接触网承力索的最大断股数及维修措施探讨

摘 要：承力索用于链形接触悬挂接触网，位于接触线的上方，通过吊弦将接触线悬挂起来。由于短路接地、主导电回路不畅、雷击、线索交叉互磨、补偿装置卡滞及腐蚀等原因，常出现承力索断股、断线的现象。文章以高速线路上常用的JTMH-120承力索为例，利用数理解析对工程速算法得出的JTMH-120承力索的最大断股数进行校验，进而验证利用工程速算法得出的接触网中常用的9类承力索最大断股数的数据是有效的。依靠所得数据，参照铁道部关于承力索补强的技术标准，结合运营维护经验，综合多年普速铁路承力索的断股补强、重接案例，提出了一种维修措施处理高速铁路承力索断5股以上的情况。该措施在管内线路上运用，取得了良好的效果。这种维修措施补充已有的承力索断股维修措施，为接触网的检修工作提供有益的指导。

关键词：承力索；断股；校验计算；维修措施

1 接触网承力素的分类

1.1 钢承力索

钢承力索用镀锌钢绞线制成，该承力索优点在于：（1）强度高；（2）耐张力大，驰度变化小；（3）节省有色金属，造价低。缺点是：（1）电阻大，导电性能；（2）为非载流承力索，压损和能耗高；（3）钢承力索不耐腐蚀，使用时还要采取防腐措施。常用的规格型号有GJ-70、GJ-100等类型，其中，J表示绞线，G表示钢材质，数字表示截面积（mm2）。

1.2 铜承力索

基于钢承力索的缺点，研发的铜承力索，该承力索优点在于：（1）导电性能好，可作牵引电流的通道之一；（2）可与接触线并联供电，能够降低压损和能耗；（3）抗腐蚀性能好。缺点是：（1）消耗铜多，造价高；（2）机械强度低；（3）不能承受较大的张力，在温度变化时驰度变化大。规格型号有TJ-70、TJ-120等几种，其中，J表示绞线，T表示铜材质，数字表示截面积（mm2）。

1.3 铜镁合金承力索

为了提高铜材质承力索的机械强度，研发的新型铜镁合金承力索，该承力索优点在于：（1）工作温度高；（2）载流能力强；（3）在高速、重载电气化线路上有广阔的应用前景。常用的规格型号有JTM-70（Mg含量为0.2%）、JTMH-120（Mg含量为0.5%）等类型，其中J表示绞线，TM表示铜镁合金材质，数字表示截面积（mm2）。

2 承力索断股、断线的原因分析及危害

2.1 造成承力索断股或断线的原因

2.1.1 电气原因造成承力索烧断股或断线。（1）电连接的状态不良（如接触不良或接触载流面不够）而引起；（2）如机车车辆放电、接触线断线接地、接触悬挂或支持装置、定位装置零部件脱落，造成棒式或悬式绝缘子闪络。使得接触网对地短路放电使得承力索烧断股或断线；（3）在AT供电方式中，正馈线或保护线断线，断线部分与承力索碰撞或搭接，形成金属性短路，造成承力索烧断股或断线；（4）接头处的电连接状态不良（如接触不良、螺栓松动），造成接头烧毁使承力索断线；（5）由于隧道内渗、漏水结冰，造成接触网对隧道壁短路放电使承力索烧断股或断线。

2.1.2 机械原因造成承力索磨断股或拉断线。（1）站场软横跨线岔、锚段关节、锚段式分相等处所，承力索在交叉位置常有互磨的现象，严重的则断股、断线；（2）补偿装置发生卡滞，承力索不能随温度的变化进行自由伸缩，造成拉断股、断线；（3）承力索散股后，由于各股受力不均而被拉断股进而拉断线。

2.1.3 腐蚀原因造成断股后进而拉断线。（1）在腐蚀因子较多的地段（如化工厂、沿海），因环境中存在着许多腐蚀性较强的物质。下雨水时，雨水中带有强腐蚀性成分，对接触网设备造成不同程度的侵害直至腐蚀。（2）在通风条件恶劣地段（如隧道内），潮湿导致接触网设备和零部件锈蚀。

