高速铁路受流性能测试方法及其关键技术

第三节高速速铁路的受受流技术接触网网网一受电电弓受受流系统统的受受流过程程是受受电弓在在接触触网下，以以机机车速度度运动动中完成成的，受受流过程程是一一个动态态过程程，这一一动态态过程包包括了了多种机机械运运动形式式和电电气状态态变化化：受电电弓相相对于接接触导导线的滑滑动摩摩擦；受受电弓弓上下振振动；；受电弓弓由于于机车横横向摆摆动而形形成的的横向振振动；；接触网网上下下振动，井井形形成行波波沿导导线向前前传播播；受电电弓和和接触导导线之之间发生生的水水平和垂垂直方方向撞击击；弓弓网离线线发生生电弧，受受电电弓受流流中，电电流发生生剧烈烈变化等等等，所所以，弓弓网受受流过程程是一一个复杂杂的机机械电气气过程程。随着着列车车速度的的提高高，上述述各种种运动加加剧，维维持弓网网之间间的良好好接触触性能愈愈加困困难，受受流质质量也随随之下下降，当当列车车速度超超过受受流系统统的允允许范围围外，受受流质量量将严严重恶化化，影影响列车车取流流和正常常运行行。在高高速条条件下，受受流流系统的的性能能与常规规电气气化铁路路的受受流质量量是不不同的，系系统统所需解解决的的问题也也不尽尽相同，高高速速受流技技术是是高速铁铁路的的关键技技术之之一。一、高高高速铁路路中接接触网一一受电电弓受流流系统统的新特特点1、弓网受流系系系统必须符符合合的基本本条件件电气化化化铁路发发展100多年来，接接接触网一一受电电弓系统统在外外观的硬硬件上上没有太太大的的变化，但但是是，随着着列车车速度的的提高高和新技技术的的采用，受受流流系统的的电流流容量、适适用用速度、安安全全性能有有了相相当大的的提高高，高速速铁路路的受流流系统统必须符符合的的基本条条件如如下：（1）．．保证功功率传传输的可可靠性性在高速速速列车运运行的的全部接接触网网区段，必必须须保证电电力机机车所需需要的的最低电电压；；在高速速铁路路所有可可能的的运营条条件下下，接触触网一一受电弓弓系统统的电流流负荷荷能力必必须保保证高速速列车车的可靠靠运行行。高速速列车车的电流流负荷荷特性较较之常常规电力力机车车有较大大的区区别，其其特征征是脉冲冲负荷荷占的比比例大大，电流流大，持持续时间间短，由由于列车车速度度快，起起动和和加速获获得电电流很大大，在在弓网高高速相相对运动动中，整整个牵引引供电电系统均均要适适应高速速列车车对电压压水平平和电流流负荷荷的要求求。（2）．．受流系系统的的运行安安全性性受流系系系统的安安全运运行是高高速铁铁路正常常运营营的保证证。高高速受流流系统统的安全全性主主要从下下面几几个方面面建立立：①接触网的几何何何参数(拉出值、导导导线高度度、定定位器坡坡度)保证受电电弓弓滑板沿沿接触触网安全全地滑滑动；②接触网的性能能能参数(硬点、弹弹性性、分相相绝缘缘器、分分段绝绝缘器和和线岔岔结构的的平滑滑性)不损坏受受电电弓的滑滑板乃乃至弓头头；③受电弓的自身身身性能(受电弓滑滑板板的抗冲冲击性性、耐磨磨性、横横向刚度)；④接触网一受电电电弓的匹配配性性能(离线、接接触触导线抬抬升量量、接触触导线线的弯曲曲应力力)。受流系系统统的安全全性能能涉及的的方面面很多，它它是是接触网网设计计、施工工、运运营维护护首先先要考虑虑的因因素。（3）．．良好的的受流流质量受流系系系统的理理想运运行状态态是弓弓网可靠靠接触触，机车车不间间断地从从接触触网上获获得电电能。运运行状状态的性性能参参数为：：无离离线、无无火花花。实际际线路路中，离离线率率要尽量量小，系系统具有有动态态稳定性性。