浅析刚性悬挂接触网.docx
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浅析刚性悬挂接触网.docx
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浅析刚性悬挂接触网
毕业设计(论文)
中文题目:
浅析刚性悬挂接触网
专业:
电气化铁道技术
班级:
电气化3102班
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学号:
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2013年04月20日
吉林铁道职业技术学院
毕业设计(论文)成绩评议
专业
电气化铁道技术
班级
电气化3102班
姓名
王吉民
学号
100130210
题目
浅析刚性悬挂接触网
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摘要
本文主要简述了刚性悬挂接触网的一些概况以及它在国内外的应用情况,还有刚性悬挂在实际应用中的技术标准,通过对刚性悬挂优缺点的了解,从而进一步的对刚性悬挂在正常运行中所出现的故障进行分析。
刚性悬挂接触网与传统柔性接触网性能比较,阐述了刚性悬挂接触网更适用于电气化铁路隧道内的理论分析及实际应用效果。
接触网的刚性悬挂是一种适用于轨道交通在隧道中传输电能的新型接触网悬挂方式。
刚性悬挂方式与柔性悬挂方式相比,其结构简单、安装方便、维护简便、节省空间,被称之为免维护接触网,它的存在降低建设成本和减少了未来运营维护的工作量。
关键词:
刚性悬挂接触网刚性接触网磨耗刚性悬挂的应用维护检修
Abstract
Thispapermainlydescribestherigidsuspensioncatenariesandsomeofitsapplicationathomeandabroad,therearerigidsuspensiontechnologystandardinpracticalapplication,throughtotherigidsuspensionoftheadvantagesanddisadvantagesofunderstanding,thusfurtheronrigidsuspensionfailurethatoccursinthenormaloperationoftheanalysis.
Rigidsuspensioncatenariesnetworkperformancewiththetraditionalflexiblecontact,therigidsuspensioncatenariesismoresuitableforelectrifiedrailwaytunneltheoryanalysisandactualapplicationeffect.Therigidsuspensioncatenariesisasuitableforrailtrafficinthetunneltransmissionmodelcontactnetworkcanhang.Rigidsuspensionmodecomparedwiththeflexiblesuspensionmode,hastheadvantagesofsimplestructure,easyinstallation,maintenanceissimple,saveaspace,calledthemaintenance-freecontactnetwork,ithaslowerconstructioncostsandreducingthefutureoperatingandmaintenanceworkload.
KeyWords:
RigidsuspensioncatenariesRigidcatenarieswearApplicationofrigidsuspensionMaintenanceandoverhaul
第一章绪论
架空刚性悬挂接触网不是新事物。
相反,它和电气化铁路发展的历史一样长远,刚性悬挂接触网最初就被应用于美国巴尔的摩市的第一条电气化铁路,尽管它的形式与现在不同。
接触网按悬挂特性可分为刚性悬挂和弹性悬挂(柔性悬挂)。
所谓刚性悬挂是指固定的导电体受流过程,中在受电弓或集电靴的作用下基本不变形。
而柔性悬挂是指固定的导电体受流过程中在受电弓的作用下有一定程度的变形。
刚性悬挂接触网是我国近几年从国外引进的一种新型悬挂类型,广州地铁二号线刚性悬挂接触网已于2003年6月建成并投入运行。
干线铁路25kV接触网也开始了试验和局部采用。
无论从理论分析还是从实际运行情况来看,刚性悬挂具有比较明显的特点和优势。
架空刚性接触网有柔性与刚性之分。
柔性接触网广泛使用于国内外电气化铁道干线和城市快速有轨交通系统,由于其结构复杂,且导电截面受结构限制,而结构又受隧道净空的限制,于是,世界上少数国家和地区开发了刚性接触网,在隧道内取代柔性接触网。
日本早在1964年就开始用T型刚性接触网,日本东京的日比谷线、东西线、千代田线、半藏门线、都营浅草线和都营三田线等,线路总长为100多公里由于与原国铁线和私铁线过轨联运,所以地面线路采用直流1500V的柔性接触网,而隧道内采用T型刚性接触网。
同时南朝鲜的地铁也采用了T型刚性接触网。
瑞士工程师设计的刚性接触网已在瑞士日内瓦至德国墓尼黑间运行六年有余,运行情况良好。
鉴于上海地铁一号线隧道净空较小,同时又有长度为710米高度为4990mm的槽宝路试验段隧道,法国专家曾建议上海地铁在隧道内采用刚性接触网的架空导电系统。
但由于涉及到技术引进等问题,加上贷款国的局限,该方案被迫放弃改为柔性接触网方案但从技术性能及经济性能上讲,刚性接触网仍不失为最佳选择方案。
从目前国内外的应用情况看刚性接触网,它所具备的一些特征恰好弥补了柔性接触网的不足。
第二章刚性悬挂接触网的概况及应用
本章主要介绍刚性悬挂触网以及刚性悬挂触网及国内外应的用情况。
2.1刚性悬挂接触网的概况
刚性接触网是将传统的接触线夹装在汇流排中,并靠它自身的刚性保持接触线的恒定位置,使接触线不因重力而产生弛度。
汇流排由铝合金制成,一般是12m为一段,安装时用鱼尾板将其连接为一体。
其铜当量截面约为1200mm2,相当于9根120mm2的铜导线,能满足大容量地铁车辆供电取流的要求。
刚性悬挂另一个最大优点在于可以取消柔性悬挂中的承力索和辅助馈线,使接触网的结构变得简单紧凑,极大地方便运营管理和维修。
刚性悬挂的防灾、抗灾能力强、运营成本低、可靠性高、维修简单、事故状态失效破坏范围小,刚性悬挂非常适合在长大隧道内使用。
在我国,广州地铁二号线2003年6月地面线路采用传统的柔性接触网,地下线路采用“TT”型结构架空式刚性接触网。
2006年开通运行的兰州--武威二线20.05km的乌鞘岭特长隧道就采用了刚性悬挂接触网。
2.2刚性悬挂接触网在国、内外的应用情况
2.2.1国外刚性悬挂接触网的应用情况
刚性接触网在1895年的美国巴尔的摩的第一条电气化铁路中就已经应用。
最初是为了减少隧道的净空,缩小隧道断面而采用的。
刚性接触网已在地铁工程、大型车站、人员密集的场所、集装箱节点站、城市轻轨、干线铁路隧道以及一些特殊工点中得到了有效应用。
瑞士隧道的刚性接触网设计速度为160km/h,初期试验速度达到了185km/h;奥地利隧道的刚性接触网初期试验速度达到了200km/h。
2004年奥地利联邦铁路局在其境内干线铁路Wien-Linz线上,采用德国联邦铁路局试验列车成功地进行了速度为350km/h的试验,与此同时,在前面提到的奥地利的隧道刚性接触网区段也成功地进行了速度为260km/h的试验。
拟建的长大隧道刚性接触网有:
