沪杭高铁弓网分析及施工技术方案探讨孙吉助理工程师中铁电气化局集团沪杭客专系统集成项目经理部
摘要：随着中国高速铁路的快速发展，目前我国投入运营的高速铁路里程已达到7000多公里，居世界第一位。高速铁路具有列车运行速度快、密度大、负荷高等特点，受电弓上下振动和左右晃动加剧，接触线的抬升量相应增大，而实现高速安全运营的关键因素之一就是接触网和受电弓之间的可靠供电。本文结合沪杭高铁实际施工情况，分析接触网静态和动态检测存在的各种缺陷，针对影响弓网关系的关键问题，从施工技术方面提出了解决方案和建议。
关键词：高速铁路弓网精细化检测
0 引言
沪杭高铁作为沪杭间一条安全、方便、快捷的大能力客运通道，全长202公里，设计时速350公里，由上海虹桥站引出，途经上海市闵行、松江、金山区和浙江省嘉兴、杭州市，终到杭州东站，对于加快实现客货分线运输，有效缓解运输紧张状况，促进长三角经济社会发展，助推东部地区率先实现现代化，改变中国区域经济、政治、文化和社会发展格局，具有十分重要的意义。
沪杭高铁试运行阶段以416.6km/h刷新世界铁路运营试验最高速度，领跑世界最高时速，再次证明中国高铁已全面领先世界。它具有列车运行速度快、密度大、负荷高等特点，受电弓上下振动左右摆动加剧，接触力增大并时时发生着变化，如何保证受电弓和接触线之间的平稳接触是高速铁路行车安全的基本保障。国内外高速电气化铁路的研究试验、建设施工和运行维护经验表明，要保证高速铁路接触网和受电弓的安全可靠，必须要有高质量弓网系统。高质量的接触网系统，不仅需要强硬的施工和技术力量，而且还要对接触网进行数次检测和精细化调整，才能满足高速铁路对接触网要求。
1 沪杭高铁接触网系统
沪杭高铁正线设计目标值为350km/h，上海枢纽和杭州枢纽联络线区段限速220km/h，接触网系统主要技术标准如下：
（1）设计接触线高度5300mm,结构高度1600mm,标准限界不小于3000mm,标
准跨距50m,相邻跨距之差不大于10m，正线锚段长度不超过2×700m,站线锚段长度不超过2×800m，附加导线长度不超过2000m。
（2）客专正线接触网采用全补偿弹性链型悬挂，其它线路采用简单链型悬挂；承力索、接触线线材正线JTMH120+ CTMH150，站线JTMH95+ CTMH120；附加导线采用铝包钢芯铝绞线，正馈线JL/LB1A-315-45/7，保护线JL/LB1A-125-26/7。
（3）全线采用绝缘旋转全腕臂支持结构，即平腕臂＋承力索座结构形式，腕臂及支持部件的材质推荐采用铝合金材质；
（4）正线及有条件的站线采用两跨式防断中心锚结，其他采用防窜式中心锚结；下锚补偿装置采用1：3的棘轮补偿下锚；联络线、站线、动车段线路等采用常规铝合金滑轮组方式补偿下锚。
（5）隧外绝缘锚段关节、非绝缘锚段关节均采用五跨关节，所有绝缘关节设置纳入远动系统的电动隔离开关。
（6）电分相采用中性区长度小于190m的六跨关节式电分相。
（7）正线18#道岔采用无交叉布置形式，站线18#岔采用无交分或交叉布置形式；站线12#及9#道岔采用交叉布置形式。
（8）弹性吊索采用铜合金绞线JTMH-35，张力一般为3.5kN。
（9）接触网的绝缘泄漏距离不小于1400mm；上下行正线间分段绝缘子的绝缘泄漏距离一般不小于1600mm。
（10）正线采用具有限位功能的定位装置，定位器及定位管的材质均采用铝合金。受电弓动态包络线左右晃动量取值：直线为250mm，曲线为350mm；困难时根据相关国际标准进行核算。悬挂定位点处接触线正常工作的最大抬升量为150mm。
（11）避雷器：采用氧化锌避雷器。分段绝缘器：采用具有消弧功能的分段绝缘器。
接触网与通信、信号等专业共用接地体，采用综合接地系统。每个闭塞分区保护线与钢轨及综合地线（通过扼流圈）实现全并联，可有效降低钢轨电位，保证人身安全。
2高速铁路接触网弓网受流评价及标准
2.1弓网受流评价
