接触网特性与理论体系

接触网特性及其理论体系主讲人热烈欢迎来自牵引供电运营一线的各位专家!西南交通大学电气工程学院2009.6.30.成都4107,接触网特性及其理论体系,董昭德西南交大电气工程学院移动电话13388185708办公电话：02887600738（市）;06160738（路）;电子邮箱：dongzhaode办公地点：电气馆3428网站：QQ:823135266,接触网是什么？接触网有何特性？接触网的核心是什么？接触网难在何处？如何解决接触网的问题？,接触网特性及其理论体系,接触网特性及其理论体系,1.1接触网的定义与分类1.2接触网的基本特性1.3接触网的研究内容及其理论体系1.4接触网的发展方向1.5高速客专接触网的运营特点与受流特点1.6高速接触网与普速接触网的差异,1.1、接触网的定义与分类,1接触网的定义（功能性定义）电气化轨道交通所特有的、沿路轨架设的、为电力机车或电动车组提供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。,原定义：接触网是电气化铁道的主要供电装置之一，其功用是通过受电弓的直接接触，将电能传送给电力机车。,接触网的定义（结构性定义）接触网是由支柱与基础，支持与定位装置、接触悬挂及其辅助设备组成的为电力机车或电动车组提供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。,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,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：刚性悬挂和柔(弹)性悬挂特殊接触网：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。,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,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;,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,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,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,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；,昆明移动式接触网,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,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。,接触网特性及其理论体系,1.1、接触网的定义与分类,2接触网的分类,目前，中国政府和铁道部还没有进行接触网标准化和规范化的工作，没有严格意义上的接触网等级划分。德国的经验值得中国借鉴，德国接触网划分为Re75、Re100，Re160、Re200，Re250，Re330等标准形式，不同等级的接触网，其参数设计、建设费用、设备配置均不相同。接触网标准化有利于投资管理、简化设计、规范验收、运营维护、设备配置、人员培训和零部件标准化和规格化。建议各位专家应积极推进中国接触网的标准化和系列化建设工作。,问题与建议,接触网特性及其理论体系,新认识,（1）环境特性；（2）备用特性；（3）机电特性；（4）负荷特性；（5）学科特性。,原有认识：露天设备，无备用。,1.2、接触网的独特性,这五大特性是接触网具有而其它机电设备所没有的独特特性！,接触网特性及其理论体系,在接触网设计工作和运营维护工作中，绝大部分内容与气象条件密切相关！,1.2、接触网的特点,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。,大气温度、湿度、冰雪、大风、大雾、污染、雷电等气象条件对接触网的作用十分明显。,接触网特性及其理论体系,1环境特性：（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境,（2）气候环境插播风舞动,（1）空间环境,架空电力线；通讯线；涵隧；桥梁。动物、古迹,1.2、接触网的特点,接触网特性及其理论体系,1环境特性：（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境,（3）电磁环境,复线直供加回流仿真图,AT供电仿真图,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。,接触网特性及其理论体系,1.2、接触网的特点,（3）电磁环境,中国相关标准,与电气化铁道电磁兼容相关的国家标准有：GB157071995，高压交流架空输送电线无线电干扰限制；GB/T1570895，交流电气化铁道电力机车运行产生无线电辐射干扰测量方法；GB/T1570995，交流电气化铁道接触网无线电辐射干扰测量方法。,电气化铁道对人体的影响,德国、俄罗斯、西班牙、日本等国多数文献均认为工频强电场对人体有明显的不利影响，而欧美某些国家则认为工频电站周围电磁污染严重，但线网附近环境污染较轻。