高速电气化铁路弓网关系及其评价图文课件

SWJTU OCS 2006.11.20 Page 1 弓网关系及其评价 西南交通大学电气工程学院 接触网研究室 吴积钦 061-60718(路)13708094949 Internet： E-mail: SWJTU OCS 2006.11.20 Page 2 概况 接触网受电弓系统的受流（能量传递）过程是在动态中完成的 。对于同一系统而言，列车速度越高，维持弓网间良好接触越困难， 受流质量随之下降。当速度超过系统正常允许范围以上时，受流性能 会严重恶化，甚至影响列车正常运行 高速电气化铁路不能沿用现有常速下的各种系统，在高速领域内的 不同速度段，要解决的问题也不尽相同 弓网关系强调接触网与受电弓是一个整体，研究弓网关系就是研究 两者间的相互作用 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 3 主要内容 弓网关系的核心问题 接触网的振动特性 受电弓及其与接触网的相互作用 弓网关系评价参数与评价标准 弓网关系评价案例 接触网的动态检测与静态调整 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 4 振动系统的关系 弓网系统的核心问题(1) 滑动接触 电能传输的接触面较小 高速运行下的大电流 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 5 弓网关系的需求 弓网系统的核心问题(2) 几何需求 受电弓轮廓 电气需求 最高速度时的电流 静止状态下的电流 动态需求 接触压力的限制 接触线最大抬升量 保证安全可靠运营 载流量 寿命与安全 三者间是相互联系的 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 6 几何需求 弓网系统的核心问题(3) 车辆限界及性能对接触线高度的限制 受电弓的摆动 受电弓几何尺寸接触线偏离受电弓中心的限制 建筑限界隧道和桥梁 站台面和房屋 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 7 电气需求 弓网系统的核心问题(4) 线索及零部件温度 接触网系统载流量 接触网系统短路载流量 接触网电压 变电所出口电压 供电臂末端电压 供电灵活性 电分相 电分段 绝缘与接地 谐波与杂散电流 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 8 动态需求 弓网系统的核心问题(5) 弓网间的接触力 接触线的抬升 保证功率传输的可靠性 保证系统的使用寿命 减少对周围环境的干扰 避免对系统的损伤 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 9 接触网的振动特性(1) 接触网包括接触线、承力索、吊弦、定位器以及其它 零件，既有均布质量，又有集中质量，是一个非常复杂 的振动系统 当受电弓与接触网接触并高速运行时，受电弓弹簧系 统的振动、列车车体的振动以及风力等因素均参与作用 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 10 接触网的振动特性(2) 任何一个可能用时间的周期函数来描述的物理量,都称之为振动 基本知识 机械振动是最常见的一种振动形式，在这种运动过程中，机械系统 围绕着平衡位置作往复运动 描述振动的量有：位移、速度、加速度、激振力和振动频率等 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 11 接触网的振动特性(3) 由于力、位置、速度或加速度等的突然变化，引起系统的瞬态变化 过程称为冲击。在力学上，冲击是一种过渡现象，属于非周期运动范畴 基本知识 冲击过程可能是单次的、多次的或复合的，但每次持续时间比较短 暂（突变） 表征冲击过程的基本物理量有：速度、加速度、位移（或变形）和 冲击持续时间等 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 12 接触网的振动特性(4) 与接触网振动有关的因素 静态因素 接触网的弹性（弹性单位垂直作用力弓起接触线的抬升，与跨距 成正比，与接触网的张力和成反比） 接触网的弹性不均匀程度（弹性沿跨距的一致性） 弹性及弹性不均匀度与接触线截面、接触线抗拉应力、接触网跨距、 结构高度、预弛度及有无弹性吊索有关，与接触网的施工精度有关 动态因素 受电弓的跟随特性 受电弓的空气动力特性 与受电弓工作高度有关 与受电弓数量及间距有关 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 13 DBSNCF 基础限界4800 动态包络线的车辆限界4700 电气绝缘距离215220 安装误差3030 接触线向下的运动5550 额外负载产生的弛度(冰等 ) 9080 在线路坡度小于12 情况 下的腕臂运动 10 最小高度52005080 轨道高度变化储备100 