2.2 承力索断股及断线的危害

2.2.1 在机车受电弓作用下，接触网低频大幅度振动。承力索断股后，已断的股位置沿线路形成较长距离散股，产生的危害：（1）对机车车辆、附加悬挂短路放电烧损接触网；（2）机车经过时，散股线打坏或缠绕住受电弓造成剐弓。

2.2.2 承力索断线后，其危害：（1）承力索断线的两断头或两断头之一，松弛至接触线位置造成接触网对地短路放电，烧伤、烧断接触线或烧损其他设备；（2）由于烧损或烧伤接触网其他设备，造成事故扩大；（3）承力索断线后，吊弦失去作用力，松弛到接触线下部，会造成接触网对机车车辆短路放电，扩大事故范围危及人身安全，同时容易引起剐弓事故；（4）承力索断线后，接触线的不平顺度和定位误差系数急剧增大，导致在其他位置引起剐弓事故。

3 承力索最大断股数的计算与校验

为讨论方便，作如下前提假设：

（1）绞线绞制均匀；（2）绞线无腐蚀、无损伤；（3）绞线无往复弯曲，造成疲劳，引起强度降低。本文以19股承力索的绞合形式为例，如图1所示。

3.1 工程速算法

通过查阅国家铁道行业相关标准，详见参考文献[1]，摘录其中与文章讨论有关的数据，如表1所示。依照参考文献[2]的规定，引入“安全系数”概念，定义为安全系数=最小破断拉力÷额定拉力。（1）承力索的强度安全系数，铜或铜合金绞线不应小于2.0。钢绞线不应小于3.0；钢芯铝绞线、铝包钢和铜包钢系列绞线不应小于2.5；（2）软横跨横向承力索中的钢绞线安全系数不小于4.0，定位索（3）供电线、加强线、正馈线、回流线等接触网附加导线的强度安全系数不应小于2.5。

假设，某条高速铁路上承力索的工作张力为21kN，采用JTMH-120型承力索，根据“承力索的强度安全系数，铜或铜合金绞线不应小于2.0”[2]，可知：

承力索的最小拉断力Fdmin=额定拉力FN×安全系数K=21×2=42kN

查表1可知，JTMH-120型的绞线拉断力FdN=67.57kN；则：

富裕绞线拉断力Fdf=FdN-Fdmin=67.57-42=25.57kN

因为，JTMH-120型是1×19股绞线，

说明，JTMH-120型承力索在断股数小于7根时，可采取预绞丝接续条补强措施；若断股数达到或超过7根时，依照参考文献[3]所提出的技术标准，采用下列补强方案：

（1）承力索外围将断股单丝沿原有缠绕方向紧密缠绕复原；（2）安装预绞丝接续条，先以承力索断股处为中心，预绞丝中心正对承力索断股位置；再分别向两侧均匀缠绕预绞丝接续条；（3）用同规格承力索补强：a.预制截取约7m同规格承力索做附加线；b.按图2所示，先安装一侧承力索中锚线夹；c.另一侧通过手板葫芦对附加线施加1T（额定张力21kN×0.05）的张力后，安装另一侧承力索中锚线夹；d.承力索中锚线夹紧固力矩46N·m。

利用工程速算法经四舍五入取整后，得出接触网常用的9类承力索最大断股数，如表2所示：

但是，工程速算法中：（1）没考虑承力索处于露天环境下，风、雨、雪等气候条件对承力索线材性质的影响；（2）没考虑承力索是否有接头；（3）没考虑承力索是否悬挂有分段绝缘器等质量集中的设备。（4）对上述三种因素的忽略，承力索线材受其影响，数据是否需要修正，我们不得而知。（5）利用工程速算法得出的承力索最大断股数缺少数理解析的理论支撑。

