时速350km新建铁路武广铁路接触网动态特性
[摘 要] 仅仅耗时四年半时间，约1000公里长的中国新建高速铁路武广线于2009年12月底投入正式运营。该线运营速度为320km/h至330km/h，是当今世界上运营速度最快的铁路线路。其弓网之间的动态关系决定了线路的最大运营速度能达到这个新的高度。对于这个速度范围内的接触网动态特性，全世界都只有极少经验。BB铁路负责了本线接触网安装的设计，参与施工，并负责测试接触网的质量。最后，通过一系列的试运行来测试几何条件和接触力特性，以此验证系统的适应性。
1．导论
随着2008年夏天115km的京津城际列车[1]和2009年12月第一条长大铁路，1050km长的武广铁路开通，中国开始了其高速铁路网的建设（图1）。其他在建项目还有哈大、京沪等。到2012年，运行时速高于250km的高速铁路网线路里程将达到12000公里。
武广铁路于2009年12月26日如期开通，开行单组或双组动车组（Electrical Multiple Units, EMU），运行时速320至330km/h。2009年12月9日，双组重联动车组达到了394.2km/h的峰值速度（图2）。武广铁路是目前世界上运营速度最高的铁路。
BB铁路公司与中国的设计单位和施工单位一起，共同开展了接触网设备的研发和调试安装，之前也曾对此做过详细报导[2]。接触网布置在德国铁路DB Ingolstadt（英果尔施塔特）至Nürnberg（纽伦堡）线Re330结构和西班牙Madrid（马德里）至Lérida（莱里达）线EAC结构的经验基础上，进行了改进[3]。接触网要满足的基本要求有：
·运行速度300km/h
·设计速度350km/h
·通行质量达到欧洲标准，尤其是要满足TSI供电系统的要求[4]。
弓网模拟和概算从理论上证实了系统的可用性，而实际的可用性则需要由线路、列车和接触网共同来通过最后的验证。在2009年夏开始的联调联试中就已经可以看出，中国铁路部门从一开始就打算要远远突破最初所设定的300km/h的运营速度。
由于本项目的工期特别紧张，使得设备验收和试运行等的系统调试难度加大。直到最后一天，仍在进行全面的结构检查、调试和试运行。尤其是接触网的调试工作，在之前安装的过程中不能同时展开，而必须要在进行首次验收运行之后才能紧张进行，这就更加大了工作的难度。尽管如此，我们还是完成了该线满足350km/h速度运行的验证工作。
2．中国高速接触网构造型式
近十年来，随着与德国企业的紧密合作，尤其是与BB公司的合作，中国铁路在德国企业的经验基础上，逐渐建立起了新的标准。其中不仅包含基本的系统性标准，也包括接触网链型悬挂设备的应用标准等：如镁合金导线、铝合金腕臂的安装、高灵活性吊弦、锥形锚固线夹等。时速300km以上已经投入运营的线路有：
·京津（JJ）
长度：115km
开通时间：2008年8月
·武广（WG）
长度：1050km
开通时间：2009年12月
·郑西（ZX）
长度：475km
开通时间：2010年2月
图3是这三条线的纵向接触网悬挂方式。
可以看出，京津采用的是在德国Re330基础上去掉弹性吊索的接触网结构型式。去掉弹性吊索是中方业主的要求。在接下来的武广线和郑西线上，采用了直径为150mm2的接触线，并保持安装高度恒定不变。这种安装型式，成为此后线路的通用标准。根据图3中的特征，尤其是弹性吊弦的应用，可以看出其接触网型式与Re330和西班牙的EA350类似。链型悬挂和腕臂中的所有结构都能在德国找到其起源；同时，BB公司还通过投资的方式参与到零部件的制造中。
表1描述了不同接触线波的传播速度，可以通过下式进行计算：
尽管接触线的水平张力较低，京津线上接触线波的传播速度最高仍达到了572km/h。而在武广线和郑西线，由于接触线重量较大，因此张力较高，其波的传播速度也就相对较小。通过波的传播速度，可以推算出最大的运行速度为[4]：
接触网的动力特性并不是仅通过接触线波的传播速度来进行衡量的。通过图4的对比可以看出，由于张力较大，并且采用了弹性吊弦型式，武广铁路的弹性应该最小并且最稳定。由于京津和郑西没有测量数据，因此其弹性是由推算得出的。在图中我们可以清楚地看到采用弹性吊弦的好处，其弹性甚至优于德国铁路DB Re250和Re330。究其原因应该是中国采用了50m的小跨距。因此武广和郑西的线路运行质量良好。武广铁路接触网的具体技术参数可以参见[2]。
3．武广铁路接触网的误差
按照欧洲接触网的经验并通过仿真计算，BB给出了接触网误差的范围。表2和表3给出了基本的几何参数与动态指标，并与开通后所测得的误差值对比。几何误差采用的是德国Re 330的标准，对接触线的平顺度也做出了相应的要求限制。