（4）．．保证受受流系系统的使使用寿寿命受流系系系统中，涉涉及及使用寿寿命的的两个主主要因因素是，接接触触导线的的使用用寿命和和受电电弓滑板板的使使用寿命命。其其寿命取取决于于它们之之间的的磨耗，磨磨耗耗量在一一定速速度和传传递功功率条件件下，主主要取决决于弓弓网接触触力的的大小，保保持持接触力力均匀匀，即控控制接接触力的的标准准偏差以以减少少接触导导线的的局部磨磨耗。接接触导线线和受受电弓滑滑板在在材质上上应具具有一定定的耐耐磨性能能，另另外，接接触导导线应具具有抗抗电化学学腐蚀蚀性能。5．减减减少对周周围环环境的影影响受流过过过程中，产产生生的电弧弧会产产生电磁磁干扰扰和噪音音，应应采取措措施减减少对周周围环环境的影影响。2、高高高速接触触网的的特点高速列列列车是靠靠受电电弓与接接触导导线的滑滑动接接触来获获取电电能的，所所以以，高速速铁路路的接触触网是是与速度度直接接相关的的，关关系更为为密切切，它必必须满满足高速速列车车受流的的要求求，高速速接触触网除具具有常常速下电气化铁路路接接触网的性性性能和特特点外外，还具具有下下列特点点：1．由由由于高速速铁路路安全性性的要要求，高高速接接触网必必须具具有很高高的安安全性，这这主主要表现现两个个方面：①接触网设备本本本身应具有有很很高的运运行安安全性和和可靠靠性；主主要设设备和零零部件件的使用用材料料应选用强度高高、耐耐腐蚀、电电电气性能能好的的材料，在在制制造结构构方面面应做到到设计计合理，制制造造精良，以以确确保设备和零件件的的使用寿命命命。②接触网的设计计计和安装的的主主要几何何参数数应适应应高速速铁路的的运营营要求，接接触触网与运运营安安全性直接相关关的的几何参数数数有：拉拉出值值、导线线高度度、定位位器坡坡度、线线岔位位置、锚锚段关关节。下下面分分别介绍：(1)))拉出值：：高高速铁路路中，由由于列车车速度度的提高高，机机车车体体和受受电弓的的横向向摆动量量的增增大及受电弓滑滑板板宽度的缩缩缩小，接接触导导线的拉拉出值值一般都都小于于常速电电气化化铁路接接触导导线的拉拉出值值。如：高速铁铁路路接触导线线线的拉出出值均均为200--3300mmm，其中，直直直线区段200m，曲线区区段300mmm。(2)))接触导线线高高度：由由于高高速电气气化线线路上不不运营营超限货货物列列车，高高速接接触网的的导线线高度低，在53300—550000mm之间。(3)))定位器坡坡度度：高速速行驶驶时，受受电弓弓弓头和和上下下部框架架受空空气动态态力的的影响，最最终终结果是增大了受受电电弓对接触触触导线的的抬升升力，导导致接接触导线线的动动态抬升升量增增大，接接触导导线上下下振动动剧烈，定位器器抬抬升量增大大大，如果果定位位器坡度度不足足，定位位器根根部或支支持器器将撞击击受电电弓滑板板，危危及行车安全，因因此此，高速接接接触网定定位器器坡度较较大或或采用新新型结结构的定定位器器。(4)))线岔位置置：：由于导导线抬抬升量的的增大大和提高高受流流性能的的要求求，常速速电气气化铁路路接触触网的直接交叉式式线线岔已不能能能适应高高速的的要求，高高速速接触网网的线线岔一般般采用用无交叉叉线岔岔。(5)))锚段关节节：：由于高高速接接触网张张力的的增大，另另外外，工作作支和和非工作作支过过渡平滑滑的要要求，高高速铁路的接接触触网将采用用用三跨或或五跨跨锚段关关节。2．高高高速接触触网应应具有良良好的的受流性性能。在在接触网网方面面，跨距距间各各点的弹弹性应应保持一一致。