下能够同步抬升。 京津城际采用了该种线岔形式。 10线岔形式平面布置线岔交叉吊弦10线岔形式优缺点： 由于限制管
22、的存在，当列车高速通过正线时，由于接触线抬升量较大，受电弓必然要接触两支接触线，在交叉点附近形成相对硬点是难免的，弓网间将产生较大的冲击，从而加剧线岔处接触线的局部磨耗，另外还存在钻弓、打弓的危险。另外，线岔处正线接触线的高度要求非常严格（比正常高度高出10mm），施工精度实难保证；当道岔号码较大时，限制管的长度将变得很长，否则两支接触线无法自由伸缩。 相对于两支无交叉线岔而言，如果侧线行车速度不高，则其侧线行车较为有利，因为受电弓的转换过渡较为平缓；但如果侧线行车速度也较高，那么仍然存在正线行车的上述不利因素。 10线岔形式A、C为悬挂点，B为侧线支接触线始抬点，悬挂点A一般位于线间距500
23、600mm处，侧线支接触线始抬点B一般为悬挂点A右侧第3吊弦处。悬挂点A处，正线接触线拉出值为350400mm，并按正常接触线高度设计，侧线接触线相对于正线线路中心的拉出值一般为9501000mm，并抬高90130mm（视道岔号码大小而定），使得A点处侧线接触线位于正线上运行的受电弓正常动态抬升量（该值可通过弓网模拟确定）以外。BC段正线、侧线接触线一般按等高设计，侧线接触线自B点开始按抛物线抬高，至悬挂点A处时抬高90130mm，正线在AC段始终按正常高度设计。两支无交叉线岔原理当正线高速行车时，侧线接触线始终位于受电弓正常动态抬升量以外，受电弓只与正线接触线接触，而不与站线发生任何关系，因
24、此正线行车具有绝对的安全性。当列车由侧线驶入正线时，在B点以前受电弓只与侧线接触线接触，通过B点以后大约在AB段的中部附近位置，受电弓在与侧线接触线接触的同时，其一侧的倒角将开始触及正线接触线，并随着列车的前行，受电弓滑板将脱离侧线接触线而转入正线接触线取流，直至完全驶入正线。当列车由正线驶入侧线时，在A点以前受电弓均从正线接触线取流，当受电弓到达AB段的中部附近位置时，受电弓滑板将脱离正线接触线，在其静压力作用下与抬高的侧线接触线相接触（此处侧线接触线抬高值宜控制在50mm左右），进而转入从侧线接触线取流。 优缺点： 优点是可以保证正线高速行车的安全，缺点是侧线行车时受电弓的转换过渡不是很平
25、缓，也就是说侧线允许通过速度不能太高，一般不宜超过80km/h，否则弓网间将产生较大的冲击。该种线岔形式适合于与正线相连的车站到发线道岔。 三支无交叉线岔原理渡线电分段采用了四跨绝缘锚段关节形式（关节3），以避免采用分段绝缘器产生的硬点影响。关节1和关节5为四跨非绝缘锚段关节，关节2和关节4为五跨非绝缘锚段关节（相邻两支悬挂各形成一个锚段关节）。悬挂1为正线接触悬挂，悬挂2为导向支接触悬挂（相对于另一正线而言又为侧线支接触悬挂），悬挂3为侧线支接触悬挂（相对于另一正线而言又为导向支接触悬挂），从B柱到C柱的区域为正线和侧线之间的转换区域（五跨关节的中心跨）。上图的布置形式基于侧线（或渡线）有电
26、分段要求，如果侧线无电分段要求，导向支接触悬挂2可在经过C柱并在D柱过渡后下锚。 当列车在正线上运行时，受电弓不与侧线支接触线接触，但在关节1和关节2处与导向支接触线存在转换过渡关系；当列车由正线驶入侧线时，受电弓首先在关节1处由正线接触线过渡到导向支接触线，然后在关节2处（B柱到C柱之间）由导向支接触线过渡到侧线支接触线，经过C柱以后完全驶离道岔进入侧线运行；当列车由侧线驶入正线时，受电弓首先在关节2处（C柱到B柱之间）由侧线支接触线过渡到导向支接触线，经过A柱以后在关节1处再由导向支接触线过渡到正线接触线，进而完全转入正线运行。 总之，对于锚段关节式线岔，无论正线行车还是侧线行车，非支接触