接触线动态特征的误差通过BB公司的CATMOS软件对接触力进行模拟仿真得出，同时参照TSI供电系统[4]（2008年8月）－可互操作性技术规范，供电分系统的要求。
TSI供电系统对于320km/h以上速度接触网的平均接触力没有做出要求，因此此处参考国家规范。显然在该速度下，至今还没有足够的经验以形成一套完整的标准。
4．验收（调试运行）测量结果
4.1．测量工具的安装
验收测量时，需要在试验车上安装一个今后常规允许时所采用的受电弓，在受电弓上装配相关的测量设备以测量接触力和几何参数。
测量采用的是CRH 2-061列车，它是由日中联合制造的新干线系列列车，车上安装的是SSS400+常规受电弓，采用德国铁路DB的接触力测量技术进行测量。为了进行接触线状态计算，还另外安装了一台无接触式光学测量设备（图5）。
不过该受电弓却不适合于CRH2系列车辆，而是适配于CRH3型车辆。我们首先要做的就是改进一台受电弓以匹配实验车，这关系到受电弓上挡风板的安装，该装置主要用于控制高速运行条件下空气动力对接触力的影响。尽管业主并没有相应的要求，我们仍然借助"四线法"对受电弓滑块上力的分布的空气动力影响测量，使挡风板的操控得到了改进。由于CRH2列车在受电弓位置的车厢壁有所抬高（图5），而CRH3列车则没有抬高。这种车顶构造方式将会产生不同的空气动力情况。显然，这种车厢壁对受电弓的空气动力影响以及高速情况下挡风板的布置影响都特别大。然而，由于时间不允许我们对不同的列车进行改装，因此只能根据测量结果进行有限地评估。
4.2．几何测量结果
接触线的几何状态测量不仅包含无受电弓接触的静止状态，还包括低速时受电弓接触的抬升状态。静止状态的测量要求链型悬挂在所规定的±30mm的误差范围内进行精确调整。
图6分别表示了调整前和调整后的测量结果。测量工作需要错开施工，只能在调试阶段进行，这又大大增加了精确调整的难度。全线共有超过24000超出误差范围的不合格点需要进行查找调整，而这一切都必须在施工单位所留出的最短时间内完成。
通过对静态接触网的几何测量不仅能找出超出误差范围的不合格点，还能发现接触网功能上的问题，如图7就能看出下锚装置的影响。通过两天静态测量结果对比可以看出，半跨内接触线的高度差为15-20mm，这就表明，下锚装置出现了问题，水平张力没有保持恒定，由于其与温度无关，进一步可以查明是由于安装出现了问题。
本项目中需要尤其关注的是安装完成后接触线的平顺度问题[6]。该问题在DB采用120mm2截面导线的项目中就已经出现，而本项目采用150mm2截面，问题就更加显著。为了避免出现接触线平顺度问题，不仅接触线供货商严格控制线材的冶金制造，同时，在采用合适大型设备进行安装和放线车的应用上也采取了相应措施。平顺度测试采用简单的测量板和一个塞尺即可以进行（图8）。平顺度误差范围不能大于0.1mm，在全线1000km内的所有跨都要进行验证。经过调试之后，所有参数范围都符合表2要求。
4.3．动态测量结果
4.3.1．测量运行
测量运行速度约为350km/h，分别对接触力和动态抬升量进行测量。受电弓SSS400+上接触力测量装置和接触线状态的光学测量装置一起安装在列车上。分别采用单车单弓及双车双弓运行进行测量。双弓牵引时，由于试验条件相同的路线很短，因此，后弓只获得了很少的记录结果。
4.3.2．悬挂点接触线抬升量测定
按照TSI供电系统[4]的要求，武广铁路接触网定位器抬升量应预留理论计算值的1.5倍（审核人注：本处作者的描写可能有误，根据DS997，最大抬升量在运行速度小于230km/h时取1.5倍，超过230km/h时取2.0倍），才能满足限制范围的要求。通过模拟得出350km/h下的最大抬升量为115mm，因此需要预留172.5mm（审核人注：根据上面的原因，要预留230mm左右）的抬升量。中方将此预留量提高至225mm，显然是为冲刺高于350km/h的最高速度所考虑的（表3，第1项）。
全线所有悬挂点的动态抬升量都是通过其静态和动态测量值的对比计算得出的。受电弓弓头和滑板框架部分的抬升量几乎一致（图9）。通过约5500个悬挂点的柱状图分析可以看出，大多数悬挂点的抬升量都在40至80mm之间。后弓值也仅仅略大于前弓。因此可以证明全线符合要求。
4.3.3．滑板与接触线接触点的垂直运动
滑板与接触线接触点的垂直运动可以通过直接测量获得，它表明了受电弓在接触线上的运行是否平稳。单跨内接触点距轨面的垂直距离应尽可能一致；这是判断受流质量是否良好的决定性因素。根据TSI供电系统[4]（2008年版）的规定，单跨内动态接触点最高和最低点的最大高度差应小于80mm（表3，第2项）。