不不同温度时，跨跨跨内各点接接触触导线离离钢轨轨水平面面的高高度变化化应较较小，接接触网网与弓网网受流流性能相相关的的参数有：承力力索索和接触导导导线的张张力；；吊弦间间距；；接触导导线预预留弛度度；跨跨距；结结构高高度；锚锚段长长度。涉及受受受流性能能的接接触网参参数：：接触导导导线波动动传播播速度C；接触网网静静态弹性性和静静态弹性性差异异系数；；反射射系数；；增强强因数；；多普勒系数。3，高高高速接触触网应应采用状状态修修，减少少接触触网维修修给高高速铁路路带来来的干扰扰。4．具具具有较高高的可可靠性和和较长长的使用用寿命命(三)))高速受电电弓弓应具有有的特特点受电弓弓弓和接触触网是是一对相相互作作用的振振动系系统和摩摩擦耦耦件，要要获得得良好的的受流流性能，除除了了接触网网具有有良好的的性能能外，还还必须须有受流流性能能好的受受电弓弓来匹配配。受受电弓作作为一一个弹性性机构构，通过过自身身结构保保持与与接触导导线一一定的压压力，在在运行过过程中中，还受受到空空气动态态力的的作用，使使其其在运动动中的的振动变变得非非常复杂杂。综综合世界界各国国的高速速铁路路使用的的受电电弓，它它具有有如下特特点：：1．小小小的静态态抬升升力；2．较较较小的当当量归归算质量量；3．良良良好的跟跟随特特性；4．大的横向刚刚刚度；5．具有良好的的的气动力模模型型和气流流调整整装置，以以改改善受电电弓的的气动力力稳定定性，保保证弓弓头位置置稳定定；6．与与与接触导导线摩摩擦性能能相匹匹配的滑滑板材材料；7．具具具有紧急急降弓弓控制系系统。当当接触网网损坏坏受电弓弓滑板板时，受受电弓弓自动快快速降降弓。二、接接接触网一一受电电弓系统统的受受流质量量评价价．接触网网网一受电电弓系系统的受受流质质量与接接触网网和受电电弓的的匹配性性能有有很大关关系，单单方面来来评价价接触网网的受受流性能能或受受电弓的的性能能都是不不全面面的，在在某种种程度上上是没没有意义义的。我我们说一一种形形式的接接触网网受流性性能好好，应当当说明明与何种种受电电弓匹配配时才才有意义义。如如果用一一种性性能差的的受电电弓来匹匹配，再再好的接接触网网，其受受流性性能也不不可能能好。在在评价价弓网受受流质质量方面面，我我国至今今还没没有一个个通行行评价标标准。参参考国外外的经经验和近近几年年来我国国提速速和高速速试验验的结果果，评评价弓网网受流流质量可可以从从以下几几个方方面来考考虑：：1．弓弓弓网间动动态接接触压力力弓网间间间的动态态接触触压力直直接反反映了受受电弓弓弓头与与接触触导线的的接触触状态，弓弓网网间接触触力的的大小受受受电电弓的静静态抬抬升力、空空气气动力以以及垂垂直方向向上的的质量惯惯性力力等因素素决定定。当接接触力力过大时时，会会使弓网网磨耗耗加剧，引引起起弓网位位移增增加，另另外，在在定位器器和线线岔处可可能造造成受电电弓损损坏；接接触力力过小，会会造造成离线线，产产生电弧弧。动动态接触触力主主要从接接触力力的最大大值、最最小值及及标准准偏差这这几个个方面来来评价价，在不不同速速度下上上述几几个评价价指标标是不同同的。2．接接接触导线线最大大垂直振振幅接触导导导线最大大垂直直振幅指指受电电弓滑板板在一一个跨距距内的的振动幅幅度，即即上下振振动的的范围，一一般般用2倍振幅2A来表示。它它它反映了了受电电弓弓头头垂直直方向的的振动动情况，2A受接触网网的的安装尺尺寸影影响，2A越小，受受电电弓运动动轨迹迹越平滑滑，受受流质量量越好好。