神朔铁路接触网大修改造方案研究

王碰雄

国家能源集团神朔铁路分公司，陕西神木，719300

0 引言

电气化铁路作为国民经济的大动脉，在我国交通运输体系中有着举足轻重的地位，是国家重要的基础设施[1]。接触网作为电气化铁路的组成部分，承担着车、网连通的重要作用。神朔铁路自电气化开通以来，已运行近二十年，接触网磨耗大，接近大修期；并且，随着神朔铁路近年来运量不断增加，牵引负荷加大，部分区段接触网载流能力已达到极限。因此，为适应现有运输组织运量需求，需对全线接触网运行现状重新进行评估并针对存在的问题提出解决措施。

1 神朔铁路接触网运行现状及存在问题

神朔铁路公司运营里程266公里，神东（不含）至王家寨（含）采用直供加回流供电方式，王家寨（不含）至朔西采用AT供电方式[2-5]。接触网正线1665.3742换算条公里、站线359.071换算条公里、专用线145.889换算条公里，合计2170.3342换算条公里。电分相34组（器件式分相27组，带电自动过分相7组）。神朔铁路自开通以来，历经多次改造，边改造边运营，设备型号不统一，设备运行年限差异较大。近年来，部分区段接触网设备故障次数增多，总维修时间变长，对列车的正常运行造成了不利影响。

1.1 接触悬挂系统存在问题

神朔铁路接触网导线主要存在以下问题：

（1）神朔线现有钢铝复合导线217.973公里，主要分布在大柳塔（含）至神木北（含）区间上下行，神木北至府谷(含）区间下行；神池南至朔西区段。其中神池南至朔西区段2000年开通，大柳塔（含）至府谷（含）区间2002至2003年分段逐步开通。现均已达到或接近大修年限。

（2）神朔线正线现有钢铝复合导线167个锚段，根据测量的磨耗数据统计，目前共有116个锚段磨耗超过15%（警示值），其中67个锚段磨耗超过20%（限界值）。

（3）由于导线材质不统一，且不同材质导线位置不集中，在站场岔区、区间锚段关节位置存在大量的铜铝过渡，电化学腐蚀严重，目前通过频繁更换线夹来维持设备正常状态。

（4）钢铝复合导线目前已经大面积淘汰，绝大多数生产厂家已经停止生产钢铝复合导线，导致采购困难。目前神朔线用于正线的GLCN250钢铝复合导线库存严重不足，不能满足安全储备需求。

（5）神朔线现有单线隧道50座，由于设计年代久远、标准较低，净空不足。导致现有导线高度不足（设计5750mm，实际最低点5377mm），需通过改变悬挂形式予以解决。

（6）由于管内61座隧道年代久远，施工工艺落后，其中36座渗漏水严重，导致隧道内接触悬挂腐蚀严重。

1.2 软（硬）横跨存在问题

随着运量的逐年提升，站场作业量明显增加，尤其是对站场接触网提出更高的稳定性要求。现有站场除朱盖塔站、贺职站、寇庄站场使用硬横梁外，其余站场均使用软横跨结构。自开通以来，以上三站均未发生导流、机械方面的故障。反而在软横跨结构车站，发生过横承烧断、悬吊滑轮处导线烧伤断股故障。

1.3 支柱与基础存在问题

神朔铁路不少区段接触网支柱老旧，存在破损情况。个别区段支柱侧面限界不够，支柱容量不足，给运行带来安全隐患，主要存在以下问题：

（1）更换铜导线后导线质量较铝线有所增加，且供电能力提升工程后附加导线增加，H38钢筋混凝土支柱容量不能满足运行要求。目前神朔线共有H38钢筋混凝土支柱361棵。

（2）随着大型养路机械的大面积应用，神朔线部分支柱不能满足大型养路机械对侧面限界的要求。神朔线共有支柱10087棵，其中有4034棵小于3.1m。

（3）神朔线早年地处干旱地区，设计之初对防洪要求较低，部分支柱基础、拉线基础设置在水沟及桥头护锥内，近年陕北地区气候治理效果显著，雨量明显增多，设置在水沟及桥头的基础形成防洪安全隐患，需重新布置锚段，变更基础位置以消除防洪隐患。

2 接触网载流评估计算

2.1 接触网载流量计算

（1）计算方法

接触网载流量是电气化铁路的基础设计参数，也是决定牵引供电系统供电能力的重要参数。接触网导线主要由承力索和接触线构成。早期我国电气化铁道大量使用钢材质承力索，由于钢材质承力索为铁磁材料，内阻抗大，分流作用有限，后来逐渐改用铜材质载流承力索，显著提高了接触网的载流能力。传统的接触网载流量计算方法只考虑接触线、承力索和加强线（如果有）的并联关系，按阻抗并联进行分配电流。