标准高度53005080 接触线高度 接触网的振动特性(5) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 14 接触网施工精度 接触网的振动特性(6) 单位Re200Re250 接触线高度mm10030 定位点之间mm未定20 吊弦之间mm2010 接触线的拉出值mm3030 接触线坡度11:10001:3000 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 15 接触网的弹性 接触网的振动特性(7) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 16 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 吊弦处 弹性 mm/N Spt1234567Spt emax Re 250 0.54 mm/N Re 330 0.39 mm/N 低的弹性 emax 弹性和不均匀性 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 吊弦处 Spt1234567Spt emax Re 250 10 % Re 330 8 % eminemin 低的不均匀性u 弹性 mm/N u = (emax- emin) / (emax+ emin) * 100 % 接触网的振动特性(8) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 17 接触网的弹性比较 反定位 装置 正定位 装置 跨距中心 接触网的振动特性(9) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 18 接触网的振动传播 波动传播速度Cp在某一点用一个力对接触线加振后将 力消除，该点接触线振动经过S秒后传到L，则Cp=L/S 运行方向 x F l y v 恒力F作用在接触线上并以 速度v移动，接触线抬升y 接触网的振动特性(10) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 19 Tj 接触线的水平张力 N gj 接触线的质量常数 kg/m Re 200 Cu 100 10 kN Cp = 376 km/h vmax= 263 km/h Re 250 CuAg 12015 kN Cp = 427 km/h vmax= 299 km/h Re 330 CuMg 12027 kN Cp= 572 km/h vmax= 400 km/h EAC-350 CuMg 15031.5 kN Cp = 553 km/h vmax= 387 km/h 运行速度无论如何不应超过波传播速度的70% ，因此最大运行速度还是与波的传播速度 有关 波动传播速度 接触网的振动特性(11) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 20 DSA250型受电弓 1底架组装 2阻尼器 3升弓装置 4下臂 5托架 6下导杆 7上臂 8上导杆 9弓头 10碳滑板 11绝缘子 受电弓及其与接触网的相互作用(1) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 21 1绝缘子纵向安装尺寸8001mm 2绝缘子横向安装尺寸11001mm 3最低处折叠长度约1423mm 4绝缘子高度约400mm 5落弓位高度（包括绝缘子）682+5/-10mm 6升弓高度（包括绝缘子）3090+100/-25mm 7最低工作高度约982mm 8最大工作高度约2890mm 9碳滑板约1250mm 10滑板总长约1576mm 11弓头长度约1950mm 12弓头宽广5802mm 13折叠长度约2561mm 14绝缘距离约310mm DSA250型受电弓 受电弓及其与接触网的相互作用(2) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 22 设计设计 速度350km/h 电压电压 /电电流25kV/1000A 静态态抬升 力 50 140N可调调 传动传动气压压升降传动传动 受电电弓滑 板 碳滑板 寿命Re250接触网10万km 总质总质 量109kg 材料主架为为不锈钢锈钢 ，其它 部件为铝为铝 合金 DSA350型受电弓 受电弓及其与接触网的相互作用(3) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 23 对受电弓的基本要求 不可能为了特定接触网单纯设计受电弓 受电弓的基本特性应适合于规定的应用范围 两个运行方向的平均接触压力应 该相等且只随速度变化略有增加，平 均接触压力的目标值为Fm 静态接触压力应该满足静态取流要求 （AC系统：6090N、DC1.5kV系统： 70110N ） 滑板的质量应尽可能低，以便实现最佳的动态特性 设置自动降弓装置，使受电弓在故障时落下 受电弓及其与接触网的相互作用(4) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 24 受电弓滑板特性 l接触电阻要小 l熔点高 l导热性良好 l质量小 l抗压强度高 l弹性好 l与铜接触线之间的摩擦系数小 受电弓及其与接触网的相互作用(5) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 25 弓网接触压力 受电弓及其与接触网的相互作用(6) 弓网接触压力连接两个机械系统（接触网和受电弓），这两部分均 能振荡并且具有各种不同的质量模块、弹性系数、衰减系数和自然频 率。