鐵路牽引供電弓網(wǎng)的安全運(yùn)行

現(xiàn)在，中國正處于鐵路快速發(fā)展的時(shí)期，所有主要的高速客運(yùn)線路都受到電力的驅(qū)動(dòng)，這需要一個(gè)可持續(xù)、穩(wěn)定和高速的解決方案。高速受流指高速運(yùn)行中的受電弓通過與接觸線的滑動(dòng)接觸獲取電能并傳給電力機(jī)車的過程,由于接觸網(wǎng)設(shè)備單一無備用,以及電氣化鐵道負(fù)荷的移動(dòng)性和時(shí)變性,使得高速弓網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜多變,如何有效評(píng)價(jià)弓網(wǎng)之間的相互作用成為世界各國專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。1接觸網(wǎng)供電質(zhì)量的保障可靠供電是高速鐵路安全、舒適、高效運(yùn)行的保障,供電質(zhì)量的好壞取決于接觸網(wǎng)和受電弓的相互作用。為合理、有效地評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系,需從以下幾個(gè)核心問題進(jìn)行考慮。1.12受電弓振動(dòng)、波動(dòng)特性對(duì)接觸網(wǎng)性能的影響弓網(wǎng)系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí),接觸網(wǎng)和受電弓相互作用構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的耦合振動(dòng)系統(tǒng),接觸質(zhì)量和安全性是弓網(wǎng)系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括接觸線、承力索、吊弦、線夾、定位器以及其他零部件,既有均布質(zhì)量,又有集中質(zhì)量,是一個(gè)非常復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)。在實(shí)際研究中,通常采用多普勒系數(shù)、反射因數(shù)和放大系數(shù)等描述接觸網(wǎng)的振動(dòng)、波動(dòng)特性。對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的基本要求:接觸線平直性好;由分段絕緣器、定位器等集中質(zhì)量引起的硬點(diǎn)少;彈性不均勻度小。受電弓也是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),由彈簧、連桿等組成,在弓網(wǎng)運(yùn)行中要求:弓頭跟隨性好,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;阻尼合理,受空氣影響小;噪音小。在受電弓系統(tǒng)中,弓頭參數(shù)、工作高度范圍、升降弓特性等影響著受電弓性能。弓頭質(zhì)量和剛度決定了受電弓的跟隨性能;弓頭幾何參數(shù)和工作高度范圍與受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線密切相關(guān),直接影響著弓網(wǎng)運(yùn)行的安全性;升降弓時(shí)間特性反應(yīng)了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,尤其是降弓特性與安全性密切相關(guān)。弓網(wǎng)平均接觸壓力目標(biāo)值(Fm)與運(yùn)行速度(V)的關(guān)系如圖1所示。一方面,隨著速度的提高,為保證弓網(wǎng)接觸質(zhì)量須增大平均接觸壓力,當(dāng)接觸網(wǎng)彈性一定時(shí),由式(1)知,抬升量Y隨之增大;另一方面,為保障運(yùn)行安全性須限制接觸線的抬升量和抬升量差異。因此,在高速情況下,需采取措施減小接觸線的彈性及彈性不均勻度。式中,Y為接觸線垂直抬升量,mm;Fc為弓網(wǎng)接觸壓力,N;e為接觸網(wǎng)彈性,mm/N。1.2弓網(wǎng)機(jī)械磨耗增加高速電氣化鐵道通過受電弓與架空接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸進(jìn)行電能傳輸(見圖2),其特點(diǎn)如下:(1)在高速條件下,要保證穩(wěn)定受流,維持弓網(wǎng)之間可靠接觸需要更大的作用力(圖1),導(dǎo)致弓網(wǎng)間機(jī)械磨耗增加;(2)高速列車牽引功率劇增,電流隨功率成正比增加,弓網(wǎng)接觸面?zhèn)鲗?dǎo)的電流更大;(3)弓網(wǎng)運(yùn)行時(shí)接觸面積小,因此接觸面上電流密度大,使電氣磨耗劇增。列車高速運(yùn)行時(shí),焦耳熱和摩擦熱劇增,為防止弓網(wǎng)局部過熱發(fā)生安全事故,對(duì)接觸線和受電弓滑板材料提出了更高的要求;機(jī)械磨耗和電氣磨耗共同作用,且電氣磨耗占據(jù)主導(dǎo)地位,縮短了弓網(wǎng)系統(tǒng)的壽命;同時(shí),大電流使導(dǎo)線橫截面積增加。這些因素都導(dǎo)致投資的增加。1.3對(duì)環(huán)境的干擾受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)在自身相互作用的同時(shí),也與外界環(huán)境發(fā)生著相互作用。一方面,弓網(wǎng)運(yùn)行過程中受到環(huán)境的影響,使受電弓與接觸網(wǎng)的相互作用復(fù)雜多變。這些因素包括:(1)自然條件,風(fēng)、溫度、覆冰等;(2)線路條件,橋梁、隧道等。例如,風(fēng)引起接觸線的橫向偏移,覆冰引起接觸線弛度的改變,溫度引起定位器的位置變動(dòng),隧道中列車風(fēng)的影響,橋梁與機(jī)車的耦合振動(dòng)的影響等。另一方面,弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生影響:(1)高速接觸網(wǎng)電流更大,周圍由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)更強(qiáng),經(jīng)回流(正饋)線抵消后剩余磁場(chǎng)也較強(qiáng);(2)高速運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)離線加劇,產(chǎn)生的電弧中含有大量高頻成分。