奥地利-意大利BrennerBaseTunnel(63km、单线隧道、计划2015年建成),法国-意大利Lyon-TurinTunnel(53km、单线隧道、计划2020年建成),设计速度均大于200km/h。
城市轨道交通方面,随着城市规模的不断扩大,为了缓解交通压力,地铁采用高电压供电制已是一种必然趋势。
因此,法国、瑞士、日本、韩国等国家自80年代开始,在城市交通领域中,不论是旧线改造,还是新线建设,低净空隧道,还是高净空隧道等各种线路条件大量使用刚性接触网,截至目前全世界已建成通车800多公里。
日本在1960年为了市郊电车与市内地铁直通运转的需要,开发和使用了刚性接触网,于1961年在营团地铁日比谷线投入运营。
1988年在瑞士的辛普伦低净空隧道也采用了刚性悬挂。
刚性悬挂经历了漫长的发展阶段,终于在城市轨道交通中充分发挥了其特长,从上世纪90年代开始得到了较快的发展。
目前法国、瑞典、英国、比利时、西班牙、意大利、奥地利、韩国等世界各地都有刚性接触网在为列车不停的提供着可靠的电流,当前刚性悬挂应用较多的有日本、瑞士、法国、西班牙等国家。
虽然刚性接触网起初的设计是考虑地铁车辆的低速行驶速度,一般不高于80km/h。
但随着科技的发展和交通运输市场的需求,刚性接触网在提高速度方面已有较大的进步。
到目前为止,运行在瑞士和英国的刚性悬挂安装规定的速度为100--110km/h。
1998年在瑞士辛普伦隧道安装的长度为1100m的刚性接触网试验线路的试验结果表明,普通的受电弓速度达到140km/h是可行的,而且有弹性的受电弓时速可达160km/h,国内兰新线乌稍岭隧道刚性悬挂速度也已达到160km/h。
这说明刚性接触网在速度性能方面的潜力非凡。
2.2.2国内刚性悬挂接触网的应用情况
国内对刚性悬挂接触网的开发应用始于上世纪九十年代未期,当时仅限于地铁直流系统中采用。
2002年首次在陇海线天兰段成功应用该悬挂方式,石门至怀化铁路石门山隧道为解决低净空问题亦采用了刚性接触网。
此后,为保证接触网设备长期安全运营、减小运营维护的工作量、做到设备少维护免维修,2004年兰武线新建的乌鞘岭特长隧道(20.05公里双单线隧道)首次设计采用160km/h刚性悬挂接触网。
截止目前我国已有多条电气化铁路隧道中采用了刚性接触网,除以上提到的项目以外,还有包头至西安铁路延安至延安北既有低净空隧道、石怀线扩能改造工程大木山隧道、京九线淮滨~向塘段扩能改造工程4座既有隧道、武九线电气化改造工程陈家冲既有上下行隧道,新建项目—天津地下直径线、北京地下直径线、广珠货运线江门隧道、新疆精伊霍铁路北天山隧道、青藏线西格段新建关角上下行隧道、南疆铁路中天山隧道(双单线)、成灌线地下段等均采用了刚性悬挂接触网。
国内城轨交通方面,至2011年底,全国已有多个城市(北京、上海、广州、天津、深圳、大连、长春、沈阳、南京、苏州、杭州、成都、重庆、武汉、西安)建成了总计超过1000km的城市轨道交通线,其中上海、广州、深圳、南京、重庆等的城轨系统都大量地采用了刚性悬挂接触网。
目前在建轨道交通的城市还有宁波、南昌、郑州、哈尔滨、长沙、东莞等;另外还有十几个城市正在进行轨道交通前期工作,其牵引网也大部分拟采用刚性悬挂接触网。
可以说刚性悬挂接触网在我国城市轨道交通领域占有重要的地位。
架空刚性悬挂在广州地铁一号线示范段和试验段首先得到应用,1998年开始又决定在广州地铁二号线全线开始采用。
目前,广州地铁二号线、三号线、南京一号线已经全部开始正式运营。
自2000年以来,国内上海城市轨道交通6号线、7号线、8号线、9号线、10号线、11号线、和广州地铁四号线、五号线以及南京地铁二号线纷纷采用刚性悬挂安装模式,同时杭州地铁一、二号线、沈阳地铁一号线、西安地铁一、二号线、成都地铁、哈尔滨地铁也已经决定采用架空刚性悬挂。
2.2.3国内、外对刚性悬挂的研究情况
