大风区域电气化铁路接触网防风技术

中国铁建电气化局集团第二工程有限公司 李其楠

1 引言

铁路是国家基础建设的重点投资项目，同时也为实现国民经济发展提供关键助力[1]。电气化铁路在穿越大风区域时，其接触网受到风力扰动的影响，不仅会带来结构不安全因素，而且会影响电流和电信号传输的变化[2]。为了提高电气化铁路接触网的抗风能力，本文研究铁路接触网防风技术改进方法，结合现有设计标准和相关理论研究成果，对产生问题的原因进行分析，并对强风地区接触网设备选型提出优化建议。

2 风力对电气化铁路运行影响分析

2.1 风力过大影响铁路运行安全性

接触网在电气化铁路系统的稳定运行过程中，一方面传递动力信号，另一方面传递控制信号，相当于铁路系统的神经中枢[3]。接触网可以有效连接各种隔离开关、避雷器、高低压变压器和其他动力设备。通过观察对比发现，风力过大时接触网连接头受到频繁扰动，会增大事故出现的风险，可能发生的事故为连接线的连接部分反复磨损，存在断裂的可能，会引发脱线；引线可能存在因为磨损出现断股的现象，如果更换不及时，会影响信号的传输，给铁路系统的安全稳定运行带来风险；相邻引线或者脱落的引线可能在风力的作用下，因为绝缘皮破裂而相互搭接，从而引发短路风险，严重时甚至会造成火灾等自然灾害事故。

2.2 防风措施不当会增加铁路系统的运营成本

对于布设在大风区域的电气化铁路系统，需要做好触控网防风措施[4]。由于防风措施的科学性和可操作性不强，可能会额外增加铁路系统的运营成本。一方面，大风作为一种自然现象，很难观测和预警，其发生频率具有极大的随机性，如果采用的防风措施过于复杂，必然会额外使用很多电器电子设备，这些电器电子设备需要调拨专项资金进行运维，导致铁路系统的运营带来额外支出。另一方面，如果铁路系统触控网防风措施不科学，在风力增大时发挥不了有效的作用，必然会导致铁路系统因为风力破坏产生安全运行风险，从而造成安全事故。目前铁路系统机务段采取人工观测的方法监控风力变化，这种方法需要投入大量的人力，同时观测结果不准确，为了减少因为防风措施不当造成的铁路系统运营成本超额，除了制定科学合理的防风措施之外，还应该实现人工作业向智能化监测的转型[5]。

3 电气化铁路触控网防风可行方法

3.1 改进结构设计实现防风

接触网是一个复杂的多元（连接点）耦合结构，具有强大的整体相关性。对接触网的防风性能进行改进，基本的方法是改进结构设计。

铁路接触网为了增加抗风阻力，需要优化隔离开关与框架支柱之间的相对高度。隔离开关是铁路系统必不可少的功能性元件，为了减少引线故障对接触网本身供电能力的负面影响，隔离开关一般设置在接触网的上网点处。工作人员为了实现结构平衡，设计隔离开关的安装位置时需要进行受力分析。此时，除了实现静态力学平衡之外，还需要考虑到风力的干扰。根据工程实践经验，隔离开关与接触网上网点之间的距离至少要保持0.5m，当风力变大时需要适当降低。

研究人员在进行电气化铁路接触网优化设计时，需要考虑到引线的绝对地缘距离因为热胀冷缩现象而引发的变化。接触网与各个元器件的连接节点以及接触网上各种元器件之间的连接节点之间必须控制精准的长度裕度，但是由于铁路接触网经常分布在野外，不可控的环境温度变化经常会改变长度裕度值，从而使各个连接节点之间的电阻值发生改变。因此，进行接触网连接节点设计时，需要考虑到环境温度变化的影响，同时需要进行风力对长度裕度值的动态影响模拟，使长度裕度值能够抵消这两种已知的动态值的不良影响，从而实现对接触节点电阻值的精准控制。

3.2 利用增强技术实现防风

接触网利用增强技术实现防风。一方面需要改进结构设计，比如架设支撑点的位置。在隔离开关与承力索的连接部位，需要架设相当于固定支撑点的托架。托架的形式一般设计成长条形，同时采用三脚架的形式进行支撑。三脚架与托架、托架与隔离开关和承力索的连接部分，这些接触点的承力结构设计需要考虑到风力的冲击，增加合适的结构稳定裕度才能够保证在风力的冲击下依然保持稳定。另一方面，需要采用新材料构建托架与三脚架。由于铁路接触网在实际运营过程中需要考虑到经济成本，并且风力对接触网的冲击经常表现为长时间微扰动的形式，如果选择的材料韧性不达标，很可能会因为微扰动引发共振从而对接触网造成永久性破坏，或者经受不住风的扰动频繁出现断裂现象。因此，利用增强技术实现防风，既需要考虑到结构形式的改进，也需要选择合适的材料。