這些都對(duì)周圍通信系統(tǒng)造成干擾。因此,在弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)中,弓網(wǎng)系統(tǒng)與環(huán)境的作用是不可忽視的。2弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)量的關(guān)系接觸網(wǎng)/受電弓系統(tǒng)是一個(gè)整體,評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系就是評(píng)價(jià)受電弓和接觸網(wǎng)之間的相互作用。設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響,仿真和測(cè)量是研究弓網(wǎng)關(guān)系的常用手段,這些因素之間又相互聯(lián)系(圖3)。設(shè)計(jì)和施工為仿真系統(tǒng)提供源數(shù)據(jù),也決定了弓網(wǎng)系統(tǒng)性能及測(cè)量的結(jié)果。仿真和測(cè)量的結(jié)果為設(shè)計(jì)和施工提供評(píng)價(jià)依據(jù),為設(shè)計(jì)和施工方案提供參考。任一仿真系統(tǒng)結(jié)果都須與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較以校驗(yàn)仿真的有效性,同時(shí),一個(gè)高效的仿真系統(tǒng)能夠大大減少測(cè)量,降低投資。設(shè)計(jì)、施工、仿真和測(cè)量等過程都是為了實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo):長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、少維修的弓網(wǎng)系統(tǒng)。安全、可靠、對(duì)環(huán)境少干擾或無干擾的弓網(wǎng)運(yùn)行。因此弓網(wǎng)關(guān)系的評(píng)價(jià)是一個(gè)系統(tǒng)工程。2.1缺陷檢測(cè)及評(píng)價(jià)弓網(wǎng)相互作用的測(cè)量包括動(dòng)態(tài)測(cè)量和缺陷檢測(cè)。動(dòng)態(tài)測(cè)量包括接觸壓力、接觸線抬升、受電弓弓頭動(dòng)態(tài)變化范圍、電弧等,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)EN50317中,對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法、結(jié)果、精度以及測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)均做了詳細(xì)的規(guī)定。缺陷檢測(cè)包括接觸網(wǎng)系統(tǒng)中接觸線位置、腕臂系統(tǒng)缺陷和受電弓系統(tǒng)中的滑板狀態(tài)等。歐洲接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)EN50119對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)中各部件的位置、允許誤差范圍、接觸線的磨耗限度等做了相應(yīng)規(guī)定。當(dāng)前,在高速弓網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)量方面,日本、德國、法國、意大利、韓國、中國等均自主開發(fā)或引進(jìn)了裝備有測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)車,如日本的“East-i”和“DoctorYellow”、德國的“ICE-S”和“AOI”、意大利的“ROGER1000”和“ROGER2000”等。弓網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要功能如圖4所示,對(duì)測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)主要根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)以及本國評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。線路測(cè)量結(jié)果能夠最直接反映弓網(wǎng)系統(tǒng)的性能,但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)花費(fèi)巨大,受環(huán)境影響大,且實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性差,不能隨意改變工況,不同測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果的可比性也較差,因此在弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)中,其應(yīng)用受到限制。2.2弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)弓網(wǎng)計(jì)算機(jī)仿真是指對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓分別建立數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬。早期,接觸網(wǎng)建模采用變剛度模型、張力弦模型、集中質(zhì)量模型等,但這些模型對(duì)接觸網(wǎng)簡(jiǎn)化太多,與實(shí)際情況相差太遠(yuǎn),當(dāng)前,有限元模型被廣泛采用;受電弓模型有質(zhì)量-剛度-阻尼模型、非線性模型和三維模型,質(zhì)量-剛度-阻尼模型在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真中常常使用,非線性和三維模型用于受電弓的參數(shù)研究和優(yōu)化。