3.2 数理解析校验

由图1可知，外层股数与内层股数的分布比例为12：7，故承力索的外层的12股绞线将承受全部拉力的63%。引入数学模型，并对线索工况及所处位置等因素对承力索最大断股数确定的综合影响加以考虑，详见参考文献[3]。满足绞线的工作荷载计算值不得大于该绞线最小拉断力数值的65%。运行状态下最大允许拉伸应力的计算公式，如式1：

其中，？滓min为最小抗拉强度；ktemp为最大运行温度和运行拉伸应力之间关系的系数，如表3所示；kwind、kice为表示风荷载和冰荷载作用的系数，如表4所示；keff为表示张力补偿装置特性的系数，一般取keff=0.95；kclamp为说明张拉线夹特性的系数。如果线夹可传输线索上标称张力的95%以上时，此系数可取kclamp=1；kload为说明承力索上各种垂直作用力（如安装了分段绝缘器），如果没有垂直作用力，取kload=1；如果有垂直作用力，取kload=0.8。文章为求得唯一映射值，综合线路各种情况，对kload系数取平均，即kload=0.9。

假设某条高速铁路上的承力索的工作张力为21kN，采用JTMH-120型承力索，两端自动补偿，工作环境最高温度为100℃，风速小于100km/h，存在覆冰现象。

查表1可知，JTMH-120型绞后单线抗拉强度为578MPa，单根直径为2.8mm。故，工作状态下最大允许拉伸应力为：

故JTMH-120型承力索最小工作根数为12根，最大断股数为7根。参考表1所给参数，对表2中的数据进行校验计算，所得数据一致。说明，基于工程速算法得出的承力索最大断股数是可信、可用和可靠的。

在数理解析中，（1）将环境影响、线索工况及所处位置等主要因素纳入计算，其综合影响因子为0.9；（2）基于数理解析的保证，工程速算法不仅能确定承力索最大断股数，还可以在确知某型绞线工作张力的前提下，参考其他附加导线（如保护线、正馈线等）的国家标准中所列的线型参数，可对其他附加导线的最大断股数进行计算。

3.3 总结

考虑承力索：（1）绞线绞制不均匀；（2）绞线的腐蚀、损伤；（3）绞线的往复弯曲，造成疲劳，引起强度降低。参照表2所给数据，根据多年承力索的断股补强、重接案例，归纳总结：

普速铁路，（1）承力索断1股，将断股头锉平后用同材质线绑扎；（2）承力索断3股及以下时，进行机械补强；（3）承力索断4股及以上时截断重接。

高速铁路，（1）承力索断4股及以下时，进行预绞丝接续条补强；（2）承力索断5股以上时，依照本文提出的维修方案进行补强。

4 结束语

文章从承力索分类入手，总结了承力索断股、断线的原因和危害，利用数理分析对工程速算法所得的JTMH-120承力索最大断股数的数据进行校验计算，验证了运用工程速算法得出的电气化铁道中常用的9类承力索的最大断股数是有效的。根据计算所得数据，顾及环境、工况等多方面的因素的影响，综合多年普速铁路承力索的断股补强、重接案例，提出一种维修措施处理高铁承力索断股5根以上的情况，完善承力索断股的维修措施，为今后接触网检修提供合理的指导。

参考文献

[1]TB/To3111-2005.电气化铁道用铜及铜合金绞线[S].北京：中华人民共和国铁道部，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.接触网运行检修规程[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[3]中华人民共和国铁道部.铁路客运专线技术管理办法（试行）（300-350km/h部分）[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]基布岭.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社，2003.

[5]吉鹏霄，张桂林.电气化铁道接触网（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2011.

[6]于万聚.高速电气化铁道接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[7]刑尊军.接触网承力索磨损的措施研究[J].铁道工程学报，2006，No.8（Ser.98）：85-87.

作者简介：陈琦（1984，8-），男，福建福州，北京铁路局北京供电段，助理工程师，从事接触网运营与检修工作。

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