弓网受流评价标准一般分为静态和动态标准，静态标准主要包括静态弹性及其不均匀系数、静态抬升量和静态抬升力，动态标准包括波动传播速度、动态接触压力及其标准偏差、动态抬升量、离线率及离线时间等。与弓网受流相关的欧洲标准有EN50367《铁路适用的弓网间受流系统技术》、EN50119《铁路应用固定设备电气化铁道接触网》及96/48/EC 《欧洲电气化铁路互通技术规范》等。EN50119相关规定见表2-1，EN50367的规定见表2-2和图2-1。
表2-1 EN50119 对弓网动态受流质量评价的规定
表2-2 EN50367 对弓网动态受流质量评价的规定
表2-3 Re160、Re200、Re250、Re330动态接触压力的规定
高速铁路弓网受流评价要点： （1）弹性不均匀度
良好的弓网关系要求接触网具有均匀的弹性，降低静态弹性有利于减小接触导线的抬升、减少接触导线的疲劳。一般跨中的弹性大于定位点弹性，弹性的大小与接触悬挂类型和综合张力相关，跨中弹性的经验公式为：/()C J e L K T T =+,
其中L 为跨距，C T 、J T 分别为承力索和接触线的额定张力，K 为悬挂类型系数（弹链为3.5、简链为4.0）。定位点的弹性与接触网悬挂结构形式有关，弹性链型悬
挂在定位点处设置合适的弹性吊索，其弹性达到跨中的80%左右。
弹性不均匀度计算公式为：max min max min ()/()U e e e e =-+，其中max e 为跨距内最大弹性，一般在跨中；min e 为跨距内最小弹性，一般在定位点。高速接触网要求弹性尽可能的小以提高接触网的稳定性，并且要求尽可能降低弹性不均匀度以提高受电弓运行的平稳性。当车速达到350km/h 时，Fm≤0.00097V2+70（N ）受电弓平均抬升力不大于189N 。
图2-1 平均接触力与运行速度的关系曲线
（2）离线及离线率
当接触线盒受电弓间的接触压力小于等于零时发生离线。离线会使受电弓失去电压、接触线与受电弓间产生电弧，电弧产生的高温又将导致导线烧损、电磨耗增加爱，严重时使导线退火、拉应力降低。大的离线会影响机车变压器正常工作并产生无线电干扰和噪音污染。离线主要考虑离线次数、离线时间和离线率。最大离线时间一般不大于100ms ，每次离线时间小于0.01为小离线、0.01～01s 为中离线、大于0.1s 为大离线；离线率指整个运行过程中发生离线的时间占总运行时间的百分比，/*100%S t T =∑，S 为离线率，t ∑为运行时间内各次离线时间
的总和，T 为运行时间。
（3）动态接触力及其标准偏差
接触网和受电弓间相互作用状态表现为动态接触力及其标准偏差，主要控制最大、最小接触压力。最小接触压力过小将导致接触不良，引起电弧；最大接触压力过大将造成接触网的抬升量加大、受电弓运动振幅加大，受流状况恶化。具体规定见表2-3。
动态接触压力取决于受电弓静抬升力、空气动力、垂直运动方向的质量惯性力等，最大接触压力是运行过程中动态接触压力的最大值，接触压力越大，对受电弓和接触线机械磨耗就越大，从而降低接触线的使用寿命，增加运营成本。最小接触压力是运行动态接触压力的最小值，接触压力越小，接触电阻越大，从而产生过热、加大电磨耗，降低接触线的使用寿命。接触压力标准偏差（δ）是反映接触压力的动态变化情况，该值越小，接触压力波动越小，受流质量越好，当接触压力不为0、风速一定且空气动力一定，按照高斯分布定理，所有接触压力都在相对于平均值的3倍偏差范围之内。平均接触压力是运行过程接触压力的算术平均值，该值越接近受电弓静态抬升力，受流质量越好。
（4）接触线的波动传播速度
接触网与受电弓一起形成一个具有很小阻尼的弹性系统，受电弓的运行使导线被抬高，在静态状态下，受电弓使导线在受电弓两侧对称抬起，如果速度提高导线将被不对称抬高，受电弓前方导线的抬高程度小于后方。如果最终行车速度与波动传播速度相同，则只有受电弓后面的接触网受到干扰，发生共振，同时抬高至将远超过静态计算值。接触网波动传播速度为 3.6(/)j j C sqrt T m = ,其中j T 为