随着越来越多城市轨道交通项目的接触网悬挂类型采用架空刚性悬挂系统,刚性悬挂和受电弓相互作用关系受到悬挂刚体诸多不定因素的影响,采用柔性悬挂计算机弓网模拟方式进行刚性悬挂弓网关系模拟时,不能准确反映刚性悬挂中弓网作用关系。
国外刚性悬挂采用较多的国家有关科研设计机构也没有开发或采用刚性悬挂弓网关系模拟系统进行刚性悬挂的工程设计和研究,工程实践中,更多的是采用刚性悬挂工程数学模型(静态的连续梁模型)分析和计算进行受流质量效果的分析和评判,并结合提高刚性悬挂的施工精度来保证弓网间良好的受流关系。
我国的刚性悬挂分析仅仅从静态上分析,动态分析还没有起步。
由于目前对刚性悬挂的理论分析计算仅仅是刚性悬挂的静态分析计算,这种分析计算对现场的施工安装有一定的作用,但对接触网弓、网受流模拟分析起不到指导作用。
刚性悬挂的动态模拟分析应该能够真实的反映弓、网受流时的实际状况,不仅从静态上分析刚性悬挂的受力、变形状况,而且从动态上分析弓、网在列车运行时的实际状况,通过刚性悬挂的动态模拟分析可确定列车运营速度与刚性悬挂跨距、锚段关节布置的关系;跨距的大小;过渡跨跨距的确定,从而可从理论上减少拉弧现象,为刚性悬挂的布置提供理论依据。
第三章刚性接触网的优缺点
本章主要以接触网的两种悬挂方式:
柔性、刚性作为对比,重点突出刚性悬挂接触网在一些特殊场所中所应用的优点。
3.1柔性、刚性悬挂的结构形式
3.1.1柔性接触悬挂
柔性接触悬挂分两种:
简单接触悬挂和链形接触悬挂。
简单接触悬挂是由一根或几根互相平行的接触线直接固定到支持装置上的接触悬挂形式。
它的特点是无承力索,接触线直接悬挂在支持装置上。
简单接触悬挂根据其接触线是否进行补偿,又可分为未补偿简单接触悬挂和带补偿简单接触悬挂。
链形接触悬挂接触线通过吊弦(或辅助索)而悬挂到承力索上的悬挂,称为链形接触悬挂。
链形悬挂可以在某一温度下使接触线处于无弛度状态,也就是在整个跨距内,可使接触线至轨面保持相等的高度。
这种悬挂由于接触线是悬挂到承力索上的,因而基本上消除了悬挂点处的硬点,使接触悬挂的弹性在整个跨距内都比较均匀。
3.1.2刚性接触悬挂
刚性接触网由地下或隧道内、地面部分组成,地下或隧道内区段接触网采用刚性接触悬挂,刚性接触悬挂主要由汇流排和一接触线的形式组成,另设架空线,没有辅助馈线。
地面部分采用柔性接触网。
刚性接触悬挂均通过定位装置安装于隧道顶或者隧道壁。
3.2刚性接触网的优、缺点
3.2.1刚性接触网的优点
1)结构简单,施工方便
“Π”型刚性悬挂汇流排当量截面积为1200mm,相当于柔性8根150mm硬铜绞线。
其下嵌入传统柔性悬挂接触导线后,即等于同于柔性悬挂承力索、接触导线和架空馈电线的作用。
刚性接触网对隧道净空要求相对较小并且无需下锚装置,可避免不必要的局部开挖,可节省土建费用。
因而刚性悬挂的结构形式相对于传统的柔性悬挂接触网来讲更简单、更紧凑、施工更加方便。
2)安全可靠,便于运行维护
首先,刚性悬挂的汇流排是刚度较大的断面成“D”型铝质导电体,通过定位悬挂装置,悬挂于轨道的上方。
接触线被安放在汇流排的夹线槽中,接触线被汇流排自然夹紧,接触悬挂两端不设张力补偿装置,汇流排和接触线的轴向没有补偿张力,不存在断汇流排或断线的可能,从而避免了柔性钻弓、烧融、高温下软化、线材缺陷以及受电弓故障造成的断线故障。
由于这样的特点,刚性悬挂的故障是点故障,而柔性悬挂的故障范围为一个锚段,所以刚性悬挂事范围小;
其次,由于刚性悬挂接触网需要的隧道净空小,不须设置下锚装置,所以刚性悬挂的锚段关节部分结构简单所需零部件少。
锚段长度较柔性悬挂的段减少至六分之一,因此固定金具来回串动范围小,相应地提高了运行中的安全性和适应性;
再次,对于隧道内维修作业困难且很耗费时间的场合,采用刚性接触悬挂大有好处。
因为接触线被汇流排固定不需要进行张力调整,所以大多数调整工作很简单并且容易量化,维修工作教柔性接触网容易,事故平均恢复时间较柔性悬挂短得多,能最大限度地保证正常的运营。
