浅析接触线拉弧原因及其预防措施.pdf

郑铁科技通讯 1/2007 15 一、问题的提出 在电气化铁路中，接触网是电气化铁 道的主要供电设备，电力机车是通过接触 网获取电能的，弓网关系对整个电气化铁 路的正常运营起着非常重要的作用。前段 时间，阳安线徐家坝车站沙湾里隧道接触 网拉弧比较严重。为保证供电设备安全运 行，特对此处接触线拉弧进行了调研。 二、现场调研 l. 隧道内接触网概况 沙湾里隧道全长 644.17 米，处于小半 径曲线上，曲线半径为 450 米，缓和曲线 长 100 米。接触网有 16 个定位点，跨距在 40-42 米， 1#、 2#、 16#处于缓和曲线， 3-15# 处于曲线上，其中 6#定位为中心锚节，最 短处吊弦 250 毫米。承力索的投影位置偏 于曲线外侧，承力索和接触线的连线不垂 直受电弓。 2. 现场调研 经现场调研发现，当双机牵引 4000 吨 上行货物列车时，有拉弧现象。接触网动 态测试车测试的结果为：隧道内上行接触 网导线在定位点间的高差有 3 处在 56-50 毫米，有 6 处在 40-50 毫米，有 7 处在 40 毫米以下，导线坡度均在 2以内；下行接 触网导线在定位点间的高差有2 处在60-72 毫米，还有 2 处在 50-60 毫米，有 1 处在 40 -50 毫米。另有 11 处在 40 毫米以下，导 线坡度均在 2以内。 利用接触网激光测距仪逐吊弦对导 线高度进行测量后发现，沙湾里隧道 3-12#定位点与第一吊弦之间的高差有 6 处为 31-34 毫米，换算为导线坡度达 8.5 ，3#-12#导线最大坡度达 9.5，导线 坡度严重超标。 随后利用综合“天窗”点在作业车上 检查，发现 3-12#定位点靠阳平关侧第一、 第二吊弦导线上有麻点，3-07#、11#比较严 重。该段处于曲线半径为 450 米的曲线区 段，承力索位置偏向曲线外侧，路基状态 良好。经观察，导线线面没有偏磨现象， 导线也没有硬弯，但隧道内普遍存在悬挂 点和定位点埋入杆件距离近，个别的只有 300 毫米。按照设计，其应为 555 毫米，最 短吊弦 320 毫米。 三、拉弧的危害 受电弓与接触线脱离(离线)时会形成 电弧。拉弧是电气化铁道电力机车正常牵 引供电中一种十分有害的现象，它可造成 以下多方面的危害： 1.造成电力机车的不稳定运行 弓线间的脱离，使电力机车供电时 郑铁科技通讯 1/2007 16 断时续，造成列车运行过程中不正常的 减速和加速，增加了旅途中的不舒适感。 2.引起接触线和受电弓滑板异常磨损 特别是在离线瞬间，由于电弧的高温 熔蚀作用，使接触线和滑板的接触面粗糙 不平，造成两者的磨耗速度大大加快，工 作寿命缩短。由于滑板磨耗量和离线电弧 能量(电流平方离线率走行时间)成正 比，当离线过大或电流太小，使弓网间的 电弧不能维持时，还会造成供电中断，使 机车丧失牵引力或制动力。接触线振动变 形增大后，接触线的机械疲劳加剧，严重 时会造成断线。 3.产生无线电杂音干扰 在拉弧瞬间，牵引电流的波形急剧变 化，其中含有许多高次谐波，对邻近无线 电通讯线路造成有害的干扰。 4.使牵引电动机整流条件恶化 当滑板与接触线脱开，然后再接触的 瞬间，有冲击电流流入牵引电动机，增大 整流子片间电位差，造成整流条件恶化， 引起火花，甚至还会引起环火。 5.由于接触导线的波状磨耗， 加剧了离 线拉弧的产生。 四、拉弧原因分析 1.弓网间的接触压力较小 弓网间的接触压力与接触线的高度 变化、悬挂特性、线路状态、运行速度 等多种因素有关。