接触导线张力， j m 为导线的线密度，运行速度近似值 V=C β，β为接触网运营速度与接触线波动传播速度之比，β一般为0.5～0.7，接触线张力大者取大值。EN50119规定，接触网适应的最高行车速度必须小于导线波动传播速度的70%。
式中：T----接触线的张力（N ） m----接触线的线密度（kg/m ）
523/c km h == 沪杭高铁：接触线张力 T=28.5×103 N ； 接触线的线密度 m=1.35kg/m ； 运营速度v=350km/h ； 350/523=0.669<0.7 ，沪杭接触网类型满足时速350公里的运营要求。
（5）导线的抬升量
接触压力的变化导致接触线上下运动的变化，接触线运动的振幅较大将加速接触线的疲劳损坏、缩短导线寿命。同时，接触线在定位点处较大的抬升量可能会导致定位器碰撞定位管，造成打弓事故，危及行车安全。因此我国为保证高速行车安全采取了不同的措施，如限位定位器、弓形定位器等。而受电弓随接触线抬高的同时，由于拉出值的影响（特别是大曲线区段），受电弓一端的弓头也会随之抬高，若抬高量过大同样会造成打弓事故危及行车安全。所以导线最大抬升量和受电弓弓头最大抬升量应控制在一定范围内，抬升量越小，接触网越稳定、行车越安全。沪杭高铁设计标准受电弓动态包络线左右晃动量取值：直线为250mm ，曲线为350mm ；困难时根据相关国际标准进行核算；悬挂定位点处接触线正常工作的最大抬升量为150mm 。 2.1弓网受流评价标准
弓网动态接触力：弓网动态接触力一般按一个跨距为分析单位，分析主要参数有：最大值、最小值、平均值、标准偏差等。
各参数评判标准如下： 最大值：σ3max +=m F F (N) 最小值：20min =F (N)
平均值：
7000097.02
+≤V F m (N) 标准偏差：m 0.3F ()N δ≤?
燃弧：燃弧次数不大于1次/160m 。
硬点(受电弓所受的垂直加速度)：垂向加速度不大于588m/s2(60g)，一跨内接触线高差：2A ＜150 mm 。
表2-4接触网状态检测评判标准
表2-5硬点检测标准
接触网几何状态检测，采用光学图像采集分析系统进行接触网非接触式检测，它在机车顶同一个底座上固定4个高分辨率的摄像机，利用三角形原理计算接触网位置，通过传感器记录车体摇晃引起的偏移，对测量接触线位置进行修正记录。光学测量速度在60km/h以内，此系统测量精度极高，等同于人工的静态测量，测量系统每一米对接触线网参数采集一次，将所有数据形成评估参数。检测参数包括接触线拉出值、接触线高度、接触线高差。
表2-7接触网几何状态检测标准
图2-2接触网高差标准示意图
3 静态和动态检测数据分析
在高速接触网系统中，下锚补偿装置是接触网的心脏，对弹性链型悬挂的张力尤其重要。在处理任何缺陷之前，首先确认该锚段的补偿装置处于良好工作状态（无卡滞现象）。
缺陷整治的步骤：根据评估表查找缺陷位置→确认该锚段棘轮的工作良好→现场测量→确认缺陷处理缺陷→处理完毕后进行复测→填写整改记录（如出现类似缺陷，方便分析原因）。
3.1静态检测数据分析
3.1.1拉出值超标分析及整改措施
拉出值超标有以下因素：测量数据误差、计算因素（轨道线路超高和曲线数据、支柱装配型式、腕臂预配误差等）。在判断拉出值是否符合标准时，应先确认接触网悬挂类型的设计标准，导线拉出值以受电弓中心为参照物，承力索的拉出值可以水平面和受电弓为参照。
如果拉出值误差超出±30mm，在定位管上作出相应的记号将定位器座移到合适的位置即可，拉出值调整超过50mm的将会影响弹性吊索张力，整改完后需对张力进行复核。
3.1.2定位点高差分析及整改措施
腕臂装置是将支柱、轨道线路等数据输入计算软件计算而得，计算软件一般使用设计院开发、计算相对准确的成熟产品，定位点高差产生的原因一般有测量数据误差、轨道线路数据误差、腕臂预配误差、腕臂安装误差等。定位点高差较小时，可调节腕臂结构以达到对接触线高度的调整目的，当定位点高差较大，无法调节腕臂结构改善时，需重新测量数据，更换新腕臂装置。
腕臂结构调整方法：