俄罗斯卫生部还是规定：在强电场工作下的工作人员所能承受的容许标准为5000V/m。根据德国DINVDE0228标准，50Hz单相交流电气化铁道的影响范围在城市为500m,其他地区为2000m。一般而言，25kV交流电气化铁路的最大电场在2.7kV/m以下，对人体不会有影响；短时间内形成的磁场强度最大在80A/m以下，对人体不会有影响。,接触网特性及其理论体系,1.2、接触网的特点,接触网特性及其理论体系,1环境特性：（1）空间环境（2）气候环境（3）电磁环境,（3）电磁环境（中国）,复线直供加回流，距轨面1.2m时的理论值和实测值,2无备用特性,从技术上讲：很难从经济上讲：没有必要。无备用性决定了它的脆弱性和重要性！解决途径有三：提高从业人员专业素质，实现科学设计、施工与运营。提高接触网设备的可靠性和稳定性，实现免维修；提高现代化检测手段和评估技术，实现状态修；,1.2、接触网的特点,接触网特性及其理论体系,接触网是机电复合型整体构造；本质：电力输电线；过程：弓网匹配（机电两方面）；电气方面：电气强度、牵引功率，电压水平，电气安全，电接触材料；电磁方面：不对称回路；电磁场不平衡，对人员和设备构成潜在威胁。机械方面：机械强度、空间位置、振动特性、动态弹性、空气动力。机电任何一方的偏颇，都会造成受流质量的下降。,3机电特性,1.2、接触网的特点,接触网特性及其理论体系,（1）环境特性；（2）备用特性；（3）机电特性；（4）负荷特性；（5）学科特性。,高速移动、不稳定、随机出现；对某一供电臂而言，负荷电流时有时无；接触网时常处于电气过渡状态，时常承受较大的电气冲击；过渡状态对接触网电气设备的寿命和绝缘安全极为不利。,4负荷特性,1.2、接触网的特点,接触网特性及其理论体系,（1）环境特性；（2）备用特性；（3）机电特性；（4）负荷特性；（5）学科特性。,接触网涉及：电气工程：牵引供电、高电压工程、电磁兼容；机械工程：机械振动、机械磨耗、机械制造；力学工程：材料力学、弹性力学、空气动力学、结构力学、固体接触力学；计算机工程学：弓网受流理论、弓网故障分析、弓网检测；地质基础学：接触网下部工程；防震技术。材料工程学：新材料研究、金属工艺学、金属磨擦学、电接触材料。环境工程学：环境协调，噪音防护、动植物保护等,1.2、接触网的特点,5学科特性,多学科交叉与综合应用,接触网特性及其理论体系,（1）环境特性；（2）备用特性；（3）机电特性；（4）负荷特性；（5）学科特性。,从宏观上综合考虑和解决问题，对接触网进行综合性研发！增加对接触网的重视和投入！从三个层次上看待和分析问题：（1）基本层次：几何安全；（2）中间层次：受流质量；（3）高端层次：核心技术；,认识接触网特点的重要意义,1.2、接触网的特点,问题与建议,重视接触网综合性人才的培养；重视接触网工程一次性质量；重视弓网系统一体化研究；,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,1接触网理论及其体系结构,接触网理论是指建立在多学科（数学、力学、机械工程学、电气工程学、材料工程学、环境工程学、地质基础学等）理论基础之上的关于弓网结构优化、设计施工、运营检测、质量评价的理论和技术。接触网理论体系包括基础知识、弓网关系、设计施工技术、运营维护技术、检测及评判技术、新材料及其应用技术、结构优化技术、环境关系等8个理论子系统。,接触网特性及其理论体系,意义：系统化，理论化，找出问题，提高认识。核心：理论、材料、工艺,1.3.接触网的研究内容和理论体系,2接触网的研究内容,（1）新材料、新技术的应用；（2）结构和零部件的优化；（3）接触网设计标准及设计技术；（4）接触网施工标准及施工工法和工艺；（5）高速弓网受流理论；（6）接触网运营管理标准与维护技术；（7）接触网检测及评价技术；（8）接触网与环境关系研究。,接触网特性及其理论体系,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,接触网线索的材料研究受电弓滑板材料的研究防腐技术的研究支持和定位设备的新材料应用研究支持和定位装配结构的优化研究；零部件无螺栓化研究；零部件的结构优化研究；,接触网的研究内容,新材料、新技术的应用；结构和零部件的优化；,1.3.接触网的研究内容和理论体系,接触网设计技术,标准接触网体系的建立；设计标准研究；设计技术(OCSCAD)研究。,接触网施工技术,施工管理施工计算施工工法施工工艺施工机具施工标准施工监理施工交接,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,接触网特性研究接触网结构优化研究受电弓结构优化研究弓网匹配研究（机械匹配和电气匹配）弓网受流影响因素研究受流质量评价指标和标准研究弓网关系研究方法和试验方法研究,弓网受流理论,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,运营管理体制研究运营维护技术研究运营维护规范研究运营维护信息化实现核心：如何实现及时、准确地维护和检调？