3.3 通过引线合并实现防风

研究人员通过将单一的引线进行合并来实现提高电气化铁路接触网的防风效果，这也是增强防风性能的重要技术措施。高铁接触网上的引线，在其分散时，防风能力减弱，而将引线通过绑扎进行合成，则会显著提高引线的自身稳定性。通常比较科学的引线绑扎形式是呈“品”字形进行绑扎。

4 电气化铁路触控网防风实现实例

4.1 仿真设置

选择京九线途经湖北某县的一段铁路进行仿真试验。该路段所经地理位置复杂，属于两山夹缝之间的风口地带，频繁遭受长时间、大风力的扰动。研究人员为了改进铁路接触网的防风性能，需要构建接触网的气动仿真模型。

气动仿真模型采用基于COMSOL 架构的二次开发软件实现。选择典型的直链形悬挂方式进行全补偿优化仿真。接触网支架的类型选择Φ300×8.5的钢管柱，匹配张力与偏移量预设值见表1。

表1 匹配张力和偏移量预设值

4.2 仿真结果

本文采用改进结构形式的方式实现防风性能的增强，主要研究隔离开关与接触网上网点之间的距离与结构强度的变化关系。假设风力的速度为3m/s，直链形悬挂方式的结构强度与隔离开关和接触网上网点，相对距离与结构强度之间的变化关系如图1所示。

图1 相对距离与结构强度之间的变化关系

由图1 可知，选择相对距离的最小值为0.5m，结构强度与相对距离之间的变化关系不是线性的。随着隔离开关和接触网上网点之间的相对距离不断增大，直链形悬挂方式的结构强度会逐渐增强，其承力性能不断变优；当相对距离增加到某一个限定值之后，结构强度会逐渐下降。根据仿真结果可以判断，当风速为3m/s 时，最佳的相对距离为1.05m，此时结构强度达到最大值，约325kN。

另外，可以改变风速值，研究当相对距离为1.05m 时，风速与结构强度之间的变化关系如图2所示。

图2 风速与结构强度之间的变化关系

由图2 可知，在固定的相对距离条件下，风速与结构强度之间的变化关系同样是非线性的。随着风速的增加，在隔离开关和接触网上网点之间的相对距离为最优值时，直链形悬挂方式的结构强度会逐渐增强，并且在风速达到2.25m/s 时达到最大值。结果说明，通过调整相对距离，可以使接触网的结构强度在一定范围内保持对风力带来的干扰实现有效抑制，从而实现接触网的相对稳定。但是，这种相对稳定状态会随着风速的增加而遭到破坏，会随着风速的增大而出现结构强度下降趋势。因此，选择隔离开关和接触网上网点之间的相对距离时，需要综合考虑风速的影响，这样才能够选择最优的相对距离，并且在较大的裕度范围内实现结构强度的稳定。

4.3 结构改进注意事项

研究人员采用改进结构设计的方式，提高大风区域电气化铁路接触网的防风性能，在设计和施工中需要注意以下事项。

一是采用系统的观点分析问题并提出设计方案。由仿真实例可以看出，为了提高接触网的防风强度，不仅需要考虑风速的大小，还需要综合考虑隔离开关和接触网上网点之间的相对距离。这说明，研究人员在进行铁路接触网防风方案设计时，需要综合考虑多种要素，需要关注结构强度变化受到多种因素的制约作用，这样才能够以最低的成本实现结构强度的最优设计。

二是提高施工水平。铁路接触网通过多元器件实现多种电气元件的连接，属于相对精密的铁路设备。因此，在进行施工时，一方面需要关注因为元件不同位置分布带来的形状变化，另一方面需要对元件连接进入接触网之后相关电阻值的变化进行实时测量，避免因为元器件和结构设计的改变引起电阻值超标给接触网电流传输带来额外的限制，从而影响接触网的实际使用性能。

5 结语

大风区域电气化铁路接触网防风技术的改进实现，是一个复杂的系统工程，不仅需要关注技术实现的细节，同时需要综合考虑多种因素的影响。本文结合风力对电气化铁路运行效能的影响分析，提出了改进电气化铁路触控网防风性能的可行性方法，选择京九线途经湖北某县的一段铁路进行仿真试验，说明了如何利用改进结构形式的方式实现防风性能的增强。运维人员在后续的施工中，需要围绕本文提出的技术措施进行深入研究，提出具体可行的施工方案，同时采用系统论的观点分析多因素耦合带来的复杂影响，这样才能够进一步提升电气化铁路接触网的防风性能，保障铁路的安全稳定运行。