弓網(wǎng)仿真能全面研究弓網(wǎng)參數(shù)的影響,方便地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,可重復(fù)性好,有效降低實(shí)驗(yàn)的成本,得到了廣泛的應(yīng)用。英國BB公司、德國Siemens公司、德國鐵路(DB)、日本鐵路(JR)、法國國鐵(SNCF)均開發(fā)了自己的仿真軟件。但目前的仿真系統(tǒng)都只用于有環(huán)境作用下的靜態(tài)計(jì)算和無環(huán)境作用下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真,對(duì)于在風(fēng)、冰荷載、溫度等外界條件共同作用下的動(dòng)態(tài)仿真尚待繼續(xù)研究。2.3弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬問題線路測(cè)量和計(jì)算機(jī)仿真在弓網(wǎng)評(píng)價(jià)中都受到較大限制,實(shí)驗(yàn)室混合模擬受到廣泛關(guān)注。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)難以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn),而受電弓實(shí)體容易獲得,混合模擬試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中采用虛擬接觸網(wǎng)、實(shí)際受電弓進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬的方法。目前德國鐵路(DB)的受電弓實(shí)驗(yàn)臺(tái)和西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的弓網(wǎng)混合模擬系統(tǒng)比較有代表性。利用上述弓網(wǎng)關(guān)系研究方法,可以對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià)。但并非能解決所有的問題。例如:在錨段關(guān)節(jié)、線岔、橋梁、隧道等特殊區(qū)段處,弓網(wǎng)之間的相互作用無明確結(jié)論,難以進(jìn)行評(píng)價(jià);高速情況下,動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致接觸網(wǎng)疲勞破壞的問題,缺乏有效的測(cè)量和評(píng)價(jià)依據(jù);高速列車自動(dòng)過分相時(shí)引起的過電壓、過電流問題,也缺乏相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。3弓箭網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)3.1弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)自1964年世界上第一條高速鐵路開通至今,日本、德國、法國接觸網(wǎng)分別選用復(fù)鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛、簡(jiǎn)單鏈形懸掛方式,實(shí)現(xiàn)了高速弓網(wǎng)良好受流。在這個(gè)過程中,各國采用不同方法對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行研究,在弓網(wǎng)相互作用評(píng)價(jià)上,形成了不同的認(rèn)識(shí)。日本進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)時(shí),主要采用日本鐵路標(biāo)準(zhǔn)(JRS)。高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)依據(jù)有:(1)波動(dòng)傳播速度;(2)離線率;(3)弓網(wǎng)接觸壓力;(4)接觸線的抬升量;(5)接觸線的應(yīng)力。要求最高運(yùn)營(yíng)速度控制在接觸線波動(dòng)傳播速度的70%以下;最大的一次離線時(shí)間不應(yīng)該大于200ms,離線率最好不超過5%,最差情況下不應(yīng)超過20%;接觸線最大允許抬升量為100mm;受電弓靜態(tài)抬升力在54~64N范圍內(nèi)取值,弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力大于20N;在增大接觸線張力的同時(shí),保證其應(yīng)力小于疲勞極限,硬銅線和銅合金線的安全系數(shù)大于2.2,其他線材大于2.5。德國進(jìn)行弓網(wǎng)性能評(píng)價(jià)時(shí),使用靜態(tài)彈性、彈性不均勻度、安全系數(shù)等靜態(tài)指標(biāo)和接觸壓力、接觸線動(dòng)態(tài)抬升、動(dòng)態(tài)彈性、波動(dòng)傳播速度、無量綱速度、多普勒系數(shù)、反射因數(shù)、放大系數(shù)等動(dòng)態(tài)指標(biāo),提倡靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)相結(jié)合全面地評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系。德國鐵路公司每半年對(duì)高速鐵路網(wǎng)進(jìn)行一次全面測(cè)量,根據(jù)DIN系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià),主要指標(biāo)有:(1)平均接觸壓力目標(biāo)值為120N,標(biāo)準(zhǔn)偏差為24N,在此范圍內(nèi)測(cè)量值盡可能小(接觸壓力大于40N);(2)受電弓前后滑板所受壓力的比值盡可能接近1;(3)雙弓運(yùn)行時(shí),前后弓接觸點(diǎn)高度差要小于100mm;(4)盡可能消除電弧。