由于每个跨距内各点 的接触压力不同，常常以接触压力的平 均值来评定。该值以接近静态力为最好， 太大会使弓网间磨耗加剧；太小会发生 离线，灼热的电弧将烧伤接触导线和受 电弓滑板。受电弓的接触力变化与入射 于受电弓的接触线波动速度和振幅成正 比。 2.接触线的抬高值相差较大 既有电气化铁路接触网多为无预 留弛度的悬挂方式。在正常情况下，接 触线应为水平状态。但实际运行过程 中， 接触线在受电弓接触压力 P 作用下， 受电弓在跨距中间和定位点处的导线 抬高量相差较大，在悬挂点处因定位器 的重量及其弹性的关系，升高值h 偏 小。整个跨距内的接触网弹性不均匀， 高速行车时受电弓离线、拉弧现象比较 明显。在这种情况下，虽然接触线是无 弛度的，但因弹性不均匀，受电弓滑板 的运行轨迹是一个波浪式的曲线。实践 表明，在大跨距时，跨中摩擦阻力大， 接触线磨耗也加大。在小跨距时，因悬 挂点增多，使全线摩擦阻力加大，磨耗 也会增加。当运行速度提高时，这种磨 耗更为明显。 通过接触网检测车进行现场实测得 知，静态情况下，受电弓对导线的抬高在 跨中为 50mm，定位点为 30mm。当检测车 行进速度为 80km/h 时，跨中抬高量为 90mm，定位点处为 50mm。 将以上数据代入弹性计算公式e=h/p 中，在静态情况下，定位点的弹性与跨中 的弹性之比为： e2/el(30/p)/(50/p)30/500.6 式中: h 为导线抬升量； p 为受电弓对导线的抬升力。 同理可得，在动态情况下，定位点与 跨中的弹性之比为： e2/el50/900.56 将以上结果带入计算弹性非均匀度的 公式中： U(el-e2)/(el+e2)*100% 得在静态情况下： U(1-0.6)/(1+0.6)*100%25% 在速度为 80km/h 时： U(1-0.560)/(1+0.56)*100%28% 郑铁科技通讯 1/2007 17 由以上数据可以看出，在静态情况下， 简单链形悬挂弹性的非均匀度为 25%，动 态情况下为 28%。这些数值远大于 10%的 非均匀度，不适合高速行车要求。 3.受电弓滑板的振动幅度大 受电弓滑板的振动幅度是指受电弓滑 板在一个跨距内振动的幅度，即上下振动 的范围。一般用振幅的 2 倍来表示： 2eHmax-Hmin 式中： Hmax：一个跨距内受电弓滑板的最大 高度； Hmin：一个跨距内受电弓滑板的最小 高度。 由上式可知，2e 越小，受电弓运动 轨迹越平滑，受流质量越好。这个振动 幅度不但与受电弓本身设计有关外，而 且还与接触网有关。接触网定位点与跨 中的弹性差异对它有直接影响。在电力 机车运行时，接触网实际的接触线抬高 值与静态值不一样。动态时，由于作用 在受电弓上的空气动力的影响，使接触 压力增加，随之动态抬高值也要增加。 该值越大，受电弓滑板的振动幅度也就 越大。 4.列车速度的提高 当列车运行速度达到 100km/h 以上 时，受电弓自身就要产生垂直方向的加 速度，从而引起接触悬挂的振动，使受 电弓与接触导线的良好接触遭到破坏， 以致滑板不能很好地追随接触线的振动 轨迹。从试验和运行中，可以观察出周 期性的离线次数大大增加，离线时间也 较长(达 0.1s 左右)，一般称之为大离线 现象。 5.接触导线不平顺 在导线不平顺(有小弯)和导线高度变 化较大处，受电弓受到导线不平顺缺陷扰 动后，弓网产生剧烈的振动，可能造成离 线拉弧。 造成接触线不平顺的原因有下列几个 方面： 第一，由于接触线施工放线时操作 不当，造成接触线底面不平顺(硬弯)； 第 二，接触线出厂时本身存在不平顺等。 