所以更加适合在长距离的隧道内作接触悬挂;
最后,刚性悬挂接触网系统正线采用绝缘锚段关节进行电分段,无需再单独采用分段绝缘器,从而减少投资,且最大限度地保证了正线接触网系统的相对连续性,提高接触网系统安全性、可靠性。
3)弓网之间接触属于刚性接触,所以本身不存在负荷集中点和硬点,接触网的抬升量很小,弓网之间的压力变化量也很小,弓网间接触良好,不存在离线拉弧现象,接触线的磨耗也更均匀。
4)国产化程度高,节省有色金属
除分段绝缘器、隔离开关为进口设备外,其他设备、材料、零部件全是国内生产。
施工中用铝合金汇流排代替了铜馈线、铜承力索,节省了大量的铜金属,投资比柔性悬挂低。
5)灵活方便、性能优良
刚性接触网可根据需要,在特殊的地方设计为可移动的形式。
如在地铁车辆段检修库、隧道段人防门、防淹门等地方,在需要检修或关闭人防门、防淹门时移去上部刚性悬挂,待检修完成或打开人防门、防淹门后再移回这部分刚性悬挂,恢复正常工作状态。
6)静态稳定性好,便于设计
刚性架空接触网系统不需要张力装置,土建结构的承力要求较柔性悬挂小,系统的安全性及稳定性均较柔性悬挂好。
如平衡重或液压拉伸装置,可以比传统的接触网设计更方方便容易。
7)架空刚性接触悬挂锚段和跨距较小,跨距与速度关系密切,其“Z”字值没有明显的拐点。
“D”型汇流排一般长度为10m或12m,锚段架设长度一般不超过250m,整个悬挂布置成正弦曲线,即2个锚段构成一个完整周期的正弦波。
其“Z”字值没有明显的转折点,其拉出值呈周期变化,最大拉出值一般不超过200mm。
8)锚段关节、线岔结构简单,容易实现电分段功能。
架空刚性接触悬挂的锚段关节采用两段接触悬挂侧向相互平行且错开,平行段的长度为4m,端部向上弯曲70mm左右,两悬挂的水平距离根据需要而定,一般非绝缘关节为200mm,绝缘关节为250mm,见图3.1。
图3.1架空刚性接触悬挂锚段关节平面布置
采用无交叉线岔结构,正线接触悬挂不中断,单独一根侧线与正线接触悬挂侧向错开,其水平间距一般为200mm,侧线悬挂端部向上弯曲70mm左右,见图3.2。
架空刚性接触悬挂的电分段有两种结构:
绝缘锚段关节式与分段绝缘器式。
柔性悬挂的侧线或渡线只能采用分段绝缘器来实现电分段。
而架空刚性悬挂可采用绝缘锚段关节代替分段绝缘器来实现电分段,这样不仅节省投资,而且还减少了维修的工作量。
图3.2架空刚性接触悬挂线岔平面布置
9)架空刚性接触悬挂相对于柔性接触悬挂而言,结构高度小,可以不考虑受流时导线的抬升、接触线的振动以及链形悬挂结构高度占用的空间,因而所用净空至少相差100--150mm。
另外,架空刚性接触悬挂在锚段关节和线岔处,尤其是复式道岔处,无需设置下锚补偿装置,安装简单,不需要隧道额外增加空间,所以架空刚性接触悬挂能够很好地满足低净空隧道要求。
3.2.2刚性接触网的缺点
1)由于刚性接触悬挂采用的是硬质铝合金材质,不能像柔性接触悬挂一样具有很大范围的可调性,所以施工过程中的任何的细小失误都可能造成永久性缺陷,造成汇流排永久变形,或者有可能在锚段中间形成无法修正的缺陷。
2)刚性接触网在施工中安装精度要求高,架空刚性接触悬挂的接触线高度误差为5mm,锚段关节和线岔处两悬挂的高差为0--1mm,且两悬挂的中心线要与受电弓的中心重合(如图3.1和图3.2所示)。
在曲线地段,为了保证接触线不出现偏磨现象,汇流排横断面的中心线要与轨面垂直。
这几个参数与轨道参数关系密切,轨道的超高略加改变或起拨道床时,对接触线的高度及接触线的偏磨都将产生影响,尤其对锚段关节和线岔处两接触线的高差影响大,如不及时跟随调整,可能发生打弓拉弧现象,严重时还会使接触线和受电弓受到损伤。
运行、使用的经验较少,定位点较多使得相应的安装费用增长,但综合比较,刚性接触网还是具有很大的优势。
3)刚性接触网轨道稳定性要求高,列车速度一般低于柔性悬挂。
