高速铁路接触网的基本特性

高速铁路接触网的基本特性主讲人董昭德西南交通大学电气工程学院2012.11.04成都4318,主研方向：接触网基础理论；接触网信息化与智能化；接触网运营与管理；接触网检测技术。主要成果：铁道部科技进步三等奖。电话1338818570802887600738（市电）;06160738（路电）;邮箱：dongzhaode办公室：电气馆3428；QQ：823135266,主讲老师简介,董昭德西南交通大学电气学院,高速铁路接触网的基本特性,一接触网的基本存在形式二高速铁路接触网的基本特性三高速铁路接触网与普速铁路接触网的主要区别,主要内容,一接触网的定义与分类,1定义电气化轨道交通所特有的、沿路轨架设的、为电气列车提供牵引电能的特殊供电线路，是电气化轨道交通牵引供电系统的重要组成部分。,高速铁路接触网的基本特性,接触网是指通过与安装在无源电动车上的集电器滑动接触，完成电能输送的机电系统。,广义：接触轨和架空接触网接触轨分为：第三轨和第四轨英文：ContactLine狭义：架空接触网英文：OverheadContactSystem架空接触网包括：刚性架空接触网和柔(弹)性架空接触网特殊接触网：可移动，可上下升降，可在特殊情况下斩断普速：160km/h以下；准高速:160km/h200km/h；高速:200km/h以上.,2接触网的分类,1985年联合国欧洲经济委员会在日内瓦签署的国际铁路干线协议规定：新建客运专用型高速铁路时速为300公里；新建客货运混用型高速铁路时速为250公里。欧洲将新建时速250公里到300公里的铁路，旧线改造时速200公里以上的铁路称为高速铁路。,应用：城轨交通接触网，电气化铁路接触网,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,按安装位置分：地面轨；架空轨；按与取流靴的位置分：上磨式；下磨式；侧磨式；按牵引回流路径分：第三轨供电+走行轨回流第三轨供电+第四轨回流。,接触轨主要应用于城市轨道交通,具有:(1)占用净空少;(2)维修工作量少;,接触轨,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,刚性架空接触网具有结构紧凑、占用净空小、维护方便的特点，广泛应用于城市轨道交通的地下线路，它有“T型汇流排+接触线”和“II型汇流排接触线”两种形式。T型汇流排需用汇流排线夹夹持接触线，结构较型汇流排复杂，零件多，单位重量重。,重庆轻轨的“T”型汇流排接触网,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,II型汇流排结构紧奏，它通过自身弹性夹持接触线，零件较少，应用较多；,移动式接触网,刚性架空接触网,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,昆明移动式接触网,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,柔性架空接触网具有较好的弹性，广泛应用于干线电气化铁路和城市轨道交通中，由于电压等级和电流制式不同，电气化铁路接触网和城市轨道交通接触网的结构和要求不完全相同，由于直流接触网电流很大，一般采用双接触线和双承力索。,电气化铁路接触网,高速铁路接触网的基本特性,2接触网的分类,城轨交通中的架空柔性接触网,由于城轨交通采用DC1500V或DC3000V供电，网中流过的牵引电流很大（3000A左右），所以柔性架空接触网一般采用两根接触线、四根硬铜绞线（载流承力索和辅助馈线）、一根架空地线，结构比电气化铁路接触网复杂一些。,高速铁路接触网的基本特性,课间休息！,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,环境复杂性（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,（1）空间环境,内空间环境：与受电弓及列车的几何关系外空间环境：架空电力线；通讯线；桥隧及涵洞；动植物及文化古迹。,（2）气候环境,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等。,线索弛度；线索张力；悬挂弹性；空间位置；绝缘强度；载流能力；磨耗关系；支柱负载。,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,环境复杂性（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,（1）空间环境,内空间环境：与受电弓及列车的几何关系外空间环境：架空电力线；通讯线；桥隧及涵洞；动植物及文化古迹。,（2）气候环境,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等。,线索弛度；线索张力；悬挂弹性；空间位置；绝缘强度；载流能力；磨耗关系；支柱负载。,气候三要素：温度、风、覆冰。,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,（2）气候环境,温度对接触线抗拉强度的影响,接触网在隧道内的计算温度取值曲线,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等。