法國通過由彈性鏈形懸掛(東南新干線,1981年開通)到簡(jiǎn)單鏈形懸掛(大西洋新干線,1990年開通)的轉(zhuǎn)變,得出以下結(jié)論:(1)高速時(shí),弓網(wǎng)受流質(zhì)量主要取決于接觸線的波動(dòng)傳播速度,與彈性不均勻度關(guān)系不大;(2)運(yùn)行中發(fā)生電弧距離應(yīng)控制在間隔160m/次;(3)Fm-3σ>0,其中Fm為平均接觸壓力,σ為接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差;(4)定位點(diǎn)處的最大抬升量應(yīng)為接觸線允許抬高量的2倍,達(dá)400mm;采用接觸線抬升量、跨中受電弓振幅、離線率和接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差綜合對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià),當(dāng)綜合量化指標(biāo)小于11時(shí),適合高速運(yùn)行,大于16在高速線上是不允許的。由于弓網(wǎng)系統(tǒng)性能的重要性,各國在分別制定自身標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),也相互交流合作達(dá)成一些通行標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)前,國際上常用的弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有:國際電工委員會(huì)制定的電力牽引架空線路IEC60913等系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的材料、機(jī)電特性等做了限定;國際鐵路聯(lián)盟制定的國際通用受電弓UIC608、接觸線技術(shù)規(guī)格UIC870、弓網(wǎng)受流規(guī)范UIC794等系列標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)和受電弓系統(tǒng)做出了規(guī)定,并為弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)提供了規(guī)范;歐洲聯(lián)盟的歐洲電氣化鐵道互通技術(shù)規(guī)范TSIEnergySubsystem,歐洲接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)EN50119,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)EN50317,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)EN50318,歐洲鐵路弓網(wǎng)受流技術(shù)規(guī)范EN50367等,分別從設(shè)計(jì)、施工、仿真、檢測(cè)、驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等方面對(duì)高速鐵路弓網(wǎng)相互作用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做出規(guī)定。3.2接觸壓力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中國的高速鐵路起步較晚,在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用評(píng)價(jià)方面還沒有形成完善的體系。測(cè)量方面,主要參考國際通用標(biāo)準(zhǔn),以接觸壓力、接觸線動(dòng)態(tài)抬升量、沖擊加速度(水平方向)、硬點(diǎn)加速度(垂直方向)、電弧、離線率和滑板振動(dòng)幅度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。但全面、系統(tǒng)的高速試驗(yàn)較少,有效的動(dòng)態(tài)線路測(cè)量數(shù)據(jù)有限,缺乏科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)體系,成為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)弓網(wǎng)性能的障礙。4建立完善的錨點(diǎn)總體規(guī)劃,為網(wǎng)絡(luò)弓網(wǎng)發(fā)展提供指導(dǎo)弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)涉及電氣、機(jī)械、材料、力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。中國在發(fā)展高速鐵路的過程中,要深入研究弓網(wǎng)之間的相互作用,就要把各方面的因素綜合起來,特別要解決好以下幾個(gè)問題:(1)加強(qiáng)高速條件下新的供電方式的研究,例如:同相供電技術(shù),即通過在牽引變電所應(yīng)用以負(fù)序、無功補(bǔ)償為核心的對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)全線同一相位的單相供電,能有效避免變電所、分區(qū)所出口處的電分相環(huán)節(jié),解決自動(dòng)過分相時(shí)斷電、拉弧等諸多問題。(2)加大新材料的應(yīng)用力度,解決弓網(wǎng)之間的磨損問題。(3)加大弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)的開發(fā)力度,使仿真最大程度地反映系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài),并在弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)中發(fā)揮作用。(4)加