由于接触网具有弹性、在受电弓作用到接触网上时就使接触线有 一定的抬升量。实际上，沿接触线锚段变化的弹性导致受电弓周期性 上下运动，这种运动幅度取决于抬升力本身 随着速度的增加，动态部件对接触压力的影响越来越大，为了保 持受电弓滑板沿着接触线并不间断地与接触线接触，接触压力的值 必须保持在一定范围，即动态范围 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 26 接触压力受电弓滑板与接触网之间的接触力，包括以下分力 静态接触压力因受电弓驱动，受电弓滑板施加在接触线上的力 动态接触压力分力由垂直振动引起的惯性力 空气动力分力气流对受电弓的抬升力 空气动力接触压力 动态接触压力=接触压力 + = + = 受电弓及其与接触网的相互作用(7) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 27 停车时受电弓滑板对接触网施加的力 根据TSI能量，静态接 触压力： AC15kV和AC25kV为60 90N； DC3kV为100120N； DC1.5kV为70110N 受电弓及其与接触网的相互作用(8) 静态接触压力 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 28 空气动力分力 机翼上部气体流速快， 静压力较小，下部气体 流速慢，静压力较大， 机翼会被向上推 受电弓及其与接触网的相互作用(9) 气流作用在受电弓上，产生向上的分力 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 29 由与运行方向相反的风施 加的 1 正在运行的DSA350S型受电弓 的空气动力阻力和功率损耗与速 度的关系 1-空气动力阻力 2-功率损耗 受电弓及其与接触网的相互作用(10) 空气动力阻力 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 30 当受电弓高速运行时，弓头上下振动，根据牛顿第二定律，受 电弓弓头归算质量与弓头上下振动的加速度之积为动态接触压力分 力。它主要取决于速度、架空接触网和受电弓的动态特性及其数量 和间隔，还取决于牵引车辆的运行状态和线路质量 所谓受电弓的归算质量，就是把整个活架式的受电弓归算到接 触线高度的一个质量，它与受电弓弓头具有相等的垂直加速度。归 算质量不是一个常数，与受电弓的升高程度有关 受电弓及其与接触网的相互作用(11) 动态接触压力分力 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 31 弓网接触压力与运行速度的关系曲线 受电弓及其与接触网的相互作用(12) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 32 接触压力的限制 DB测量系统 Fmin40N Fmax250km/h时，Fmax0N Fmax200km/h时，Fmax1500A200 铜合金1500A525 * 单根接触线 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 37 受电弓及其与接触网的相互作用(18) 接触线材料机构强度与温度的关系 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 38 电气磨耗 通过滑动接触实现电能传输 实际的表面接触结构 接触线与受电弓滑板的特点 接触线 受电弓滑板 F 机械磨耗 接触线与滑板的磨耗 受电弓及其与接触网的相互作用(19) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 39 两个受电弓同时运行的列车 受电弓及其与接触网的相互作用(20) 两个受电弓运行期间，在支持点处测得的接触线抬升的研究表明第二 个受电弓总是沿着接触网的振荡部分运行，接触的条件略差一些 前受电弓的接触特性与单个受电弓的列车没有什么不同 关于抑制燃孤和磨损，在多弓条件下，不可能实现单个受电弓正常 运行时所要求的电流传输质量，应该进行各种尝试使能量通过单个受 电弓传输到多个牵引单元 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 40 多弓共振 受电弓及其与接触网的相互作用(21) 