高速铁路接触网不同导线组合的载流能力分析

秦晓宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

接触网载流量是电气化铁路接触网的基础设计参数，也是决定牵引供电系统供电能力的主要控制因素，接触网各导线的线材以及导线截面由供电专业确定，因此接触网的载流量计算不仅是接触网各导线选型的重要基础，也是影响牵引供电方案设计的关键环节[1]。

我国高速铁路和重载铁路的快速发展使得列车牵引功率进一步提高，牵引供电系统的负荷电流成倍增大，因此对接触网的载流能力提出了更高的要求。从目前的牵引供电设计来看，通常是先根据供电方案计算供电臂电流，然后再依据供电计算结果，结合实际运营经验选择接触网的导线组合，但这一过程并未对接触网其他导线组合的载流能力展开过深入的分析和研究。

随着新标准TB/T 2809—2017《电气化铁路用铜及铜合金接触线》与TB/T 3111—2017《电气化铁路用铜及铜合金绞线》的发布与实施(以下简称“新标准”)，更是使接触网的载流能力成为电气化铁路供电设计的关键技术指标[2]。因此有必要基于新标准，对高速铁路接触网导线的载流能力进行分析，以期寻找最合理优化的导线组合方案，为今后的供电方案设计提供参考和技术对策。

1 高速铁路接触网导线载流能力

1.1 新标准的主要修订内容

新标准对接触网导线规格、材料类型、机电性能、载流量、磨耗性能等方面提出了更高的要求。

在接触网规格方面，取消了85 mm2以及110 mm2规格接触线，只保留120 mm2和150 mm2规格接触线。对于铜镁合金，新标准将其细化为CTM、CTMM、CTMH这3种。对于铜锡合金，新标准新增了CTSM、CTSH。新标准中还增加了我国自主研发、拥有独立知识产权的铜铬锆合金接触线CTCZ，以适应不同速度等级及载流量的要求[3]。

在载流量方面，旧标准仅给出了室外条件下，即环境温度40 ℃，风速0.5 m/s，日照强度1 000 W/m2的持续载流量。新标准在此基础上增加了室内持续载流量的指标及其载流量试验的条件要求。此外，新标准还说明了过载载流量的试验要求。为了判断接触线和承力索的载流能力，新标准规定铜合金接触线以及铜合金绞线的最高允许工作温度为95 ℃和150 ℃[4]。

新标准中还增加了接触线磨耗比作为评价指标，要求接触线磨耗比应满足≤0.015 mm2/万弓架次(试验用碳滑板、试验用浸金属碳滑板或其他复合基碳滑板)的规定[3]。这与原铁道部发布的技术文件TJ/GD 011—2009 《200～250 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件(OCS-2)》的要求是一致的[5]。

1.2 考虑接触线磨耗的导线载流能力

1.2.1 铜(合金)接触线磨耗面积计算方法

根据图1，已知接触线线材半径A、B；磨耗高度h；接触线中心至底面的高度a；则接触线磨耗面积Sm(即图中的阴影部分，mm2)可由公式(1)求得[6]

(1)

通过计算可得接触线在运行过程中磨耗高度与磨耗面积的关系，并由此计算出不同磨耗程度下的接触线磨耗比。

图1 铜(合金)接触线截面及相关参数

由公式(1)计算得出，当接触线磨耗高度为1.6 mm时，150 mm2规格接触线磨耗面积为9.892 mm2，磨耗比为6.5%；120 mm2规格接触线磨耗面积为9.323 mm2，磨耗比为7.7%，如图2所示。

图2 铜(合金)接触线磨耗计算

1.2.2 磨耗比的选择

若根据新标准中接触线磨耗比≤0.015(mm2/万弓架次)的要求，以信号机3 min布点、4 min追踪、一列车双弓运行的极限情况作为前提条件。经计算，接触网运行30年(接触网系统设计寿命应不小于30年[7])，产生的磨耗面积为9.855 mm2。当接触线截面为120 mm2时，磨耗比为8.21%，当接触线截面为150 mm2时，磨耗比为6.57%。接触网导线共计657万弓架次。

该计算结果与1.2.1节的计算结果相一致，且满足TB10621—2014《高速铁路设计规范》以及TG/GD124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》的相关要求[7-8]。

为了对比分析，主要考虑200～250 km/h速度等级下接触线的极端运行情况，此时磨耗比按限界值20%计算[8]。

1.2.3 导线允许载流量

当考虑接触线磨耗时，接触线的允许载流量会减小，减小量约为允许载流量乘以磨耗比。本文分别取不同的磨耗比δ，对室外条件下，最高允许工作温度为95℃及150℃时的接触线载流能力进行修正，结果如表1所示。

表1 接触线允许持续载流量 A

2 接触悬挂组合方案供电能力

目前牵引供电设计大多以接触网的载流需求作为前提，并依靠工程经验大致选取接触悬挂导线组合，但并未对接触悬挂不同导线组合的载流能力展开过系统的分析。基于此，对不同导线组合下的接触网载流能力进行计算。

2.1 电流分配系数

高速铁路接触网悬挂类型通常采用全补偿弹性链形悬挂，该种模式下，接触网可以看成由接触线、承力索并联组成。设接触线和承力索的电流分配系数分别为kc，kj，则接触网各导线的电流分配比例由相关阻抗确定，计算公式如下[9]