4)当车速较高时,甚至会导致受电弓与接触线瞬时分离即离线现象。
这种现象的发生会导致:
第一,造成弓网间的拉出的电火花增多,甚至会造成受电弓与接触网之间拉弧,从而加重接触线与受电弓的电气磨耗,严重时可烧损接触线和受电弓的滑板;第二,造成在列车加速区段和锚段关节接触线的磨耗不均匀和加速受电弓碳滑的磨耗及其工作面的凹凸不平现象;第三,使牵引变电设备(如整流器、整流变压器等)的工作条件变坏以及列车的受流质量变坏。
5)由于在刚性接触网中地面还存在柔性接触悬挂,在刚柔过渡区域的弓网关系会因为两种悬挂的弹性不同变恶劣。
即当受电弓由刚性接触悬挂驶向柔性接触悬挂区域时会出现离线现象;当受电弓由柔性接触悬挂驶向刚性接触悬挂区域时会出现较大硬点,发生打弓现象。
第四章接触网刚性悬挂的应用
接触网刚性悬挂是一种新型悬挂类型,经过理论分析和实际运行情况表明,刚性悬挂具有比柔性悬挂较明显的特点和优势。
4.1刚性悬挂应用的技术标准
4.1.1汇流排形式
在本节中刚性悬挂架空接触网采用F型汇流排。
F型汇流排采用铝合金挤压制造,单根长度可达12m,采用接头板和螺栓连接,满足任意长度要求,汇流排通过结构和材料的优化设计,巧妙利用其弹性,通过专用放线小车,可方便的架设和夹紧接触线,汇流排剖面图,如图4.1所示。
图4.1汇流排剖面图
4.1.2刚性悬挂的跨距
由于刚性悬挂不施加张力,刚性悬挂的允许跨距和运行速度有关,根据国外试验和运行经验,速度和跨距的对应关系,图4.2所示;列车最高速度按120km/h设计,设计跨距一般取8m,,弛度不超过跨距的1‰。
锚段长度施工过程中根据现场实际情况可调整范围为6--10m。
图4.2速度和跨距的对应关系
4.1.3锚段长度及拉出值
刚性架空接触网和接触轨的锚段长度,应根据环境温度、载流温升、材料线胀系数、伸缩要求确定。
锚段长度的选择取决于汇流排本体在运行中可能承受的最大温度差以及膨胀接头对温度补偿的能力,此外也与锚段线路的弯曲半径及坡度等因素有关。
下列以石怀段隧道为例;假如隧道外设计气温最高气温40°,最低气温最低气温-10°,隧道内接触网计算温差△T可取为40*1.5-(-10)=70°选用已有运行经验的伸缩量为500的膨胀接头,L=△L/(△T*α)=0.25/70/2.4*10-5=148.8m,锚段长度定为2L=300m。
刚性悬挂不能像柔性悬挂那样,布置成折线形式,刚性悬挂成弧形布置,在沿轨道500m范围内的拉出值宜为:
±200--±250mm;200m范围内拉出值宜为:
±180mm。
4.1.4刚柔过渡与中心锚结的设计
1)刚柔过渡的设计
由于隧道外采用柔性悬挂,隧道内采用刚性悬挂,两种悬挂的弹性相差太大,因此,必须采取刚柔过渡措施。
广州地铁二号线和宝兰线试验段设计安装关节式刚柔过渡,这种刚柔过渡措施适用于较低速度(80km/h),锚段关节采用刚性悬挂。
当速度高于100km/h,宜采用贯通式刚柔过渡措施。
石怀段设计采用了贯通式刚柔过渡,柔性悬挂接触网的承力索在隧道洞门拱圈上下锚,接触线嵌入12m切槽式刚性渐变汇流排和12m加强夹紧力汇流排及整个锚段的汇流排,在加强夹紧力汇流排上安装了下锚装置,使刚性悬挂接触网不受接触线张力的影响。
值得注意的是,刚柔过渡段应该设在与接触线同一条直线上,并且满足隧道外接触线在受电弓工作范围之内。
贯通式刚柔过渡措施是:
柔性悬挂接触网的承力索在隧道洞门拱圈上下锚,接触线嵌入12m切槽式刚性渐变汇流排和12m加强夹紧力汇流排,在加强夹紧力汇流排上安装了下锚装置,使刚性悬挂接触网不受接触线张力的影响。
值得注意的是,刚柔过渡段应该设在与接触线同一条直线上,并且满足隧道外接触线在受电弓工作范围之内。
刚柔过渡段示意,如图4.3所示。
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- 浅析 刚性 悬挂 接触