在平腕臂系上1根环绕过双管连接器并固定手扳葫芦. 另一头绕在支柱上；松开斜撑螺栓；打开55和70管的双管连接器螺栓,如果要降低导线高度，就将平腕臂上的双套筒连接器往支柱的反方向移动，如果要抬升导线高度就往支柱侧移动。
经现场实际操作分析总结，升降导高的量与套管双耳移动的量成1：1的比例，既升导高10mm需将套管双耳往支柱移10mm，反之降10mm。在调整完后要用力矩扳
手将所有螺栓安力矩标准拧固到位，如果升降腕臂量较大，需要切割相应的斜撑，必要时切割斜腕臂。升降腕臂30mm内对弹性吊索张力，没有太大影响，超过30mm 时必须对该点的弹性吊索张力重新复核。当某区段腕臂出现整体偏高的情况，相邻几个定位点连续过高都需要降低，这时则从中锚侧往下锚测施工，因为升、降一根腕臂时相邻的腕臂也会受到相应的影响，腕臂升30mm相邻腕臂则会升7-8mm 左右（1/4左右）。
3.1.3吊弦高差分析及整改措施
定位点两边吊弦不等高和出现“V”字型的处理：有弹性吊索的定位点出现第一根吊弦不等高，是由于弹性吊索未安在中心或吊弦位置安装不对造成的，此情况将弹性吊索和吊弦移到合适位置即可；定位点出现“V”字型情况，只要是定位器对导线的水平力不够，解决方法加大拉出值或将第一根吊弦往定位点移即可。弹性吊索张力不符合标准会造成相邻两跨吊弦高差不合格，对此种情况，应对弹性吊索进行重新施工，在重新施加张力的同时对跨中导高进行测量，当跨中与定位点等高时说明张力达到计算值，完成整改。
注意：如果连续数个点都存在张力问题，整改时必须从中锚方向往下锚方向整改。弹性吊索张力计是一种比较脆弱的测量工具，施工前应对张力计进行校对，防止张力计老化和损坏，给施工带来不便。
3.2动态检测数据分析
接触力偏小的判定为离线或拉弧，接触力过大的判定为硬点，其原因是弹性、导线平直度、变坡不达标造成；一跨内动态高差，时速350最大高差控制内150mm；拉出值动态不超过400mm，在特殊地段有设400mm拉出值，由于动态可能会超过400mm，这种位置必须进行仔细核对和检查。
3.2.1硬点产生的原因及处理方法
（1）由于施工原因造成的导线波浪湾，波浪湾用五轮校直器校直（波浪湾必须小于0.1mm/m）；
（2）集中负荷一般由超标变坡、分段分相关节、定位点处限位间隙偏小、电连接处、开关引线重量等原因造成。在关节处造成的硬点，检查过渡导高，转换跨等高点必须高出定位点40±10且要在跨中等高，两中心柱工支也要等高。
（3）弹性不均匀造成的硬点，弹性E=h/N，弓压N不变的情况下，抬升量h
越大，弹性越大，两悬挂点间h值不同，就产生了弹性不均，动态记录显示也不同。定位器的坡度不合理，将使定位器上抬受限，产生硬点。
（4）轨道线路不良造成的硬点，该情况待轨道缺陷整改完后，对该区段先进行测量复核，后根据实际情况进行整治改善。
图3-1受电弓运行方向示意图
3.3沪杭高铁静态和动态整治前后检测数据对比
（1）静态检测数据对比
表3-1静态检测数据
（2）动态检测数据对比
表3-2动态检测数据
（2）动态检测
单列动车组弓网受流性能检测数据整治前后对比，检测车最高检测速度350km/h，受电弓开口方向运行时，弓网动态接触力最大值150～200N、最小值60～165N、平均值120～145N；受电弓闭口方向运行时，弓网接触力最大值200～295N、最小值100～165N、平均值150～220N；数值分布符合相关标准。硬点数
值基本分布在50～500m/s2数值分布符合相关标准，检测区段接触网无动态高差超限，检测数据对比见检测数据统计表3-3、表3-4、表3-5、表3-6。
表3-3上海动车所-笕桥线路所 (2010.09.01)
表3-4上海虹桥-笕桥线路所(2010.09.26)
双列重联动车组弓网受流性能检测数据整治前后对比，检测车最高检测速度350km/h，受电弓开口方向运行时，弓网动态接触力最大值150～200N、最小值50～90N、平均值100～120N；受电弓后弓闭口方向运行时，弓网接触力最大值190～290N、最小值80～145N、平均值115～200N；数值分布符合相关标准。硬点数值基本分布在50～500m/s2数值分布符合相关标准，检测区段接触网无动态高差超限，检测数据对比见表：
