李世斌

（南寧鐵路局供電處，工程師，廣西 南寧 530029）

冗余設(shè)計(jì)技術(shù)是提高產(chǎn)品可靠性水平的有效設(shè)計(jì)技術(shù)之一。對產(chǎn)品進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，就是對設(shè)計(jì)部分并聯(lián)相同（或不同）的單元、冗余單元和原單元實(shí)現(xiàn)相同的功能。當(dāng)然，冗余設(shè)計(jì)在體現(xiàn)良好性能的同時(shí)，也存在局部的不足，比如冗余設(shè)計(jì)一定程度上會增加生產(chǎn)成本，導(dǎo)致性價(jià)比和效能比的降低。根據(jù)局部冗余比整體冗余可靠性高的定理〔1〕，對既有部分接觸網(wǎng)設(shè)備增設(shè)冗余措施，有利于提高接觸網(wǎng)整體可靠性。

南昆線1997年開通運(yùn)營，隨著運(yùn)輸需求逐年變大，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)存在不足也逐漸顯現(xiàn)，在1998年和2005年分別進(jìn)行接觸網(wǎng)能力擴(kuò)能改造，更換了部分承力索和支柱，并將部分水平拉桿支持裝置改為平腕臂支持裝置。但是在接觸網(wǎng)擴(kuò)能改造后，由于長期受運(yùn)輸繁忙、維修天窗不足及更新改造資金有限等因素的影響，設(shè)備老化，加速接觸網(wǎng)設(shè)備故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重干擾了正常的運(yùn)輸生產(chǎn)。在有限的條件下，如何通過有效措施對既有接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行整治，提高設(shè)備質(zhì)量和安全可靠性，充分發(fā)揮設(shè)備潛能，保證運(yùn)輸生產(chǎn)安全顯得尤為重要。

1 既有線接觸網(wǎng)運(yùn)行暴露的問題

1.1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高 南昆線接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，造成接觸網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性不高，主要表現(xiàn)在：接觸懸掛類型采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，部分正線接觸網(wǎng)承力索采用LXGJ-79型鍍鋅鋼絞線，部分區(qū)段采用H38型支柱，大部分支持裝置采用穩(wěn)定性能較差的水平拉桿方式，造成接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高；接觸網(wǎng)零部件主要采用早期標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鉤頭鞍子、普通鋁合金定位器、定位環(huán)等系列產(chǎn)品；接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置使用小半徑滑輪組；吊弦、定位拉線基本上采用Φ4.0鍍鋅鐵線；接觸網(wǎng)防雷和防污能力不足，接觸網(wǎng)的絕緣泄漏距離為1 200mm，接觸網(wǎng)防雷設(shè)備較少，每個(gè)區(qū)間只有在電分段錨段關(guān)節(jié)處設(shè)置1臺避雷器等。

1.2 零部件制造工藝水平偏低 接觸網(wǎng)零部件大多采用早期標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造。早期生產(chǎn)的鋁合金定位環(huán)和定位器等鋁合金接觸網(wǎng)零件容易失效〔2〕，經(jīng)常發(fā)生定位環(huán)開裂缺陷。雖然銅合金、鋁合金、不銹鋼都具有優(yōu)良的機(jī)械性能，但由于制造工藝和材料晶體組織等方面的不足，零部件在特定的介質(zhì)環(huán)境下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。在電力機(jī)車受電弓通過、風(fēng)載荷、環(huán)境溫度變化等因素影響下，接觸網(wǎng)系統(tǒng)會發(fā)生振動，使接觸網(wǎng)零部件處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，一旦環(huán)境中有腐蝕元素，如電化學(xué)腐蝕，接觸網(wǎng)零部件就會發(fā)生疲勞腐蝕斷裂〔3〕。此外，接觸網(wǎng)工區(qū)長期以來沒有使用精準(zhǔn)度更高的力矩扳手，而僅是憑經(jīng)驗(yàn)使用快速扳手緊固接觸網(wǎng)零部件，也是造成接觸網(wǎng)零部件開裂的重要原因。

1.3 設(shè)備老化問題突出 在橋梁、隧道口、小半徑曲線、風(fēng)口等處所，定位環(huán)、套管絞線、定位線夾等接觸網(wǎng)零部件由于長期受力較大，連接處磨損較嚴(yán)重，零部件的金屬性能和機(jī)械強(qiáng)度大幅下降，且長期電化學(xué)腐蝕，接觸網(wǎng)零部件容易出現(xiàn)開裂、斷裂現(xiàn)象，慣性故障頻繁發(fā)生。接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置滑輪、補(bǔ)償繩長期互磨后，機(jī)械性能嚴(yán)重下降，經(jīng)常發(fā)生補(bǔ)償繩斷股現(xiàn)象。接觸網(wǎng)長期受電力機(jī)車取流較大的影響，主導(dǎo)電回路的電連接線老化、電連接線夾處過渡電阻增大，容易造成接觸網(wǎng)線索燒斷事故。此外，隧道口處接觸線定位用的硅膠絕緣子老化嚴(yán)重，絕緣水平嚴(yán)重下降等問題也大范圍出現(xiàn)。