,气候三要素对接触网的不良作用,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,（2）气候环境,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等。,覆冰对架空导线的破坏作用,（a）垂直荷载;（b）水平荷载;（c）纵向荷载;（d）振动荷载;（e）不同期脱冰或不均匀覆冰事故;（f）绝缘子串冰闪事故;（g）导线覆冰舞动事故.,气候三要素对接触网的不良作用,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,（2）气候环境,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等。,风对架空导线的破坏作用,（a）增加接触网的水平附加负载；（b）造成接触网的舞动；（c）严重时会吹断线和支柱，（d）造成高低压线的电气短路。,气候三要素对接触网的不良作用,风无论在垂直方向还是水平方向受到约束，风速都将增大。垂直约束在风超过山岳等时发生，此时风速会增大50%左右。根据日本风洞试验，在路堤处同样存在垂直约束，使风速相对增大，在接触网接触悬挂高度附近，可达到平地处同样高度风速的1.21.5倍,其上吹角也从10度达到15度。水平约束常发生在山峡，垭口地带。,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,环境复杂性（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境,（3）电磁环境,复线直供加回流，距轨面1.2m时的理论值和实测值,接触网属于典型的非对称性高压输电线路，存在不平衡的电磁场，会对处于其影响范围之内的电子设备和人体会产生不良的电磁作用，必须采取合理有效的技术措施，将接触网的电磁影响控制在允许范围之内，确保在设计条件下不会对人员和设备造成伤害。,高速铁路接触网的基本特性,对电子设备的危害强电磁干扰：电子设备PN结快速升温，直接影响设备的正常工作，使信息失误，控制失灵，引发各种事故。军事上：电子战、系统瘫痪、武器自爆；电磁脉冲核爆：(50100kV/m)三无世界对燃油、燃气的危害频率2MHz13MHz，100W1175m，爆炸；24MHz32MHz场强达到37V/m，引起电弧和电火花放电引起燃油爆炸；运输过程中燃油在车罐内晃动摩擦会造成电荷积累，发生静电放电，只要燃油蒸气和空气的混合比例满足一定条件，就会引起爆炸。,（3）电磁环境,二接触网的特性,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,环境复杂性无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,由于弓与网间的特殊配合关系，接触网无备用；无备用特性决定了接触网的唯一性、脆弱性和重要性；唯一性：是牵引供电系统向电气列车提供电能的唯一机电系统；脆弱性：长期处于露天环境中，性能和寿命受到天气因素的严重影响；重要性：一旦出现故障就会影响整个铁路运营，影响电气化铁路运输组织和效率；影响乘客旅途生活和生命安全。方法：应尽可能地提高接触网设备的可靠性，加强现代技术在接触网运营工作中的应用，实现接触网智能化。,无备用性,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,接触网的线索和设备必须具备相当的机械性能，才能满足拉、压、剪、扭等力学性能以及波动、振动、弹性、疲劳等方面的动态性能；必须具备相当的电气性能才能满足牵引供电需求，机电任何一方的缺陷或不足都会降低弓网受流质量，甚至不能完成电能传输，因此，接触网具有典型的机电复合特征。,机电复合性,环境复杂性无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,接触网波动速度、列车运行速度与接触线振动关系示意图,接触网的本质是高压电力输电线，对载流容量、电气强度、电压水平、绝缘安全等有来格要求；为消除温度变化对接触网线索弛度和张力的影响提高接触网动态性能(如波动传播速度等)，对接触线和承力索施加有较大的补偿张力；接触网线索和支撑设备还要承载冰雪和风产生的附加负载，,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,负荷随机性,环境复杂性无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,某馈线电流时间曲线,接触网承担的电力牵引负荷是高速移动的、不稳定的、随机的，从下图可知，对于某一特定区段的接触网而言，负荷是随机的、时有时无，网中电流可在01400A之间变化。,高速铁路接触网的基本特性,二接触网的特性,学科交叉性,环境复杂性无备用性机电复合性负荷随机性学科交叉性,弓网受流是在大耦合条件下完成的；大耦合是指线路(桥、隧)、轨道、车辆、受电弓、接触网、大气环境等众多因素的作用均集中到了弓网受流这一问题上，换句话说，弓、网和弓网系统的工程设计、制造(施工)和运营维护必须综合考虑线路(桥、隧)、轨道、车辆、受电弓、接触网、大气环境等各种因素；弓网受流涉及土木工程（线路、桥、隧、轨道），机车车辆、牵引供电、材料工程等专业，弓网受流涉及土壤力学、材料力学、流体力学、结构力学、波动学、弹性力学、高电压工程、牵引供电分析、检测技术、信息工程、计算技术（参数检测、弓网仿真、状态评估、设计施工、运营管理）等众多专业知识，弓网受流的理论研究和工程实践没有单一性，必然是复合的和交叉的，这就是接触网的学科特性。