当接触网的固有频率和受电弓的入射频率一致时，出现多弓受流共振 现象，后部受电弓的振动位移变大，在接触网的跨距中央产生大的离线 共振速度公式为： Vn多弓时的共振速度；Cp接触网波动传播速度；Lp受电 弓间距；Ls跨距长；n1，2，接触网垂直振动频率，最 严重的共振发生于 n=1时；基于接触网结构特性的常数，一 般简单链型悬挂取0.9 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 41 评价原则 弓网关系评价参数与评价标准(1) 目标定义评价因素 安全 电弧 运营可靠 运营寿命 影响 脱弓保护、受电弓无障碍 运行 传输需用功率 接触线与滑板最低磨耗 降低功能方面的干扰 材料配置、接触面 接触压力、电流、电弧 接触线相对于受电弓中 心线位置 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 42 弓网关系评价参数的确定 关键值的计算（如：弹性、波动传播速度） 可操作性强 仅适用于理想化问题 不依赖于所有参数 测量（如：接触压力、火花、抬升） 需要测量设备 测量费用昂贵 对于多种测量系统的测量结果对比较困难 仿真 数学方程复杂 必要的计算机编程 优化具体参数 弓网关系评价参数与评价标准(2) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 43 弓网关系评价参数与评价标准(3) SIEMENS评价参数 弓网接触压力、受电弓弓头垂直加速度、离线率、定位 器抬升（车上）等反映弓网关系的参数采用接触式检测，使 用的传感器主要为称重传感器和加速度传感器。传感器均安 装在一架略微改造的受电弓上 接触线拉出值、接触线高度、接触线厚度（磨耗）等参 数采用非接触方式检测 地面测量定位器抬升 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 44 弓网关系评价参数与评价标准(4) SIEMENS弓网关系参数评价标准 根据EN50317规定，受流质量由实测的平均接触压力Fm和接触压力 标准偏差来标定，规则如下： 最大接触压力峰值350 N，最小接触压力0； 最高速度下的标准接触压力偏差0.3Fm； 修正的平均接触压力Fm减去3的差值一定要为正值； 在不利的空气动力条件下，定位器最大抬升量必须的空间不小 于实际抬升量的两倍 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 45 弓网关系评价参数与评价标准(5) SIEMENS接触线空间位置参数评价标准 接触线拉出值测量范围：550mm（能调整） 接触线高度测量范围：49006500mm（能调整） 接触线拉出值测量准确度：15mm 接触线高度测量准确度：8mm 接触线厚度测量准确度：0.2mm SWJTU OCS 2006.11.20 Page 46 弓网关系评价参数与评价标准(6) ALSTOM测量参数与评价标准 测量弓网接触压力，评价标准同SIEMENS 弓网电弧，评价标准为160m一次 定位器的最大允许抬升为400mm 日本联合测量参数与评价标准 接触线高度：士100mm、拉出值：300mm以内、上抬量：100mm 以下、坡度：1以下 离线率：30以内（电流式）,10%以内（光学式） 接触线变形：50st以下 接触力：FM30 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 47 弓网关系评价案例(1) 案例名称：地铁弓网关系研究 研究原因：弓线磨耗异常 研究内容：确定弓网异常磨耗原因并给出对策 地铁1号线为柔性接触网，正线为链形悬挂、双接 触线；车辆段为简单悬挂、单支接触线 地铁2号线洞内为刚性接触网、单接触线，车辆段 为简单悬挂、单支接触线 每辆动车为两架受电弓，每架受电弓4个滑条，两 弓间无高压母线 接触网电压为DC1.5kV SWJTU OCS 2006.11.20 Page 48 弓网关系评价案例(2) 受电弓滑板异常磨损 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 49 弓网关系评价案例(3) 研究方法 电气需求评价弓网接触力应满足静态取流要求 动态需求评价调整受电弓静态抬升力，对动态 接触压力进行测量评价 几何需求评价测量接触线拉出值并给予评价 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 50 弓网关系评价案例(4) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 51 弓网关系评价案例(5) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 52 弓网关系评价案例(6) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 53 电流为150A、接触力为60N 