1.4 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境問題突出 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較突出的問題是接觸網(wǎng)防雷、防風(fēng)、防破壞、防干擾能力不足，例如：接觸網(wǎng)雷害問題突出，雷雨天氣時(shí)經(jīng)常發(fā)生懸式絕緣子被擊碎；隧道口處沒有設(shè)置防護(hù)網(wǎng)柵，隧道口和跨線橋處承力索沒有采取保護(hù)措施，藤蔓植物生長較快侵限或路外人員將異物拋入等，造成承力索燒斷事故；區(qū)間串補(bǔ)電容裝置、樞紐地區(qū)等處所不同供電單元的電分段錨段關(guān)節(jié)處，兩支接觸懸掛存在電壓差，承力索沒有采取防護(hù)措施，電力機(jī)車受電弓長時(shí)間短接兩支接觸懸掛的接觸線時(shí)，受電弓與接觸線間由于接觸不良而產(chǎn)生電弧，從而燒傷、燒斷接觸網(wǎng)線索；沿線危樹侵限問題突出，遇有大風(fēng)天氣時(shí)，經(jīng)常發(fā)生接觸網(wǎng)瞬間接地故障。

2 整治措施

以上所述的問題極大地影響著南昆線接觸網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。針對這些問題，近幾年通過對既有接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行冗余整治，局部接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行更新改造，接觸網(wǎng)安全可靠性得到了較大的提高，減少了對正常運(yùn)輸生產(chǎn)的干擾。

2.1 對既有接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行冗余整治 受投資費(fèi)用有限、維修天窗和運(yùn)輸繁忙等方面因素的影響，在短期內(nèi)較難完成數(shù)量較大的接觸網(wǎng)水平拉桿支持裝置改造，主要采取的措施有：增設(shè)定位管環(huán)防磨斷加強(qiáng)線（見圖1所示），當(dāng)定位管環(huán)斷裂后，防止定位管侵限，將接觸網(wǎng)參數(shù)控制在安全值內(nèi)；將原來的3片懸式絕緣子增加為4片，將絕緣泄漏距離為1 200mm的棒式絕緣子全部更換為泄漏距離為1 400mm的，提高接觸網(wǎng)絕緣水平，增強(qiáng)防雷和防污能力；針對鉤頭鞍子可能磨斷的問題，在斜腕臂套管絞環(huán)處增加防磨斷加強(qiáng)線（見圖2所示）。

圖1 既有水平拉桿支持裝置冗余措施

圖2 鉤頭鞍子防磨斷冗余措施

2.2 對老化零部件或線索增加臨時(shí)冗余保護(hù) 既有接觸網(wǎng)長期運(yùn)行后，部分接觸網(wǎng)零部件故障頻繁發(fā)生，受整治工作量、材料采購周期、維修天窗點(diǎn)等因素的影響，短期內(nèi)較難全面完成設(shè)備整治工作，在設(shè)備進(jìn)行大修或更新改造前，為確保設(shè)備安全運(yùn)行，必須采取臨時(shí)過渡措施，典型的案例如下。

2.2.1 隧道承力索水平懸掛調(diào)整螺栓增加冗余保護(hù)

南昆線寧局管內(nèi)共有135座隧道，隧道長度共計(jì)99.227 km，隧道內(nèi)有3 423組承力索水平懸掛，水平懸掛的調(diào)整螺栓年久老化，抗疲勞能力下降，電力機(jī)車通過時(shí)振動導(dǎo)致調(diào)整螺栓裂斷，使水平懸掛下墜侵限，曾經(jīng)造成1件影響較大的弓網(wǎng)事故。

冗余保護(hù)措施：用雙股Φ4.0鍍鋅鐵線與調(diào)節(jié)螺栓并聯(lián)作為冗余保護(hù)繩（見圖3所示），冗余保護(hù)繩的一般情況下處于不受力狀態(tài)，長度要合適以防止下垂侵限。通過冗余保護(hù)，已防止了多起調(diào)整螺栓裂斷引起的弓網(wǎng)故障，有效地保證接觸網(wǎng)安全運(yùn)行。

圖3 隧道水平懸掛調(diào)整螺栓冗余保護(hù)

2.2.2 隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償裝置補(bǔ)繩償增加冗余保護(hù)

南昆線隧道內(nèi)共有59組接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置，下錨補(bǔ)償繩在立柱滑輪轉(zhuǎn)角處長期受力，轉(zhuǎn)角處補(bǔ)償繩因疲勞而發(fā)生斷股，已出現(xiàn)過多起較嚴(yán)重的補(bǔ)償繩斷股故障，存在嚴(yán)重的塌網(wǎng)安全隱患。