,接触网运营管理,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,检测技术研究检测标准研究检测方式和手段研究检测结果的评判与应用研究检测设备研究,接触网检测技术,接触网特性及其理论体系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,大气气候对接触网及接触网适应性研究地震对接触网基础和支柱的破坏性研究接触网电磁兼容的理论和标准研究接触网对动植物的干扰和影响弓网噪音对接触网四周环境的影响接触网对环境美观的影响,接触网特性及其理论体系,接触网与环境关系,1.3.接触网的研究内容和理论体系,接触网的结构与设备接触网机械计算接触网电气计算弓网受流理论设计技术施工工艺运营检修,接触网特性及其理论体系,基础知识,1.4.接触网的发展方向,总结德、法、日等国在高速弓网受流方面的理论和经验，可得以下结论：（1）为获得良好的高速受流质量，必须提高接触网（线）的波动速度；（2）出于安全考虑，应妥善处理导线的疲劳应力与疲劳振动的关系；（3）简化设计方案，增加接触网的可靠性和可维护性；（4）控制弓网接触压力偏差（？）；（5）提高设计和施工精度，严控导高误差、导线坡度；合理控制锚段长度和张力差，提高补偿装置效率，严控坠砣重量；提高支撑设备和结构的稳定性；提高零部件和结构的预配精度；减轻零部件重量；改善测量手段，提高测量精度。（6）提高导线制造精度，严控导线自重误差；悬挂调整前消除导线蠕变伸长量。,接触网特性及其理论体系,课间休息！,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流环境,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）,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,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。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,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。,接触网特性及其理论体系,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。,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,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！当大于140km/h时，隧道内接触网的支撑结构应重点考虑它的影响！,接触网特性及其理论体系,空气动力对列车的影响,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。,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,接触网特性及其理论体系,空气动力对土木工程和线路的影响,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！,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,接触网特性及其理论体系,当两车相遇时，最初的风压力使列车相互排斥，接近列车尾部时又相互吸引，相互排斥或相互吸引的风压力近似等于双方向列车相对速度的平方成正比。日本最初40平方，中国现在100平方以上,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,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,接触网特性及其理论体系,桥梁及建筑物除了满足静态荷载（强度）的条件外，还必须满足高速列车动力学的特性要求。严控“变形”，以满足高速运行时出现的高频振动要求。根据研究：各种微小的不平顺所引起的列车振动，都将导致乘座不舒适，使司机工作能力明显降低。甚至恶化轨道状态，引发轮轨轴的断裂。因此，保持轨道持续稳定的高平顺性，是高速铁路土木工程最基本的要求。但是，轨道的高平顺性又是路基、桥梁、轨道变形的综合表现，要求轨道高平顺性，必须从控制上述工程变形着手。,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,振动的影响,接触网特性及其理论体系,路基变形会引起列车振动和改变弓网几何关系；线路平面应有较大的曲线半径和适当长度的缓和曲线、夹直线；线路纵断面应有较大的竖曲线半径和适当长度的缓和竖曲线；控制路基工程变形。设计、施工都要将重点放在控制路基变形：工后沉降、不均匀沉降及路基顶面的初始不平顺。京沪高速铁路设计暂规规定，工后沉降10cm，台尾过渡段5cm（地基固结度达到9095%）。这是从路基竣工算起至1520年内的沉降总和，初期沉降值23cm/年。,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,振动的影响,接触网特性及其理论体系,桥梁的挠度，梁端转角，扭转变形，结构自振频率，应力徐变和不均匀温差引起的结构变形等参数所必须与高速列车的动态作用力相耦合。设计暂规虽作了某些规定，但不具可操作性。,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,振动的影响,接触网特性及其理论体系,京沪高速铁路南京大胜关长江大桥,严格控制铺轨的初始不平顺，保证精度达到高平顺性的要求。