,高速铁路接触网的基本特性,课间休息！,高速铁路接触网的基本特性,总体而言,弓网四个层次1）几何关系；2）结构匹配；3）动静态品质；4)材料要求。,三高速接触网和普速接触网的基本区别,高速铁路接触网的基本特性,（1）设备方面（2）结构方面（3）状态参数方面（4）线索方面（5）弓网关系方面,设计条件基本结构侧重角度运营环境维护方式,具体体现,基本结构与设备,三高速接触网和普速接触网的基本区别,设计条件,设计条件基本结构侧重角度运营环境维护方式,环境温度不同；基本结构风速和基本运行风速；补偿张力不同；供电方式。,高速铁路接触网的基本特性,三高速接触网和普速接触网的基本区别,基本结构,设计条件基本结构侧重角度运营环境维护方式,支柱；支持与定位；悬挂与线索；接地方式。,高速铁路接触网的基本特性,三高速接触网和普速接触网的基本区别,高速铁路接触网的基本特性,简单悬挂,简单链形悬挂（法国）,复链形悬挂（日本）,弹性链形悬挂（德国）,世界高铁典型接触悬挂,世界高铁典型接触悬挂,日本带弹性阻尼吊弦的复链形悬挂,日本重型复链形接触网示意图,世界高铁典型接触悬挂,Re250接触网结构示意图,Re330弹性链形悬挂接触网,世界高铁典型接触悬挂,法国大西洋线接触网,法国瓦朗斯(VALENCE)马塞(MARSEILLE)高速接触网,世界高铁典型接触悬挂,中国京津城际客运专线简单链形悬挂,中国京沪高铁试验段采用的弹性链形悬挂,三高速接触网和普速接触网的基本区别,侧重角度,设计条件基本结构侧重角度运营环境维护方式,振动与波动；大电流带来的问题；,高速铁路接触网的基本特性,静动,牵引电流大高速列车所需的牵引电流是普速列车牵引电流的两倍，甚至更大，牵引电流的加大造成接触线与滑板之间容易过热，点接触和大电流之间的矛盾是高速弓网关系应注重关心的问题之一，采用单弓受流时离线引起的冲击很大，采用多弓受流又会增加阻力、加大噪声，并引起接触网扰动。这对滑板和接触线的材质提出了新要求。大电流的存在对接触网的回流线路及接地系统也会有更高的要求。,三高速接触网和普速接触网的基本区别,运营环境,设计条件基本结构侧重角度运营环境维护方式,客专；混运。,高速铁路接触网的基本特性,运营特点1白天运营、夜间休息；2行车密度大、速度高、电压和电流波动大；3温差大白天日照长、电流大、发热大；(一热)夜间温度低、无日照和电流焦耳热.（一冷）,受流环境和特点1为提高受流质量，特别强调机电特性；（机械强度大、电气要求高）2为提高弓网几何安全，特别强调动态包络线和无线夹区；（上下左右、稳定性、追随特性）3空气流对接触网的影响不容忽视；（接触压力偏差、隧道内空气动力对设备稳定性影响）4综合考虑列车振动和线路不平顺度对弓网关系的影响；5牵引电流及噪音（牵引电流大、波动大、离线噪音大）；6特别强调环境保护和环境协调性。,高速铁路接触网的基本特性,运营环境,1、波动速度和电气强度（一对矛盾）为什么强调波动速度？为什么是矛盾？,2动态包络线受电弓的上下振动和左右摆动直接影响到弓网安全和受流质量，对受电弓的这种幌动必须加以充分考虑，为此、各国除了研究受电弓的动静态特性外，还在高速接触网的设计与施工中明确提出了“受电弓动态包络线”这一技术概念。受电弓动态包络线是指列车在最高设计速度运行下，受电弓上下左右所允许达到的极限尺寸。由于接触网和受电弓的特性不同，各国对此并无共同的标准,高速铁路接触网的基本特性,3空气动力对接触压力的影响明显在高速运行下，受电弓将受到一个在低速时可以忽略的外加的空气动力，该力会因受电弓的运行方向不同而不同，它的存在造成弓网之间的接触力变化巨大，胶济线的试验测试证实了这种情况的存在；造成：弓网离线、加剧受电弓滑板和接触线的磨耗。空气动力对高速受流的影响处处存在！,高速铁路接触网的基本特性,列车方面,阻力增加、改善头型及外轮廓；噪声增加，要改善头型和车形；受电弓位置和改善空气流向，减振，改善弓网关系；密封性：空调、噪声、舒适度、排污。牵引功率增加、采用交流传动；制动系统乘座舒适度。,高速铁路接触网的基本特性,土木方面,线间距、受列车会车时空气压力波的影响，线间距（包括站台安全距离）要适当加大；列车高速通过隧道时，由于洞口空气阻力、瞬变压力、洞口微气压波等的影响，当加大隧道断面积及改善洞及辅助结构的设置等。特别强调接触网基础工程与桥隧工程的同步完成！,高速铁路接触网的基本特性,4振动对接触压力的影响明显在高速运行下，任何一点外部的不平顺都会造成列车的振动，这种振动的振级与列车速度成正比。振动同样将使弓网动态接触压力与静态接触压力产生较大的偏差，造成动态接触压力上下波动。弓网离线，加剧受电弓滑板和接触线网的磨耗,高速铁路接触网的基本特性,5电磁环境前面讲述过：电气化铁路属于不对称电回路，不平衡电磁场对周围的各类金属管线和电子设备存在电磁干扰，对人员和设备存在潜在威胁。由于牵引功率的加大，流过接触网中的牵引电流加大，电流对周围金属体的阻性耦合和感性耦合影响更强；网中高次谐波电流对通讯环境的影响更强。接触网产生电磁干扰的根源：弓网离线产生的高频电磁辐射；绝缘子放电产生的闪络；静电感应；电磁感应。,高速铁路接触网的基本特性,6噪声干扰噪声干扰是高速铁路必须解决的课题之一，高速铁路的噪声声源主要来源于弓网系统、轮轨系统和空气阻力。世界各国对铁