27、线始终处于受电弓的动态包络线以外，且受电弓在工作支与非工作支之间的转换过渡非常平缓，因此其安全性好，且允许侧线行车速度较高（可达160km/h以上，与道岔本身允许通过速度有关）。 10线岔形式优点：无论正线还是侧线高速行车，受电弓的转换过渡 都非常平缓，并可保证行车安全。缺点：接触网的布置相对复杂，施工调整比较麻烦。 结论与建议 基于三种线岔形式的原理及其优缺点，对于高速客运专线，为了保证良好的弓网受流质量和确保正线接触线的使用寿命，应避免采用交叉布置形式，而采用无交叉布置形式。如果侧线通过速度要求较高（80km/h以上），应采用锚段关节式线岔形式；如果侧线通过速度要求不高（80km/h以下）
28、，可采用两支无交叉线岔形式。 11支柱形式德国：以环形带椎度的钢筋混凝土支柱为主11支柱形式日本：环形等径钢管支柱11支柱形式法国和韩国： H型钢柱11支柱形式西班牙： 双槽钢角钢焊接型钢柱11支柱形式意大利： 双槽钢圆钢焊接型钢柱11支柱形式京津城际： 采用H型钢柱，为了增强防腐效果，支 柱既镀锌又涂漆。12基础形式为了减少接触网支柱基础施工对路基的稳定性影响，客运专线接触网支柱基础一般采用机械钻孔灌注桩基础。基础施工工艺流程12基础形式12基础形式国外支柱基础12基础形式国外拉线基础京津城际：基础为站后专业施工，路基段不连续且基础数量少，受机械设备等因素制约，仍采用人工开挖基坑。13接触网
29、接地方式对于列车密度高、客流量大的客运专线，旅客的安全至关重要的，接地系统必须满足相关的安全标准。 高速列车负荷电流、故障短路电流均比既有铁路大，因此地网中钢轨电位也大大增高，采用传统的接地方式不能满足相关标准要求。 根据国外经验，宜采用综合接地方式。综合接地可以简化网上结构，直接接地，可靠性高，并有效降低钢轨电位，同时可避免沿线的各设备相互干扰和故障，提高整体可靠性。京津城际也采用了综合接地方式，线路两侧各设有一根70mm2贯通地线（材质）。13接触网接地方式综合接地方式13接触网接地方式14电分相设计方案客运专线动车组有两种编组模式： 短编组：8辆编组，单受电弓运行 长编组：16辆编组，双
30、受电弓运行 接触网电分相的设置应满足本线所有动车组的运行模式。双受电弓运行时，两弓高压部分之间一般无母线连接，但低压控制部分具有连锁关系，即两断路器同时开断和闭合。两弓间的距离应大于电分相中性段的长度D2或小于无电区的长度D1，以防止两受电弓将不同相位的接触网短接。 短分相方案长分相方案14电分相设计方案法国高速铁路采用的是短分相设计模式，即电分相中性段区长度小于双弓间距。分相关节为7跨，中性段长度为162m。 动车组断电过电分相，地面信号采用点式应答器方式。双弓运行时动车组断电惰行距离在450m以上，惰行时间约5s（300km/h速度下），失速约10km。14电分相设计方案日本新干线采用的是
31、动车组带电过分相模式。通过设于所内的真空开关的自动切换（地面轨道电路触发），让中性段（长度750m以上）接触网在A、B两相电之间切换。在电源切换过程中，列车无电运行的时间仅为0.250.35s。 该种自动过分相方式的优点是：动车组可满负荷通过，无电运行时间短，基本上无速度损失。缺点是：需建设专用轨道电路，地面开关设备复杂，投资大，电源切换过程易引起过电压重燃，导致转换失败而发生异相短路切换。14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案动车组不分闸自动过分相14电分相设计方案京津城际采用的是长分相设计模式，即电分相无电区长度大于双弓间距。按照长编组动车组受电弓前-前、后-后运行方式，双弓间距为201m
