王立天：為高鐵設計最強的牽引動力

科技日報記者 矯陽

中國鐵路動力，靠電氣化牽引。

受空氣阻力影響，列車速度越高，阻力越大。為保證列車持續安全高速運行，連接電力接觸網與列車的導線，必須具備高強高導特性。

強度不夠，導線會斷；導電率不高，列車速度上不去。矛盾的是，銅合金材料導電率與強度負相關，是制約列車速度提升的核心技術瓶頸。

11月初，由中鐵第六勘察設計院集團有限公司（簡稱“中鐵六院”）副總工程師、中鐵電化院首席專家王立天主持完成的《高速鐵路用高強高導接觸網導線關鍵技術及應用》，獲國家科技進步二等獎。這項成果誕生的世界性能最優良導線，強度580兆帕/導電率80%IACS的鉻鋯銅合金導線及鎂銅導線，支撐起中國高鐵八縱八橫網絡的運行。

“鉻鋯銅導線可支撐運行時速400公里以上接觸網的安全運行。”王立天説。

1986年，王立天開啓了鐵路電氣牽引設計的人生。35年來，參與、組織並領導了多個具有世界先進水平的鐵路電力牽引項目設計，涵蓋最高時速高鐵、第一條與國際接軌的地鐵及國外工程鐵路電力牽引設計等多個項目，設計出諸多鐵路領域最強的牽引動力。

創電氣鐵路牽引諸多“第一”

王立天的手機和電腦裏，存着許多英文原版書籍、專業期刊和各種英語App。每天聽説讀英文已堅持了三十餘年。

1986年7月，從西南交通大學畢業後，王立天進入原鐵道部電氣化工程局電化設計院（簡稱“電化院”）工作，相繼參與了大秦線、京滬線以及京鄭線的相關設計。

在同事的眼裏，王立天對知識的追求，總有一股不達目的不罷休的韌勁。

工作期間，王立天堅持英語學習，為後來參與引進及海外項目談判，奠定了堅實基礎。

上世紀九十年代始，中國城市地鐵建設高潮。作為地鐵牽引供電設計負責人，王立天先後完成了廣州和上海兩個地鐵項目，在業內最早掌握了國內外牽引供電設備的性能。

隨後，王立天又參與了“香港西部鐵路牽引供電系統設計諮詢及施工設計”及“香港將軍澳延長線牽引供電系統設計諮詢及施工設計”，最早學會了與國際接軌的現代鐵路電氣化牽引技術及項目管理理念。

2001年，王立天被任命為電化院總工程師，年僅36歲，並陸續再創諸多“第一”：廣州地鐵2號線、3號線和北京新機場線，分別為首條架空剛性懸掛時速為80、120、160公里線；首條獨軌受流的重慶較新線；首條專用迴流軌的寧波四號線等。

“幾十年來，工程幾乎一個接一個，國內鐵路牽引供電設備，漸漸也從引進消化發展到自主創新。”在諸多項目實踐中，王產天主持完成了我國95%以上牽引供電設備的國產化研製，實現了柔性、剛性、鋼鋁複合軌、直線電機驅動、獨軌受流系統國產化。

摘取高鐵牽引供電技術“皇冠上的明珠”

2004年，中國高速鐵路拉開“引進、消化吸收、再創新”的序幕。設計時速350公里的京津城際，成為第一步“引進”的代表工程。

2006年初，41歲的王立天，被任命為電氣化專業技術主談，率40多位國內同行專家，就京津城際與外國專家展開談判。

如何為中國高鐵引進經濟安全、可支撐時速350公里的接觸網導線？

“團隊面臨三種選擇。兩種國際成熟的銅合金材料，分別為鎂銅與銅包鋼導線；還有一種是國際在研的、最先進的鉻鋯銅導線。”王立天説。

鎂銅導線，導電率62%IACS/強度470兆帕；銅包鋼導線，導電率50%IACS/強度580兆帕。而鉻鋯銅導線，導電率76%IACS、強度531兆帕，被稱為高鐵牽引供電技術“皇冠上的明珠”，尚未實現工程應用。

相比銅包鋼，鎂銅導線的速度及安全係數，已達極限，普遍應用於時速300公里及以下速度。“當時世界上尚無以時速350公里運營的高鐵。”王立天説，我國規劃建設的高鐵特點是速度高、密度大、列車編組大，若要運營時速350公里以上速度高鐵，必須尋找到更高強度和高導電率的下一代導線。

