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第二节高速铁路接触网
一、接触悬挂形式及其主要技术参数
自1964年日本开通世界上第一条高速铁路至今，世界发达国家已经致力于高速电气化铁路的研究和发展。经过30多年的运行、实验，使高速电气化铁路的车速不断提高，运营速度由220 km／h提高到270 km／h，正向300 km／h进。法国是目前轮轨系列车时速的世界记录保持者，它于 2007年 4月4日进行的实验运行速度达到574．8 km／h，在激烈竞争的市场经济条件下，各种交通工具之间为争夺市场运输份额，不断开发和引进高新技术，而提高铁路车速将给铁路参与市场竞争带来机遇。
接触网结构在机车高速运行情况下，发生了许多重大变化，需要进行一系列的改革，采取什么样的悬挂类型来适应高速铁路，一直是各发达国家研究的课题。根据国外高速电气化铁路运行经验，高速滑行的受电弓，其抬升力在空气动力和自身惯性作用下，以列车速度平方的比例大幅度增加，因而使接触线产生较大的抬升量，当驶过等距支柱甚至在跨距中的等距吊弦时，会周期性激发接触线振动，它会使接触线弯曲应力增加，容易引发疲劳断线事故，同时这种振动可沿导线以一定速度传播，在遇到吊弦线夹和悬挂点时，会将波反射放大引起导线振荡，这是引起受电弓离线的主要原因，离线产生的电弧会烧伤接触线使磨耗增加，即电磨耗。当导线弯曲刚度小而张力大时，其波动速度可由下式求出：
C?式中 T——接触线张力（N）；
ρ——线密度。
为了减少导线抬升量，可提高其张力，减少接触网弹性不均匀性，同时也提高了接触线波动传播速度，不引起导线共振使受电弓取流状态更好。 接触悬挂形式是指接触网的基本结构形式，它反映了接触网的空间结构和几何尺寸。不同的悬挂形式，在工程造价、受流性能、安全性能上均有差别，另外，对接触网的设计、施工和运营维护也有不同的要求。
对高速接触网悬挂形式的要求是：受流性能满足高速铁路的运营要求、安全可靠、结构简单、维修方便、工程造价低。
世界上发展高速铁路的主要国家如：日本、德国、法国的高速接触网悬挂形式是在不断改进中发展起来的，主要有三种悬挂形式：简单链形悬挂、弹性链形悬挂、复链形悬挂。各国对这三种悬挂形式有不同的认识和侧重，根据各自的国情发展自己的悬挂形式。日本的高速线路如：东海道新干线、山阳新干线、东北新于线、上越新干线均采用复链形悬挂，近几年来，日本高速铁路又采用了简单链形悬挂；法国的巴黎一里昂的东南线采用弹性链形悬挂，巴黎一勒芒／图尔的大西洋线采用接触导线带预留弛度的简单链形悬挂；德国在行车速度低于160km／h的线路采用简单链形悬挂，在160km／h及以上的线路采用弹性链形悬挂。下面分别介绍简单链形悬挂、弹性链形悬挂和复链形悬挂三种形式的结构和技术性能。 1、简单链形悬挂
以法国为代表的高速铁路采用此种类型，在 1990年开通的速度为300 km／h的大西洋新干线上采用，而且认为该悬挂类型完全可以满足 330—350 km／h，简单链形悬挂维修简单造价低，有多年成熟的运行经验。
结构形式如图2-1所示。
T?
图2-1 带预留驰度的简单链形悬挂
性能特点：结构简单、安全可靠、安装调整维修方便，适应于高速受流。
定位点处弹性小，跨中弹性大，造成受电弓在跨中抬升量大，跨中采用预留弛度，受电弓在跨中的抬升量可降低；定位点处易形成相对硬点，磨耗大。如果选择结构形式合理、性能优良的定位器，则可消除这方面的不足。
2、弹性链形悬挂
德国开发的高速接触网普遍采用，并作为德国联邦铁路标准，其主要出发点是降低接触网弹性不均匀度，在80年代末修建的曼海姆到斯图加特高速铁路（250 km／h）上采用，并计划在柏林至汉诺威、法兰克福至科隆间（300～400 km／h）仍采用。弹性链形悬挂比简单链形悬挂弹性好，但造价较高。弹性链形悬挂的结构形式图如图2-2所示。
在结构上，相对于简单链形悬挂在定位点处装设弹性吊索，主要有两种形式：“π”形和“Y”
形。弹性吊索的材质一般与承力索相同，其线胀系数与承力索相匹配。
性能特点：结构比较简单，改善了定位点处的弹性，使得定位点处的弹性与跨中的弹性趋于一致，
图2-2 弹性链形悬挂
整个接触网的弹性均匀，受流性能好。其缺点是弹性吊索调整维修比较复杂，定位点处导线抬升量大，对定位器的安装坡度要求也较严格。
3、复链形悬挂
在 1964年 10月建成的日本东海道新干线上采用，时速为210 km／h，它是用带弹簧的吊弦合成复链形悬挂。日本研究部门认为它适用于多弓受流情况，在今后300 km／h高速线路上仍采用。复链形悬挂运行性能好，但造价高、设计复杂，施工和维修难度大，复链形悬挂结构形式如图2-3所示。
图2-3 复链形悬挂
