王立天：为高铁设计最强的牵引动力

科技日报记者 矫阳

中国铁路动力，靠电气化牵引。

受空气阻力影响，列车速度越高，阻力越大。为保证列车持续安全高速运行，连接电力接触网与列车的导线，必须具备高强高导特性。

强度不够，导线会断；导电率不高，列车速度上不去。矛盾的是，铜合金材料导电率与强度负相关，是制约列车速度提升的核心技术瓶颈。

11月初，由中铁第六勘察设计院集团有限公司（简称“中铁六院”）副总工程师、中铁电化院首席专家王立天主持完成的《高速铁路用高强高导接触网导线关键技术及应用》，获国家科技进步二等奖。这项成果诞生的世界性能最优良导线，强度580兆帕/导电率80%IACS的铬锆铜合金导线及镁铜导线，支撑起中国高铁八纵八横网络的运行。

“铬锆铜导线可支撑运行时速400公里以上接触网的安全运行。”王立天说。

1986年，王立天开启了铁路电气牵引设计的人生。35年来，参与、组织并领导了多个具有世界先进水平的铁路电力牵引项目设计，涵盖最高时速高铁、第一条与国际接轨的地铁及国外工程铁路电力牵引设计等多个项目，设计出诸多铁路领域最强的牵引动力。

创电气铁路牵引诸多“第一”

王立天的手机和电脑里，存着许多英文原版书籍、专业期刊和各种英语App。每天听说读英文已坚持了三十余年。

1986年7月，从西南交通大学毕业后，王立天进入原铁道部电气化工程局电化设计院（简称“电化院”）工作，相继参与了大秦线、京沪线以及京郑线的相关设计。

在同事的眼里，王立天对知识的追求，总有一股不达目的不罢休的韧劲。

工作期间，王立天坚持英语学习，为后来参与引进及海外项目谈判，奠定了坚实基础。

上世纪九十年代始，中国城市地铁建设高潮。作为地铁牵引供电设计负责人，王立天先后完成了广州和上海两个地铁项目，在业内最早掌握了国内外牵引供电设备的性能。

随后，王立天又参与了“香港西部铁路牵引供电系统设计咨询及施工设计”及“香港将军澳延长线牵引供电系统设计咨询及施工设计”，最早学会了与国际接轨的现代铁路电气化牵引技术及项目管理理念。

2001年，王立天被任命为电化院总工程师，年仅36岁，并陆续再创诸多“第一”：广州地铁2号线、3号线和北京新机场线，分别为首条架空刚性悬挂时速为80、120、160公里线；首条独轨受流的重庆较新线；首条专用回流轨的宁波四号线等。

“几十年来，工程几乎一个接一个，国内铁路牵引供电设备，渐渐也从引进消化发展到自主创新。”在诸多项目实践中，王产天主持完成了我国95%以上牵引供电设备的国产化研制，实现了柔性、刚性、钢铝复合轨、直线电机驱动、独轨受流系统国产化。

摘取高铁牵引供电技术“皇冠上的明珠”

2004年，中国高速铁路拉开“引进、消化吸收、再创新”的序幕。设计时速350公里的京津城际，成为第一步“引进”的代表工程。

2006年初，41岁的王立天，被任命为电气化专业技术主谈，率40多位国内同行专家，就京津城际与外国专家展开谈判。

如何为中国高铁引进经济安全、可支撑时速350公里的接触网导线？

“团队面临三种选择。两种国际成熟的铜合金材料，分别为镁铜与铜包钢导线；还有一种是国际在研的、最先进的铬锆铜导线。”王立天说。

镁铜导线，导电率62%IACS/强度470兆帕；铜包钢导线，导电率50%IACS/强度580兆帕。而铬锆铜导线，导电率76%IACS、强度531兆帕，被称为高铁牵引供电技术“皇冠上的明珠”，尚未实现工程应用。

相比铜包钢，镁铜导线的速度及安全系数，已达极限，普遍应用于时速300公里及以下速度。“当时世界上尚无以时速350公里运营的高铁。”王立天说，我国规划建设的高铁特点是速度高、密度大、列车编组大，若要运营时速350公里以上速度高铁，必须寻找到更高强度和高导电率的下一代导线。