鉻鋯銅導線進入了談判組的視野。經過艱苦談判，擁有這一技術的外企，堅決不轉讓相關技術。

“必須研製出自己的鉻鋯銅導線。”憋着一股韌勁的王立天，於2007年，優選國內校企，組建起一個產學研合作“同盟”。

實驗室研究進展很順利。僅半年後，合作方浙江大學完成了實驗室樣品研發，測試數據達到了導電率80%IACS、強度620兆帕。形勢喜人。

然而，王立天沒料到，從實驗室樣品到產業化批量生產，卻是一路荊棘。

高鐵接觸網導線，要求單根1500米以上且無缺陷，斷線將造成重大事故。而這1500米，卻遲遲造不出來。兩年過去了，大量人力、資金、時間投入，仍看不到曙光。

為解決遇到的各類問題，王立天自學材料學，查閲大量化學、合金材料等方面的著作和論文，不斷設計完善工裝設備和生產流程。

試驗仍屢試屢敗。部分技術人員退縮了，甚至研發團隊企業總工程師也辭職了。更有人質疑，國外研製了近20年時間都沒成功，我們真行麼？

王立天選擇了背水一戰。

功夫不負有心人。2010年7月，冒着生命危險留守在冶煉現場的王立天，終於成功試驗出冶煉坯料杆，解決了整個研發過程中難度最大的技術問題，這顆高鐵牽引供電技術“皇冠上的明珠”終被摘下。

2010年12月，京滬高鐵先導段聯調聯試時，速度達到創紀錄的486.1公里。“鉻鋯銅導線功不可沒。”王立天自豪地説，如今我們已研發出第四代鉻鋯銅導線，成本更低、更加節能，技術指標居世界接觸網導線領域之首。

讓雷電遠離高鐵接觸網

找到牽引供電高強高導的鉻鋯銅導線後，王立天把目光又投向新領域——高鐵接觸網防雷。

“如果接觸網遇雷擊跳閘斷電，再強的牽引動力也不起作用。”王立天説。

“我國高鐵線路運營里程長、地理跨度大、高架橋段佔70%以上，地區雷擊活動強，接觸網雷害事故顯著高於高鐵先發國家。”王立天説。

運行統計，高鐵正線百公里年發生雷擊跳閘平均超過8次，沿海強雷區超30次以上。雷擊導致的跳閘，迫使列車大面積晚點和停運，擾亂高鐵正常運輸秩序，進而造成更大的經濟損失和社會負面影響。

高鐵牽引供電系統由接觸網、支柱、箱梁橋墩組合而成，雷擊電磁耦合過程複雜，建模難度非常大。

如何探索建立適合我國高鐵接觸網的雷電防護技術體系？

在王立天的推動下，“高速鐵路綜合雷電防護關鍵技術研究”被列入原鐵道部“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研製”科技研發計劃，並納入了“十一五”國家科技支撐計劃。

“我們聯合國內最頂尖團隊，從基礎研究着手，進行全過程仿真模擬，通過多次現場真型雷擊試驗，積累了大量的寶貴數據。”王立天説。

2016年，經院士領銜的專家組鑑定，認為項目成果“全面形成了接觸網雷電防護技術的理論支撐”“顯著提升了防雷標準化設計水平”“達到國際領先水平”。

防雷研究成果隨後被中國國家鐵路集團總公司採用，減少了80%的雷電跳閘率。2019年11月1日，國家鐵路局正式發佈《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》行業標準。

對高鐵牽引動力的創新仍在持續。對電氣牽引創新不停步王立天，已針對接觸網的施工、維修，展開系列智能機器人研發。

人物簡介

王立天，中鐵六院副總工程師、中鐵電化院首席專家。耕耘鐵路電氣化領域30餘載，主持研發的牽引供電技術及裝備構建了中國電氣化鐵路現代技術體系，推動了中國城軌供電制式多元化發展。榮獲詹天佑成就獎、火車頭獎章等多項表彰獎勵。2016年，被聘為國家重點研發計劃“先進軌道交通”重點專項總體專家組成員，同時擔任“磁浮交通系統關鍵技術”項目的首席責任專家。