本评估是基于牵引网多导体传输线数学模型，并考虑回流电路影响，对典型的实际的带回流线的直接供电方式牵引网和自耦变压器供电方式牵引网进行了计算与评估。考虑到接触网各导线自阻抗和导线间互阻抗对电流分配系数的影响，由于回流导线和供电导线之间存在电磁耦合作用，回流线（保护线）对接触线、承力索及加强线的耦合影响不同，精确计算各并联导线的电流分配系数需考虑回流电路的影响，这是对传统的接触网载流量计算方法的改进[6-7]。

接触网的整体载流量取决于最早达到安全允许电流的导线。用各单根供电导线（接触线、承力索或加强线等）的载流量INi除以对应的电流分配系数αi可以分别得到一个接触网载流量ITi：

取全部m个载流量的最小值，作为接触网的载流量，可使所有导线都不超过允许值。

（2）直接供电方式接触网载流量

本评估对典型的带回流线的直接供电方式牵引网进行了建模计算，其结构如图1所示，列车取用的电流通过接触网供给，钢轨和与其并联的回流线（NF线）构成回流导线，还有一部分电流通过大地回流。地中回流的比例与钢轨对地漏泄电阻、回流线安装位置及安装方式、大地电阻率等因素有关，一般为10%～20%。

经计算，带回流线的直接供电方式线路牵引网各线电流分配系数如表1所示，各单根导线的载流量如表2所示。以黄羊城-南梁（下行）段为例，算例中接触线型号为GLCN250，承力索和回流线的型号皆为LBGLJ-185。

表1 牵引网电流分配系数αi

表2 牵引网各导线电流INi

根据上述接触网载流量计算方法可得，载流量为1105A。对于带回流线的直接供电方式牵引网，可采用增设加强线的方法提高接触网载流量水平，加强线型号为LBGLJ-300，经计算得，增设加强线后接触网载流量可提高至1684A。

（3）自耦变压器供电方式接触网载流量

自耦变压器供电方式可以用两类回路描述，一类是与直供牵引网类似的接触网－钢轨回路（TR回路），由牵引变压器与两个AT的上半绕组向列车供电；另一类是接触网－正馈线回路（TF回路），由牵引变压器向两个AT供电。两个回路电流均流过接触网，但TR回路的回流导线为钢轨和保护线，TF回路的回流导线为正馈线，如图2所示。

当用TR回路描述时，AT供电方式牵引网各导线电流分配系数计算结果如表3所示，各单根导线的载流量如表4所示。以贺值-韩家楼段为例，接触网型号为CTAH-150，承力索为JTMH-150，回流线为LBGLJ-95，根据上述计算原则可得，工作温度95℃时（以下均按该工作温度核算）的接触网载流量为1026 A。若增设加强线，加强线型号为LGJ-185，则各线电流分配系数如表5所示，各单根导线载流量如表6所示，接触网载流量可提高至1514A。

表3 TR 回路牵引网电流分配系数αi

表4 牵引网各导线电流INi

表5 TR回路牵引网电流分配系数αi（增设加强线）

表6 牵引网各导线电流INi（增设加强线）

当用TF回路描述网络时，各导线型号与上述算例相同。各导线电流分配系数计算结果如表7所示，各单根导线的载流量如表8所示。根据上述计算原则，经计算后得到AT供电方式接触网载流量为1041A。若增设加强线，加强线型号为LGJ-185，则各线电流分配系数如表9所示，各单根导线载流量如表10所示，接触网载流量可提高至1368A。

表7 TF 回路牵引网电流分配系数αi

表8 牵引网各导线电流INi

表9 TF 回路牵引网电流分配系数αi（增设加强线）

表10 牵引网各导线电流INi（增设加强线）

对于AT牵引网，存在回流网络不同的两个回路，按上述两种建模方法可以确定两个载流量，一个留有安全裕量的方法是取较小值，则该算例的载流量取值为1026A。

2.2 正线接触网载流量评估

根据上文方法计算了全线各段不同导线组合下的载流量大小，结果如表11所示。导线的温升时间常数一般为4～5min，受气温、风速及日照条件等因素影响会有变化。目前评估接触网载流量并无明确标准和方法，本文取15min平均最大电流作为衡量标准。根据表3中全线接触网载流量计算结果与实测结果对比，接触网载流量不足的供电臂有：神木北-黄羊城、府谷-保德。这2个供电臂也存在牵引变压器过载现象。另外，南梁-蛇口峁和贺职-义井两个供电臂载流量余量处于临界值。

表11 正线接触网载流量

2.3 万吨站侧线股道GJ70+GLCN195接触网载流量

承力索是电气化铁路接触网中主要设备，应用于工程计算，单链型悬挂接触网采用镀锌钢绞线GJ-70承力索时，其稳态载流量为120A。随着电气化铁路运营速度的不断提高，要求承力索不但具有良好的承负载能力，而且还能起到一定的分流作用。