3．接接接触导线线的抬抬升量接触导导导线的抬抬升量量指受电电弓经经过时，接接触触导线的的最大大抬升量量，用用△H表示。受受流流系统中中，受受电弓和和接触触导线的的运动动振幅越越小，受受流质量量越好好，一个个好的的受流系系统，受受电弓的的振幅幅应均匀匀。运动振幅过大大大，可能引引起起下列问问题：：(1)))引起接触触网网振动加加剧，影影响弓网网的跟跟随性，造造成成离线率率增加加；(2)))定位器处处接接触导线线抬升升量过大大，会会使受电电弓弓弓头撞击击定位位器的尾尾部，造造成弓网网事故故；(3)))使接触导导线线所受的的弯曲曲应力增增大，对对接触导导线的的疲劳寿寿命有有影响。根据我我我国提速速和高高速试验验的数数据，接接触导导线的最最大垂垂直振幅(一跨内)为150mmm；接触导导线线的动态态抬升升量在速速度小小于160kkm／h时为100mmm，大于160kkm／h时为150mmm。4．离离离线高速列列列车运行行时，当当受电弓弓与接接触导线线失去去接触就就发生生了离线线。由由于高速速列车车运行中中，受受电弓的的取流流很大，弓弓网网离线时时，必必然伴随随着电电弧，从从而加加大滑板板和导导线的电电磨耗耗，引起起电磁磁干扰；；当发发生大离离线时时，电弧弧也不不能维持持电流流通路时时，还还造成机机车失失压，需需要重重新启动动，对对再生机机车还还会使再再生颠颠覆。评价弓网离离线线参数主要要要从下列列两方方面来做做：(1)))每一次离离线线的最大大离线线时间：：小于于100mms；(2)离线率：：：式中SS——离线率；；∑t——运行时时间内各各次离离线时间间总和和；T——运行时间间。我国高速线路的的的离线率率应取取5％以下。5．硬硬硬点评定高高高速列车车运行行时接触触导线线对受电电弓滑滑板的冲冲击主主要指标标是受受电弓滑滑板受受到的垂垂直方方向和线路方向上上上加速度度的最最大值。受电弓弓弓滑板所所受到到的纵向向和垂垂直加速速度，根根据高速速列车车受电弓弓使用用的滑板板类型型来确定定硬点的评判标准。6．接接接触网的的静态态弹性差差异系系数静态弹弹弹性差异异系数数由下式式计算算：式中Kmaaxx——-跨距内最最大大弹性；；KKKmin——跨距内最最小小弹性。评判标标标准：简简单链链形悬挂挂不大大于30％；弹性链形形悬悬挂不大大于10％；复链链形形悬悬挂不大大于10％。7．接接接触导线线弯曲曲应力弯曲应应应力的允允许值值为500微应变。三、研研研究高速速接触触网一受受电弓弓受流性性能的的方法(一)))弓网受流流性性能的计计算机机动态模模拟根据弓弓弓网关系系的受受流理论论，建建立数学学模型型，使用用计算算机模拟拟计算算接触网网一受受电弓系系统的的静态性性能和和动态性性能，实实现弓网网受流流的计算算机仿仿真。这这种动动态模拟拟计算算可以实实现以以下几个个功能能：1．改改改变系统统的条条件和参参数，计计算不同同形式式的接触触网和和各种受受电弓弓的相互互匹配配时的受受流性性能。2．在在在高速接接触网网设计时时，选选择和优优化弓弓网受流流系统统的参数数，给给出定量量化的的指标，并并给给予预评评价。3．指指指出弓网网关系系恶化的的边界界条件(如：共振振速速度、最最大接接触压力力、最最大离线线率、最最大接触触导线线抬升量量等)。4．预预预报高速速试验验时弓网网受流流试验的的试验验结果。5．模模模拟锚段段关节节、线岔岔、分分相等部部位的的动态接接触过过程。