铬锆铜导线进入了谈判组的视野。经过艰苦谈判，拥有这一技术的外企，坚决不转让相关技术。

“必须研制出自己的铬锆铜导线。”憋着一股韧劲的王立天，于2007年，优选国内校企，组建起一个产学研合作“同盟”。

实验室研究进展很顺利。仅半年后，合作方浙江大学完成了实验室样品研发，测试数据达到了导电率80%IACS、强度620兆帕。形势喜人。

然而，王立天没料到，从实验室样品到产业化批量生产，却是一路荆棘。

高铁接触网导线，要求单根1500米以上且无缺陷，断线将造成重大事故。而这1500米，却迟迟造不出来。两年过去了，大量人力、资金、时间投入，仍看不到曙光。

为解决遇到的各类问题，王立天自学材料学，查阅大量化学、合金材料等方面的著作和论文，不断设计完善工装设备和生产流程。

试验仍屡试屡败。部分技术人员退缩了，甚至研发团队企业总工程师也辞职了。更有人质疑，国外研制了近20年时间都没成功，我们真行么？

王立天选择了背水一战。

功夫不负有心人。2010年7月，冒着生命危险留守在冶炼现场的王立天，终于成功试验出冶炼坯料杆，解决了整个研发过程中难度最大的技术问题，这颗高铁牵引供电技术“皇冠上的明珠”终被摘下。

2010年12月，京沪高铁先导段联调联试时，速度达到创纪录的486.1公里。“铬锆铜导线功不可没。”王立天自豪地说，如今我们已研发出第四代铬锆铜导线，成本更低、更加节能，技术指标居世界接触网导线领域之首。

让雷电远离高铁接触网

找到牵引供电高强高导的铬锆铜导线后，王立天把目光又投向新领域——高铁接触网防雷。

“如果接触网遇雷击跳闸断电，再强的牵引动力也不起作用。”王立天说。

“我国高铁线路运营里程长、地理跨度大、高架桥段占70%以上，地区雷击活动强，接触网雷害事故显著高于高铁先发国家。”王立天说。

运行统计，高铁正线百公里年发生雷击跳闸平均超过8次，沿海强雷区超30次以上。雷击导致的跳闸，迫使列车大面积晚点和停运，扰乱高铁正常运输秩序，进而造成更大的经济损失和社会负面影响。

高铁牵引供电系统由接触网、支柱、箱梁桥墩组合而成，雷击电磁耦合过程复杂，建模难度非常大。

如何探索建立适合我国高铁接触网的雷电防护技术体系？

在王立天的推动下，“高速铁路综合雷电防护关键技术研究”被列入原铁道部“中国高速列车关键技术研究及装备研制”科技研发计划，并纳入了“十一五”国家科技支撑计划。

“我们联合国内最顶尖团队，从基础研究着手，进行全过程仿真模拟，通过多次现场真型雷击试验，积累了大量的宝贵数据。”王立天说。

2016年，经院士领衔的专家组鉴定，认为项目成果“全面形成了接触网雷电防护技术的理论支撑”“显著提升了防雷标准化设计水平”“达到国际领先水平”。

防雷研究成果随后被中国国家铁路集团总公司采用，减少了80%的雷电跳闸率。2019年11月1日，国家铁路局正式发布《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》行业标准。

对高铁牵引动力的创新仍在持续。对电气牵引创新不停步王立天，已针对接触网的施工、维修，展开系列智能机器人研发。

人物简介

王立天，中铁六院副总工程师、中铁电化院首席专家。耕耘铁路电气化领域30余载，主持研发的牵引供电技术及装备构建了中国电气化铁路现代技术体系，推动了中国城轨供电制式多元化发展。荣获詹天佑成就奖、火车头奖章等多项表彰奖励。2016年，被聘为国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项总体专家组成员，同时担任“磁浮交通系统关键技术”项目的首席责任专家。