在结构上，承力索和接触导线之间加了一根辅助承力索。
性能特点：接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂、抗风能力强。
表2-2-1 三种悬挂类型的定性比较
我国高速铁路尚在试运行阶段，已提速的几条干线仍采用原来的接触悬挂类型，目前正在建设的广深高速铁路，采用全补偿简单链形悬挂，根据国外经验和我国铁路路轨现状，通过科技人员论证，普遍认为采用全补偿简单链形悬挂较为合适，特别是在车速不高的情况下，有利于投资少见效快，完全能够适应200 ㎞／h车速的要求。
二、高速接触网的主要技术参数
1．导线高度：指接触导线距钢轨面的高度。它的确定受多方面的因素制约，如：车辆限界、绝缘距离、车辆和线路振动、施工误差等。一般地，高速铁路接触导线的高度比常规电气化铁路的接触导线低，这主要因为：
①高速铁路一般无超级超限列车通过，车辆限界为4 800nlm；
②为了减少列车空气阻力及空气动态力对受电弓的影响，受电弓的底座沉于机车车顶顶面，受电弓的工作高度较小。所以，高速铁路接触导线的高度一般在5 300mm左右。 2．结构高度：指定位点处承力索距接触导线的距离。它由所确定的最短吊弦长度决定的，吊弦长时，当承力索和导线材质不同时，因温度变化引起的吊弦斜度小，使锚段内的张力差小，有利于改善弓网受流特性；长吊弦的另一个优点是高速行车引起的导线振动时，吊弦弯度小，可以减少疲劳，延长使用寿命。表2-2-2为三种高速悬挂的结构高度。
表2-2-2 三种高速接触网悬挂的结构高度
结构高度
法国TGV-A 1.4m 德国Re330 1.8m 日本HC 1.5m 我国接触网的结构高度为1.1~1.6m。
3．跨距及拉出值：取决于线路曲线半径、最大风速和经济因素等。
考虑安全因素及对受电弓滑板的磨耗，我国高速铁路一般在保证跨中导线及定位点在最大风速下均不超过距受电弓中心300mm的条件下，确定跨距长度和拉出值的大小。 4．锚段长度：它的确定主要考虑接触导线和承力索的张力增量不宜超过10％，且张力补偿器工作在有效工作范围内。高速铁路接触网的锚段长度与常规电气化铁路基本一样。 5．绝缘距离：参照电气化铁路接触网的绝缘配合标准。
6．吊弦分布和间距：吊弦间距指一跨内两相邻吊弦之间的距离，吊弦间距对接触网的受流性能有一定的影响，改变吊弦的间距可以调整接触网的弹性均匀度，但是，如果吊弦过密，将影响接触导线的波动速度，而对弹性改善效果不大，所以，确定吊弦间距时，既要考虑改善接触网的弹性，又要考虑经济因素。
吊弦分布有等距分布、对数分布、正弦分布等几种形式，为了设计、施工和维护的方便，吊弦分布一般采用最简单的等距分布。
7．接触导线预留弛度：指在接触导线安装时，使接触导线在跨内保持一定的弛度，以减少受电弓在跨中对接触导线的抬升量，改善弓网的振动。对高速接触网，简单链形悬挂设预留弛度，弹性链形悬挂一般不设预留弛度。
8．锚段关节：锚段关节是接触网的张力的机械转换关节，是接触网的薄弱环节，其设计和安装质量对受流影响较大，高速接触网一般采用两种形式的锚段关节：
①非绝缘锚段关节采用三跨锚段关节；②绝缘锚段关节采用五跨锚段关节。
安装处理上，尽量缩短接触导线工作支和非工作支同时接触受电弓滑板的长度，提高非工作支的坡度。
9．接触导线的张力：提高接触导线的张力，可以增大波形传播速度，改善受流性能，同时增加了接触网的稳定性。导线张力的确定受导线的拉断力，接触网的安全系数等因素影响。
10．承力索的张力：受接触网的稳定性、载流容量、结构高度、支柱容量等因素影响，提高承力索的张力可以增加接触网的稳定性，但对弓网受流性能影响不大。减少承力索的张力，有利于减少反射系数，承力索的张力受接触网的结构高度的限制，也就是在一定的结构高度上，要保持跨内最短吊弦的长度。 三、接触网的主要设备和零部件 1、接触网的线材
（1）．接触导线
接触导线是接触网中直接与机车受电弓作摩擦运动传递电能的线材，它对接触网——受电弓系统的受流性能的好坏产生至关重要的作用，受流系统的许多性能指标直接由接触导线决定，如：波动传播速度、接触导线的抬升量、接触导线的磨耗、安全系数。表2-2-3给出了国外高速接触导线的比较。高速铁路对接触导线的基本要求如下：
1机械强度高； ○
2)单位质量尽量小； ○
3导电性能好； ○
4良好的耐磨及耐腐蚀性能及高温软化特性，使用寿命长； ○
5摩擦性能与受电弓滑板相匹配。 ○
表2-2-3 国外高速接触导线的比较
运行速度/km·h 接触线类型 -1日本 240 Cu170 300 300 300 Cu150 CT-CS110 CT-CSD110 法国 270 CdCu120 350 SuCu120 250 德国 330 MgCu120 AgCu120