GLCN195为内包式钢铝接触线，载流量参考值如表12所示，表中给出的载流量为环境温度为35℃，最高工作温度为80℃，当最高工作温度为90℃时，表中各值相应提高10%。在一定环境温度下，接触线承受0.6倍持续载流量的电流负荷温升稳定后，再施加一定的过载电流，使接触线经过规定时间（20min或5min）温度达到最高允许值。这个短时的过载电流称为20 min过载流量或5min过载流量。载流量温度校正系数如表13所示。

表12 GLCN195 载流量（参考值）

表13 载流量温度校正系数表

当接触网由多种导线组成时，其容许电流决定于最早达到安全允许电流的导线。导线电流及其持续时间表现为导线温升及其对导线机械性能的影响。所以规定接触网导线的最高温度，铜导线不应超过80℃，铝导线不应超过90℃，钢导线和钢铝导线不应超过70℃。

对于接触线GLCN195，由表12可知，其允许电流为430A，短时可允许20分钟电流达470A，一般导线热时间常数约为5分钟，15～20分钟即达到稳定温度。简单悬挂接触网的容许电流即等于接触导线容许电流。采用钢承力索单链形悬挂的接触网，容许电流的计算要比较复杂，因为钢承力索的参数随电流变化。常用的GJ-70的特性如表14所示。

表14 GJ70 特性

接触线导线的漏阻抗为，

其绝对值为0.352Ω/km。承力索参数随电流变化，故承力索漏阻抗可写为：

其中0.1451g(dic/Rc)=0.323，rc和xoc为与电流有关的变量。

承力索漏阻抗与电流Ic的关系，应用表14和上式计算。设接触导线电流为430A，那么，承力索漏阻抗为2.4Ω/km时电流Ic为63.0A，漏阻抗为2.6Ω/km时电流Ic为58.2A。按承力索漏阻抗分配给承力索的电流，可得接触导线电流为430A时，Ic为60A。60A低于承力索允许电流120A。所以，忽略两导线中电流的相位差，可知由GJ-70构成的单链形悬挂持续容许电流为430+60=490A。

接触导线5min允许电流为650A时，按承力索漏阻抗分配给承力索的电流计算方法，Ic为71A，也低于承力索允许电流。所以单链形悬挂接触网5分钟容许电流为650+71=721A。

对于万吨列，在站线通常不会超过5min，目前的万吨站侧线股道GJ70+GLCN195接触网靠短时过载，能够满足需要。

3 接触网大修改造方案研究

针对神朔铁路牵引供电系统的现状，在尽量维持既有接触网的前提下，采用改移接触网电分相的方式，均衡各区段牵引负荷分配，提高牵引网网压，避免负荷电流过大超过接触网导线载流量。

以下给出测试时段分区所电压波动范围（供电臂末端）、万吨列车行驶经过供电臂末端的网压数据，以及含有自动分相的神朔铁路线路示意图，参考GB/T 1402-2010和GB/T 28027-2011进行分析。

表15为实测分区所电压情况，根据GB/T 1402-2010中4.1节电压标准来分析电压是否满足要求。根据电力机车功率发挥特性，当接触网电压小于22.5kV时，电力机车将不能发挥额定功率，必须降额运行，所以电压应不低于22.5kV才能保障机车牵引功率发挥。

表15 分区所电压波动范围

以功率因数相对较低、谐波电流注入相对更多的SS4B电力机车为参考，表16给出了“2+2”编组的万吨列经过供电臂末端的网压实测数据。根据表16中供电臂末端网压实测数据可看出，万吨列车经过保德--桥头、桥头--王家寨、王家寨--阴塔、阴塔--韩家楼4个供电臂末端时，网压均低于22.5kV。部分区段供电臂末端网压较低，原因是从保德分区所到义井分区所，海拔逐渐攀升，坡道较陡，如图3所示，列车在供电臂末端处于爬坡阶段，取流较大。

表16 万吨列车供电臂末端网压

根据自动过分相运用情况和线路实际条件，可适当调整优化以下电分相位置：阴塔、王家寨和桥头。阴塔、王家寨和桥头电分相位置向小公里方向移动，适当减轻阴塔-王家寨、桥头-王家寨、桥头-保德3个供电臂的负荷压力，改善网压条件，降低负荷电流，避免超过接触网导线载流能力。

保德 府谷 11:58 25.56 合格 合格 未高于 未高于桥头 21.85 合格 合格 未高于 未高于王家寨 桥头 12:23 21.00 合格 合格 未高于 未高于阴塔 22.00 高于 高于 未高于 未高于韩家楼 阴塔 12:50 21.42 合格 合格 未高于 未高于贺职 27.29 合格 合格 未高于 未高于义井 贺职 13:33 22.82 合格 合格 未高于 未高于神池南 24.24 合格 合格 未高于 未高于

4 结论

本文对神朔铁路牵引网的现状及存在问题进行了分析，根据直供区段、AT供电区段以及车站牵引的载流量评估计算，提出了调整全线接触网电分相设置的大修改造方案，检算结果验证了大修改造方案技术上是可行的。改造方案不改变接触网的现状，具有较好的经济性。该研究对类似工程的相关研究具有较强的借鉴意义。