钢轨的物理化学性能都有新的要求。施工组织及方法：传统的边铺边架方式显然也不适用。(德法有不同观点),1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,振动的影响,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,5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。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,6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。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,7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。世界各国对铁路噪声规定了容许标准值。中国京沪高速铁路暂行规定，70dB；法国TGV：重要地区65分贝以下、非重要地区75分贝以下。为降低噪音，除了在轨道、线路、车辆、电气化接触网等方面采取降噪技术外，在人口稠密区的路基和高架桥上还应采用隔声屏障对噪声进行防范治理。方法：选线、隔音设施；隔音设施：2000mm高的隔音墙；植树。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,8环境保护环境包括：农业环境、森林环境、动植物生存环境、自然风光环境、噪音、水利水系、文物古迹、社区。法国环境保护法（1976年）的两条重要原则：（1）把保护环境宣布为涉及全民利益的问题；（2）论证大型工程必须首先研究对环境可能产生的影响。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,法国修建高速客专时对环境保护的具体做法（1977）（1）记录并分析有关地区的原始状态，搞清受工程影响的有哪些自然资源、农、林、海洋等经济区域以及休闲娱乐区。（2）研究对环境的影响，特别是风景名胜、自然环境、动植物和生态平衡，考虑列车通过时的特别影响，如振动、噪音，气味、公共卫生各方面。（3）从环境保护的观点阐述为什么要采取某种施工方法；（4）得出准备采取哪些补救措施来消除、弥补、减小工程对环境的负面影响，并对这些措施有效性进行评估。1983年法国政府又推广“将群众调查作为必不可少的一部分”。,接触网特性及其理论体系,1.5高速客专接触网的运营特点及受流特点,加强四大问题的研究（1）空气动力对弓网系统和隧道内基础构建的影响；（2）接触网对环境的影响；（3）轨道不平顺度对弓网受流的影响；(4)桥梁振动对接触网和弓网受流的影响。,问题与建议,接触网特性及其理论体系,课间休息！,接触网特性及其理论体系,总体而言,弓网关系的三个方面（1）几何关系；（2）电气关系；（3）机械关系；,1.6高速接触网与普速接触网的差异,主要差异,几何关系是基础；电气关系是核心；机械关系是关键!,接触网特性及其理论体系,2具体表现：（1）设计条件（温度和风速）（2）设备性能（免维修级）（3）结构参数（精确度）（4）状态标准（误差精度）（5）线索性能（机电性能）（6）弓网匹配（动态特性）,悬挂方式（无）；线索材质和截积；线索张力；电流容量；机械强度、结构稳定性、悬挂弹性及均匀性、悬挂抬升量、导线高度及其变化率；弓网振动特性；,1.6高速接触网与普速接触网的差异,主要差异,接触网特性及其理论体系,对线索的要求（1）良好的导电性能，导电率最好保持在90%以上；（2）良好的机械性能，能承受因提高波动速度而施加的张力并满足安全要求；（3）良好的耐磨性能，能满足磨耗率和使用寿命；（4）良好的耐热性能，能防止过负荷电流或短路电流引起的热软化或熔断；（5）良好的疲劳特性，能防止接触线上下扰动所形成的疲劳断裂；（6）良好的抗蠕变特性，在实际工作环境下所产生的导线表面波状变化应在可控范围以内，不因此引起拉弧或离线。,1.6高速接触网与普速接触网的差异,主要差异,载流量抗拉力热软化抗疲劳抗蠕变,接触网特性及其理论体系,1.6高速接触网与普速接触网的差异,1几何空间要求(动态包络线)2安全要求(绝缘、防雷、接地)3机电性能要求(载流量、稳定性)4动态要求(弓网匹配)5环境要求(电磁兼容，噪音，动物)6设计参数要求7施工方面的要求8运营维护要求(维护成本，维护方便),基本要求,接触网特性及其理论体系,1机械方面（空间位置和强度）为什么要加大机械强度？（1）拉出值布置需要；（2）结构稳定性需要；（3）波传播速度的需要。,1.6高速接触网与普速接触网的差异,接触网特性及其理论体系,2电气方面（1）短路载流量是一个主要决定因素；（2）电压水平及损耗在任何条件下都应保持在额定范围内；（3）能保证供电的灵活性和安全性；（4）电气绝缘间隙；（5）避免人员触电；（6）尽量减小对公共电网和邻近弱电线路的干扰；（7）在正常运行或故障条件下产生的钢轨对地电压不能超标。,1.6高速接触网与普速接触网的差异,接触网特性及其理论体系,3环境要求露天设备（1）极端情况下的风荷载不应造成接触网设备本身的损坏；（2）在确定接触网的电气性能指标和预计使用