一 般而言，不平顺幅值越大，拉弧越严重。 6.接触导线材质的影响 接触线内部材料金相组织应做到颗 粒细小、分布均匀，使得接触线的刚度均 匀。如果接触线内部存在孔洞，颗粒过大 或分布不均，在有工作张力后，接触线的 刚度会出现不均， 受电弓滑板在沿导线底 面摩擦时，容易受到小的冲击，形成小的 拉弧。 7.吊弦间隔的接触线高低不平 接触网相邻吊弦点的接触线高度应一 致。在接触线有坡度要求时，吊弦点的接 触线高度应均匀变化。如坡度较大，则引 发拉弧。 8.接触线的硬点 接触线的大硬弯、接头线夹、定位线 夹和中心锚接线夹以及分段绝缘器等大质 量零部件处和导线接触表面附着煤烟、冰 雪等都会造成硬点下的拉弧，接触导线波 状磨耗也会引起连续小拉弧。 五、接触线拉弧的预防措施及建议 经过实地勘查和原因分析，确认沙 湾里隧道接触线拉弧原因为：导线高差 超标造成坡度超标，发生离线，导致拉 弧。为何沙湾里隧道拉弧仅发生在上行 机车超吨位运行时？其原因是该区段上 行为上坡区段，导线高差大，坡度大， 牵引电流大，造成拉弧。对此，我们采 取的措施是，对定位齿座采取反装形式， 以降低定位点高度，并经过调整吊弦， 保证导线坡度符合要求。经过调整，以 后没发生拉弧现象。 郑铁科技通讯 1/2007 18 离线拉弧是制约电气化铁路提速的关 键因素。随着铁路运输量的不断增加和列 车运行速度的不断提高，预防拉弧应从以 下几个方面入手： 1.提高接触网波动传播速度 为了尽量提高接触网的波动传播速 度，在接触网的设计中，在线材容许的范 围内，加大接触线的补偿张力。建议：采 用抗高温软化性能好、质量轻、导电率高 和综合拉断力大的合金导线。 2.接触线应预留驰度 在安装接触线时，给以预留弛度 f， 使受电弓的运行轨迹趋于水平状态。 在高 速状态下， 接触线的预留弛度为跨距值的 0.5。 3.采用高性能受电弓 改善受电弓的随动性，使受电弓轻量 化，并采用缓冲阻尼装置，以改善受电弓 的共振特性等。 4.改进接触网结构 采用直斜腕臂并加防风管，腕臂结构 采用较为稳定的三角形结构；站场接触网 应采用硬横跨立柱式结构，尽量减小刮风 产生的横向附加力，以保证结构的稳定性。 为克服绝缘棒式分相运行中出现的拉 弧等问题，建议：电分相采用由两个绝缘 四跨锚段关节和一段中性段组成的七跨式 或九跨式结构。 5.减少接触网弹性的不均匀性 应尽量采用强度高、质量轻的接触网 零部件。建议采用带限位装置的轻型合金 定位器。 6.保证接触线坡度 为了保证接触线的坡度，在运营检修 中，应严格遵照逐吊弦高差不超过 10 毫米 和每跨距导线高差不超过 50 毫米的要求执 行。对超标处所要及时维修处理，保证导 线坡度符合要求。建议：采用具有一定载 流能力、使用寿命长、安装调整能一次到 位的铜合金整体式吊弦。 7.严格生产、施工、检修工艺 在研制和生产接触线时，除注重抗拉 强 度和导电率等参数外，应保证导线摩 擦面的平直度。 在接触网施工过程中，要严格按照施 工工艺和程序操作 ，特别是在接触导线放 线中，应采用恒张力放线车，防止导线扭 曲和折弯。 在接触网调整过程中，精确计算各吊 弦的长度，安装位置要符合设计要求，严 禁施工人员踩踏接触导线。 检修单位应使用接触网巡检车强化动 态检测，尤其是弓网间接触压力和离线状 况的检测，并使用多功能接触网检测仪对 导线进行静态检测，及时掌握设备动态信 息。 8.建立群防机制 充分利用弓网检测仪及时掌握弓网关 系。一旦发现问题，要及时分析，采取措 施，把