接触点的垂直变化是由其静态位置和动态抬升所对比得出的。单跨内垂直变化的最大差值为最大、最小值之差。图10为9跨接触点的垂直变化。其中，垂直变化的最大差值仅为13mm至35mm，基本满足TSI供电系统的要求。双弓运行时，后弓的值也仅为约40mm左右。
4.3.4．接触网的弹性和不均匀性
2002版TSI供电系统规定，高速接触网在跨中的弹性应小于0.5mm/N，不均匀性应小于10％（表3，第3项）。该规定在2008版TSI供电系统中，则以接触点的垂直变化进行定义的。尽管如此，弹性和不均匀性的值仍需纳入考虑之中。
接触网的弹性e是接触点的接触线升高高度与受电弓压力的比值，单位为mm/N。受电弓的作用力可以由弹簧秤测得。
不均匀性u可以由单跨内两个悬挂点之间接触网的最大和最小弹性计算得出，单位为％。
4.3.5．350km/h时受电弓和接触线之间的接触力
评估接触网动态特性最重要的参数是弓网之间的接触力。为了减小接触线和碳滑板的磨损，接触力不能超过规定的最大值；同时，为了避免受电弓离线或拉弧，也不能低于最小值。
TSI供电系统[4]对平均接触力有如下方程式
通过测量结果可以看出，要在试运行时将不符合要求的受电弓静态压力调整至70N的标准要求难度很大。图12可以清楚地看出受电弓的平均静态接触力。运行中受电弓滑板接触力调至105N；滑板托架接触力调至85N。
对受电弓的不规则调试可以检测不同速度范围最大和最小值的满足情况。检测过程采用单组列车运行，也即采用单弓运行。
还可以看出，对于最大和最小值都给出了足够的余量，以减小双弓运行时的接触力波动。实际运行也证明了这种考虑是对的。接触网链型悬挂的所有参数都应满足所给要求。（表3，第5.1-5.6项）
接触力如果超过了所限定最大值，或者小于所给的最小值，都属于特殊情况。大多数的特殊情况都是由于安装问题所引起的，可以改正消除。如图13表示的就是这种特殊情况。在一段约300m长的接触网内，接触线与碳滑板之间没有测得任何接触力。在同步的视频图像中可以看到有拉弧。分析表明，是由于中心锚结的中锚绳存在问题。中锚绳张力不够，碰到了受电弓的碳滑板。使得受电弓短时离线，并导致接触力消失和拉弧。接触力采用视频图像同步监控的方式，可以帮助人们有效地监控安装和调试中出现的问题，并及时排除。
5．结束语
在对武广铁路进行电气化验收的时候，为了验证350km/h速度接触网的质量，进行了多次试运行。这是全球首次在这么高的速度下对弓网的配合进行验证。遗憾的是，因为时间的原因，没能进行结构和全面的评估。由于样弓与实验车缺乏空气动力配合，且对后弓只进行了有限的试验，因此不能进行全面的评估。
尽管如此，还是按照TSI供电系统的要求对适用性进行了核实。首先通过理论进行了验证，尤其是采用BB公司的CATMOS进行了接触力的仿真模拟。
对试运行的录像显示，受电弓运行良好。仅后弓有少量拉弧，这主要是由于受电弓的改造不完善，且前后弓滑板受力不均所引起的。
在接下来的高速铁路中，运行速度还将进一步提高，如京沪铁路将达到约380km/h。因此，我们将获得更多的经验，必要时，将会采用更高标准的受电弓。
参考文献
[1] Brodkore, A.; Tornow, T.：京津高速铁路电气化设备。电气化铁道Elektrische Bahnen，107（2009），第8期，P. 344-350。
[2] Zimmert, G..; Solka, M.：中国武广高速铁路电气化。电气化铁道Elektrische Bahnen，107（2009），第8期，P. 338-343。
[3] Gil Ortiz, J. M.; Wipfler, H. -P.; Tessun, H.; Martens, G.：马德里－莱里达高速铁路电气化。电气化铁道Elektrische Bahnen，100（2002），第12期，P. 466-472。
[4] 委员会06/Ш/2008决议：跨欧洲高速铁路供电系统的可互操作性
[5] Becker, K.; Resch, U.; Zweig, B. -W.：高速接触网优化。电气化铁道Elektrische Bahnen，92（1994），第9期，P. 243-248。
[6] Rux, M.; Schmieder, A.; Zweig, B. -W.：高强度接触线安装。电气化铁道Elektrische Bahnen，105（2007），第4-5期，P. 269-275。
[7] 委员会2002/733/EG决议：欧洲高速铁路能源系统互联互通技术规范。欧盟公报（2002），P. L245/280 - L245/369。
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