(2)

式中，zc，zj分别为分索、接触线的单位自阻抗，zjc为接触线和承力索之间的单位互阻抗。仅考虑其中一种链形悬挂接触网空间位置参数(表2)，根据新标准中对接触线和承力索的相关参数描述，可求得导线阻抗值，进而求得接触网各导线的电流分配系数。

表2 接触悬挂相关基础参数

注：未考虑加强线。

2.2 不同导线组合接触网综合载流能力

根据电流分配关系以及接触网各导线的持续载流量，对接触网不同导线组合的综合载流量及线索载流能力利用率进行计算。限于篇幅，仅展示考虑磨耗下，导线最高允许工作温度取95 ℃时的计算结果。

若采用承力索/接触线为JTMM120/CTM150组合方式，在室外试验条件下，该组合导线电流分配比kc/kj为0.511/0.489；接触网允许载流量为859 A，该线索组合的匹配受限于接触线载流能力，接触线处于欠载状态。其载流能力利用率为93%。

3 接触网导线选型与配置

3.1 导线选型流程

(1)首先估算接触网载流量，按工程经验大致选取导线组合，以保证供电方案的合理性。

(2)根据设计方案计算接触网的载流需求，校核不同导线组合的载流能力。

(3)考虑工程特点和接触网载流量需求，经综合比选后确定最佳的导线配置方案。

3.2 载流量需求计算

牵引供电计算的供电臂电流特征值有供电臂平均电流、有效电流、短时最大有效电流、20 min有效电流以及瞬时最大电流等[10]，根据不同电流特征值的适用范围，选取最合适的参数校核接触网导线的载流量。

3.3 工程实例

以某新建客运专线为例，选取典型供电区间对接触网导线配置原则进行分析。

该线路设计最高运行速度为250 km/h，开行CRH5型动车组(短途采用8辆编组，长途采用16辆编组)和HXD3机车。采用240 min矩形天窗，列车最小追踪间隔5 min。

设计根据行车原始资料对供电臂电流特征值进行计算，并考虑8辆编组紧密运行、8辆编组追16辆编组紧密运行以及16辆编组紧密运行3种情况进行校核，结果如表3所示。

表3 供电臂各种电流特征值计算结果 A

根据表3计算结果，供电臂瞬时最大电流值最大，但接触网载流量仅考虑持续载流量，因此瞬时电流不作为评价指标。另一方面，其出现概率相对较低，以此特征值进行载流量校核可能会造成资源浪费。20 min有效电流和短时最大有效电流在16辆编组紧密发车情况下达到最大值，分别为850 A和1 034 A，考虑到本线仅开行1趟长途16辆编组动车组，因此结合实际运营情况，按8辆编组追16辆编组紧密运行情况进行校核更为合理，此时20 min有效电流、短时最大有效电流分别为637,754 A。因此本文选取20 min有效电流和短时最大有效电流来分别校核导线的持续载流量及过载载流量。

根据载流量需求，选择6种导线组合方案进行分析，如表4所示。导线的最高允许工作温度越高，其所允许传输的电流越大。当考虑20%最大磨耗时，CTMH150+JTMH120、CTSM150+JTMH120、CTSH150+JTMH120导线组合能满足接触网的综合载流量需求，且CTSM150+JTMH120的综合载流量较高，载流利用率也较高。而CTSM120+JTMH95组合利用接触线自身过载能力也能满足要求。因此，从电气性能方面，这4种导线组合均具备供电能力。

高速铁路接触网导线除了具备良好的电气性能以外，还应采用抗拉强度高、耐腐蚀能力强、耐高温性能好的铜合金线。《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》规定，120 mm2铜合金接触线应选用20 kN张力，150 mm2铜合金接触线应选用25 kN张力[5，11]，则CTSH、CTMM、CTMH、JTMH均符合条件。

表4 不同导线组合载流量

注：1.表中载流量系按环境温度40 ℃，风速按0.5 m/s的室外条件计算而得；

2.取δ=δ30时，120 mm2接触线磨耗按8.21%考虑，150 mm2接触线磨耗按6.57%考虑。

另一方面，铜锡接触线相较于铜镁造价较低，施工工艺相对简单，常用于我国已运营的250 km/h电气化铁路中[1]。考虑本工程相邻铁路线路的导线组合情况，经技术造价综合比选后，推荐采用CTSM150+JTMH120导线组合。

4 结论

基于以上分析结果，对设计速度为200～250 km/h的高速铁路接触网导线选型提出以下建议：

(1)从导线组合矩阵看，接触网有多种组合均能满足本工程接触网的载流量需求，若考虑导线的过载能力，则接触网导线载流的安全裕度较大，因此设计中应对多种导线组合进行分析，确定最优的导线配置方案。

(2)从载流量角度出发，根据本文供电臂电流计算结果可知，接触网最高工作温度可选取为95 ℃。

(3)相较于按接触线磨耗限界经验值选取磨耗比的方法，本文采用的按接触线系统设计寿命选择磨耗比的方法更加符合运行实际，使其接触网导线选型也更加合理灵活。

(4)采用20 min最大有效电流和短时最大电流来校核接触网持续载流量及过载载流量更为合理；

(5)本文研究对接触网导线选型具有一定的参考价值，但在实际设计中常常会遇到特殊线路，比如大坡度等，因此需结合具体项目特点具体分析。