(二)接触触触网一受受电弓弓系统受受流性性能的现现场测测试为了准准准确研究究高速速接触网网一受受电弓系系统的的受流性性能，必必须对实实际的的高速接接触网网——受电弓系系统统进行现现场试试验，以以取得得准确可可靠的的试验数数据，对对弓网系系统的的受流性性能作作出评价价。试验方方方法是高高速列列车以不不同的的速度运运行时时，对接接触网网的性能能、受受电弓的的性能能和弓网网匹配配性能进进行测测试。测测试项项目如下下：1．接接接触网的的静弹弹性测试(无机车运运行行时进行)；2．接接接触网几几何参参数的测测量(包括：导导线线高度、拉拉出出值)；3．接触网性能能能的地面测测试试，测试试项目目包括：：接触触导线关关键部部位的抬抬升量量、接触触导线线的弯曲曲应力力等；4．接接接触网硬硬点的的测试；；5．接接接触导线线动态态振幅；；6．受受受电弓的的空气气动态力力；7．受受受电弓离离线的的测试。(三)弓网网网受流性性能测测试方法法及其其关键技技术弓网受受受流性能能测试试一般应应结合合高速列列车的的高速试试验进进行，在在高速速电力机机车受受电弓上上安装装相应的的测量量装置和和传感感器，通通过必必要的信信号高高低压隔隔离及及传输系系统将将测试信信号传传至试验验车的的数据处处理系系统进行行数据据采集和和分析析，获得得评价价弓网受受流性性能的试试验数数据。弓网受受受流性能能的测测试，是是在接接触网带带电和和电力机机车高高速运行行的条条件下进进行的的，这给给测量量带来了了不少少困难，主主要要有下列列几个个方面：：①电气干扰。在在在弓网受流流性性能检测测中，电电力机车车受电电弓在接接触网网下高速速运行行，电力力机车车频繁操操作开开关引起起的操操作过电电压及及受电弓弓离线线引起的的高频频干扰，有有可可能通过过接触触网和空空气干干扰测量量设备备，这方方面的的干扰非非常严严重。②机械振动。有有有受电弓的的振振动和车车体的的振动，这这些些振动常常常造造成传感感器损损坏，仪仪器插插板接触触不良良，从而而造成成检测故故障。对对弓网受受流性性能的测测试系系统必须须满足足下列要要求：：(1)))很强的抗抗干干扰能力力；，(2)))较高的可可靠靠性；(3)))较高的测测量量精度；；(4)))能实时处处理理各种测测量参参数；(5)))对测量受受电电弓有监监控装装置；(6)))有抗震措措施施。弓网受受受流性能能测试试中，要要做到到测量系系统可可靠地运运行，测测量数据据准确确，必须须解决决下列几几个方方面的关关键技技术：1．测测测量装置置及数数据处理理的抗抗干扰问问题。所所有测量量传感感器及测测量装装置都是是在强强磁场和和强电电场下工工作的的，所以以，所所选测量量传感感器必须须具有有很强的的抗干干扰能力力；信信号处理理电路路必须作作特殊殊设计，充充分分考虑电电路的的抗干扰扰能力力；测量量装置置及信号号传输输线要有有很好好的屏蔽蔽性能能；数据据处理理系统的的硬件件和软件件设计计要作抗抗干扰扰处理，防防止止测量中中计算算机系统统的死死机问题题。2．测测测量信号号的高高低压隔隔离和和传输问问题。弓弓网受流流测量量中，许许多传传感器是是安装装在机车车受电电弓上，属属于于25LLV的高压侧侧，要要将测量量信号号传送至至试验验车的低低压侧侧，必须须解决决测量装装置的的高低压压隔离离问题和和信号号的传输输问题题，解决决这一一问题有有三个个途径：：(1)))测量信号号的的光电隔隔离：：如弓网网接触触压力、冲冲击击加速度度、拉拉出值、支支柱柱信号等等项目目的测量量需使使用光电电隔离离装置。装装置置的系统统表示示如下：：元介质信号处处处理及放放大单单元：将将传感感器的信信号进进行