弓网关系评价案例(7) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 54 电流为180A、接触力为60N 弓网关系评价案例(8) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 55 电流为240A、接触力为60N 弓网关系评价案例(9) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 56 电流为220A、接触力为60N 弓网关系评价案例(10) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 57 7#测点不同电流时的曲线（接触力为60N） 弓网关系评价案例(11) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 58 局部电流密度过大的后果 弓网关系评价案例(12) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 59 动态试验 弓网关系评价案例(13) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 60 弓网关系参 数测量结果 曲线 弓网关系评价案例(14) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 61 动态试验录像 弓网关系评价案例(15) SWJTU OCS 2006.11.20 Page 62 1号线试验结论 弓网关系评价案例(16) （1） 在弓网静态接触力为70N时，在双接触线区段（正线、试车线等）弓网关系良好， 受电弓受流性能稳定，无拉弧现象（绝缘关节除外）；在接触网简单悬挂区段（车辆段内） ，无论弓网静态接触力是120N还是70N，弓网间均存在明显的拉弧现象。此时的拉弧是由于弓 线间接触面积小，单位面积电流大引起的。拉弧会引起弓线间的异常磨损，但不会引起地铁 列车失压。 （2） 受电弓滑板异常磨损与接触线的布置有关。由于地铁线路曲线多、曲线半径小， 接触线的拉出值普遍较小，或者沿受电弓中心没有形成“之”字形，造成接触线在较长的区 段内只与受电弓滑板在局部接触滑动，后果是受电弓滑板局部机械磨耗严重、局部取流引起 的高温导致滑板龟裂、易碎。 （3） 车辆段接触网的布置应引起接触网设计、施工及运营维护部门的重视，车辆段接 触曲线多、曲线半径更小，接触网难以调整。在车库内，接触线基本沿受电弓中心线布置， 机械磨耗及取流引起的高温、高热加剧了受电弓局部的磨耗。 （4）受电弓通过线岔处时会遇到从诱导角处进入的接触线磨擦，地铁列车的受电弓与接 触线接触压力为120N时，受电弓对简单悬挂接触线的抬高量较大，在受电弓通过线岔处时， 引起的两支接触线的高差也变大，这就造成受电弓诱导角磨损位置较低，磨损情况也比较严 重。 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 63 2号线试验结论 弓网关系评价案例(17) （1） 在弓网静态接触力为90N时，在双接触线区段（隧道外正线、试车线等）弓网关系良好，受 电弓受流性能稳定，无拉弧现象（绝缘关节除外）；在接触网简单悬挂区段（车辆段内）区段，无论弓 网静态接触力是120N还是90N，弓网间均存在明显的拉弧现象。此时的拉弧是由于弓线间接触面积小， 单位面积电流大引起的。拉弧会引起弓线间的异常磨损，但不会引起地铁列车失压。 （2） 在正线隧道刚性接触悬挂区段，受电弓静态抬升力为90N时，弓网受流状态正常，弓线间无 明显的火花和电弧现象（绝缘关节处除外）。当受电弓静态抬升力为80N时，在列车启动及加速区段， 弓线间火花和电弧现象明显，列车无失压，加速不受影响。 （3） 受电弓滑板异常磨损与接触线的布置有关。由于地铁线路曲线多、曲线半径小，接触线的拉 出值普遍较小，或者沿受电弓中心没有形成“之”字形，造成接触线在较长的区段内只与受电弓滑板在 局部接触滑动，后果是受电弓滑板局部机械磨耗严重、局部取流引起的高温导致滑板龟裂、易碎。 （4） 车辆段接触网的布置应引起接触网设计、施工及运营维护部门的重视，车辆段接触曲线多、 曲线半径更小，接触网难以调整。在车库内，接触线基本沿受电弓中心线布置，机械磨耗及取流引起的 高温、高热加剧了受电弓局部的磨耗。 （5）受电弓通过线岔处时会遇到从诱导角处进入的接触线磨擦，地铁列车的受电弓与接触线接触 压力为120N时，受电弓对简单悬挂接触线的抬高量较大，在受电弓通过线岔处时，引起的两支接触线的 高差也变大，这就造成受电弓诱导角磨损位置较低，磨损情况也比较严重 SWJTU OCS 2006.11.20 Page 64 接触网的动态测量与静态调整(1) 检测设备安装在动态载体上（如检测车、动车组等）， 检测结果反映了弓网相对运动时的弓网关系参数 在静止状态时，由技术人员对接触网状态进行调整，调 整依据为动态检测结果。在调整前需由技术人员使用专用 仪器对动态检测结果进行确认 SWJ