表3-5上海动车所-笕桥线路所 (2010.09.08)
表3-6上海虹桥-笕桥线路所(2010.09.23)
4 施工技术方案建议
4.1 施工工序标准化
在施工测量、软件计算、工厂预配、现场安装和最终检测等阶段都会产生不可避免的施工允许偏差，产生施工偏差的因素有人员、机具、材料、工法和环境等多个方面，最终的施工误差将由各个施工工序的施工偏差叠加而成。因此在后续工序施工的同时应对前道工序进行复核或改善，以便将施工累计误差降到最小，达到工程优质的目的。由于近几年高速铁路不断快速的发展，在建设过程留给接触网施工的时间相对较少，为保证施工质量、施工进度，需对接触网施工工序进行优化以满足实际施工要求，以沪杭高铁接触网施工工序流程为参考。见图4-1
4.2 施工人员专业化
根据施工工序，分别组成测量组、计算组、预配组、安装组、架线组、悬挂调整组、设备安装组和检测组等多个专业化作业组。由于专业化作业组的作业人员只操作并完成单一的作业内容，经过一段的时间重复实践，操作技能和作业效率均会提高到普通作业人员的一倍，从而确保高速铁道接触网所要求的施工作业高精度，尽可能减小的单个工序作业的累计误差。各个专业化作业组的人员及其工作分工要相对固定，以便进一步控制作业误差的离散性。
图4-1 沪杭高铁接触网施工工序流程图
接触网专业施工工序流程图
桥梁通道完成
接触网基础二次浇制
轨道板铺设
H型钢柱安装腕臂安装
承力索架设
承力索中锚安装及承力索就位
接触线架设
接触线中锚、吊弦安装
接触悬挂调整电连接安装及设备安装
冷滑、热滑检测及接触网精调
初（复）验
绝缘测试、送电开通试运行
施工测量
轨道铺设
路基段基础浇制
架桥机退出架桥区段后，两天
完成接触网基础二次浇制和电缆沟，提供立杆放缆条件。
H型钢柱采用汽车吊安装附加线肩架在地面安装到支柱上后与H型钢柱一并吊装
支柱安装后进行拉线安装，完成一个锚段后，人工进行附加线架设
腕臂计算数据确定后计算腕臂并安装，跟随轨道板铺设进行
设备安装
承力索采用人工架设跟随轨道板铺设进行
接触线架设紧随铺轨机进度，每天架设接触线长度与铺轨长度同步
接触线架设车与铺轨机各占用一股道同时进行，隔天轮换使用股道
附加线架设
附加险肩架安装
拉线安装
5 结束语
中国铁路已进入高速铁路时代，对弓网关系要求越来越高，经过对沪杭高铁弓网关系的分析，详细阐述了弓网关系评价标准，及静态弹性及其不均匀系数、静态抬升量和静态抬升力，动态标准包括波动传播速度、动态接触压力及其标准偏差、动态抬升量、离线率及离线时间等评价要点，根据沪杭高铁精细化调整前后检测数据对比，充分说明精细化调整是高速铁路建设过程中一个极其重要、必不可少的工序，通过这个关键工序，将会极大的减少或者避免因高速铁路弓网关系不良造成的硬点，保证供电的可靠和弓网安全。
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[4]铁建设[2007]47号，新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社，2007。
[5]沪杭铁路客运专线动态检测报告（V1.0）[NELHSL-T-DI].中国铁道科学院高速铁路系统实验国家工程实验室,2010年09月。
第一作者：孙吉男本科助理工程师
身份证：510129************
联系电话：186********，021-********
单位：中铁电气化局集团沪杭客专系统集成项目经理部项目副总工
地址：上海市松江区新松江路909号丰源大厦6楼
邮编：201620
第二作者：刘郭辉男本科工程师
联系电话：186********，021-********
单位：中铁电气化局集团沪杭客专系统集成项目经理部项目总工
地址：上海市松江区新松江路909号丰源大厦6楼
邮编：201620