冗余改造措施：在隧道下錨絕緣子與下錨立柱補(bǔ)償繩間加裝1根LXGJ79型油浸鋼絞線作為冗余保護(hù)繩（見圖4所示），綁扎線及鋼線卡子加裝按檢修工藝規(guī)定執(zhí)行，冗余保護(hù)繩要做好防止下垂侵限措施，冗余保護(hù)繩在一般情況下處于不受力狀態(tài)。通過冗余保護(hù)措施，防止了補(bǔ)償繩斷導(dǎo)致的塌網(wǎng)事故。

圖4 隧道下錨補(bǔ)償繩冗余保護(hù)

2.2.3 接觸線接頭線夾“一改三”冗余整治 由于故障、施工等原因造成接觸線存在接頭，長期使用的接觸線與新采購?fù)吞柕慕佑|線結(jié)構(gòu)參數(shù)一定程度上存在差別，在接觸線接頭處只安裝一個(gè)接頭線夾，連接強(qiáng)度不夠，不能滿足安全運(yùn)行的要求，已出現(xiàn)過2次接觸線接頭線夾拉脫斷線事件，存在安全隱患。

冗余保護(hù)措施：接頭用3個(gè)接頭線夾連接（見圖5所示）。如果中間接頭線夾被拉脫，兩邊各有一個(gè)冗余保護(hù)線夾將受力拉住接觸線斷頭，暫時(shí)不會影響供電和行車安全，從而避免接觸線斷線事故。

圖5 接觸線接頭“一改三”冗余改造

2.3 采用制造工藝水平較好的零部件 根據(jù)接觸網(wǎng)軟連接系統(tǒng)概念和系統(tǒng)解決方案，聯(lián)合接觸網(wǎng)供電金具制造專業(yè)廠家，采集各種接觸網(wǎng)懸掛方式的實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，計(jì)算出最佳的軟連接尺寸，完善接觸網(wǎng)零部件結(jié)構(gòu)，達(dá)到適用范圍廣、耐腐蝕、互換性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，安裝、調(diào)整方便的新型軟連接零件，解決既有接觸網(wǎng)軟連接零件在日常運(yùn)行中受腐蝕、電蝕、磨耗、振動等因素影響等諸多問題。

2.4 對局部接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行更新改造 為提高既有接觸網(wǎng)設(shè)備裝備技術(shù)水平，參考高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備裝配較先進(jìn)的特點(diǎn)，對曲線區(qū)段的H38型支柱改為H 78型支柱，將既有水平拉桿支持裝置改為平腕臂支持裝置，并使用冗余設(shè)計(jì)的定位裝置〔4〕，增強(qiáng)定位環(huán)與定位電氣連接，減少電腐蝕，在鉤環(huán)破壞后，雖然電連接線不能作為鉤環(huán)備用，但可以降低故障影響，將故障導(dǎo)向安全（見圖6所示）；將使用Φ4.0鍍鋅鐵線制作的環(huán)節(jié)吊弦、軟橫跨直吊弦、分段絕緣器斜吊弦、定位拉線等，全部更換為整體吊弦。

圖6 冗余設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)定位裝置

2.5 對設(shè)備運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行整治 提高接觸網(wǎng)防雷能力，由原來每個(gè)區(qū)間電分段錨段關(guān)節(jié)設(shè)置1臺避雷器，調(diào)整為隧道外每個(gè)錨段關(guān)節(jié)處設(shè)置1臺避雷器；在隧道口、跨線橋、不同供電單元的電分段錨段關(guān)節(jié)和隧道漏水處，對承力索加裝預(yù)絞絲防護(hù)條或輔助承力索；加強(qiáng)與工務(wù)部門的聯(lián)控協(xié)調(diào)，在隧道口上方增設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)柵，對跨線橋管線進(jìn)行遷改或加固，對隧道頂部和跨線橋漏水嚴(yán)重處所加裝引水板等。

3 結(jié)束語

通過以上冗余整治措施，較大地提高了既有線接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性，有效降低了接觸網(wǎng)故障影響范圍，縮短了故障設(shè)備修復(fù)時(shí)間，保證了鐵路運(yùn)輸?shù)男?。同時(shí)，既有線接觸網(wǎng)設(shè)備增設(shè)冗余措施，不僅可以最大限度發(fā)揮既有設(shè)備的潛能，降低發(fā)生接觸網(wǎng)設(shè)備事故的風(fēng)險(xiǎn)，且可以適當(dāng)延長設(shè)備大修和更新改造周期，節(jié)約鐵路運(yùn)營成本。

〔1〕孫懷義.冗余設(shè)計(jì)技術(shù)與可靠性關(guān)系研究.儀器儀表學(xué)報(bào)〔J〕，2007，28（11）

〔2〕錢云琪，胡月妹.鋁合金接觸網(wǎng)零件的失效分析和改進(jìn)，電氣化鐵道〔J〕，2004（1）

〔3〕陳立明.接觸網(wǎng)零部件應(yīng)力腐蝕斷裂分析.鐵道技術(shù)監(jiān)督〔J〕，2012（2）

〔4〕闕明.接觸網(wǎng)定位裝置冗余設(shè)計(jì)探索，電氣化鐵道〔J〕，2011（4）