适应高铁接触网的电分相

I=J铁路的接触网电分相一、前言随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相对电力机车受电弓冲击大（俗称硬点）成为困扰我国电气化铁路提速改造的主要问题之一。由于锚段关节式电分相（以下简称关节式电分相）由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大问题，在我国新建电气化铁路及提速改造中被普遍采用。广深、武广、哈大、京秦、宁西线等铁路电气化改造、京广、陇海线铁路第五次大提速改造均采用了关节式电分相。正在建设中的胶济、郑徐、浙赣线以及计划建设中的京沪、武广、郑-西高速客运专线也计划采用关节式电分相。目前，世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用该种型式。本文根据目前关节式电分相存在问题及意大利罗马-那不勒斯（Rome-Naples）高速电气化铁路采用的电分相设计原理，提出一种新型的三个绝缘锚段关节双中性段关节式电分相型式，可较好解决关节式电分相对电力机车受电弓多弓运行条件的限制，建议尽快在我国新建电气化铁路和提速改造中采用，实现接触网电分相改造的跨越式发展。二、目前采用的关节式电分相存在的主要问题1、由于绝缘锚段关节有三跨、四跨和五跨三种型式，锚段关节跨距长度不同，两个关节的衔接布置也有多种方式，关节式电分相存在四跨、五跨、七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等多种型式，中性区距离也长短不一。这些关节式电分相的共同特点是均由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成。由于关节式电分相由两处空气绝缘间隙实现电气绝缘，即使是两个电气隔离的受电弓（如多机牵引、电力机车附挂、牵引机车后挂有接触网检测车、多弓运行的电动车组等情况）在受电弓间距不满足限制条件时都有可能造成相间短路（限制条件如表一所示）。实际运行中，这类故障已经多次发生。表一我国部分电气化铁路关节式电分相限制多弓运行条件线别及区段关节式电分相结构（跨）对多弓运行限制条件（受电弓距离m）京广线北京-信阳7<50,>250京广线武昌-广州9<20,>350哈大线4（9）<35,>340秦沈客运专线11(12)约<100,>400宁西线9<50,>350为此，铁道部《第五次大面积提速调图有关规章制度标准暂行规定》的通知（铁运[2004]26号）中规定重联机车运行至锚段关节式电分相时必须单弓运行通过，这样就对重联机车或电动车组的机车乘务员提出了更高要求。在运行至关节式电分相时，乘务员不但要进行机车主断路器断、合电操作，还要降下其它受电弓。这样，在高速运行时机车乘务员就需频繁进行上述操作（如运行速度为160km/h时，8-10分钟需进行一次上述操作），无疑会增加乘务员的劳动强度。一旦遗忘或操作不及时就会造成接触网相间短路，烧断接触线或承力索，造成较大的供电事故，中断运输。2、理论和运行经验都表明，受空气动力的影响，机车在高速运动过程中降、升受电弓对接触网的安全运行非常不利，运行中应尽量避免。对于高速运行的电动车组，这个问题尤为突出。发达国家的高速电气化铁路以增加中性区长度（实质是增加允许多弓运行的最小距离）来解决这个问题，如西班牙马德里-塞维利亚允许多弓运行的距离达225m（中性区长度400m）,而日本新干线则在1000米左右。这样，允许多弓运行的最小距离大于整列电动车组两受电弓的距离（一般在200m左右），才可以满足电动车组多弓不降弓通过电分相的运行要求。我国是发展中国家，路网不发达，客货混运及高、低速列车混跑的情况在所难免，较长的电分相中性区长度不但影响高速列车运行速度也将对低速列车的正常运行产生非常不利的影响，不利于重载列车的开行。实践表明，即使是我国目前电气化铁路关节式电分相普遍采用的120-150m左右的中性区长度，电力机车运行中停在分相无电区的现象也时有发生。增大电分相中性区长度，不适合目前我国的国情。3、我国目前尚未引进200km/h以上运行速度的电动车组，而国外高速铁路电动车组较多采用了多弓运行（国外电动车组运行概况见表二），按照我国目前普遍采用关节式电分相结构对多弓运行的限制距离，若引进或研制长度为100-300m左右的电动车组，必须采用单弓运行方式。表二 国外电动车组运行概况铁路名称每列车受电弓数最高速度（km/h）编组长度（m）日本新干线3、6或8275148.65-404法国TGV1或2270200—393西班牙（AVE）1或2250-270200.144意大利国铁（ETR500）2或4300329-404综上所述，双绝缘锚段关节式电分相对电力机车或电动车组多弓运行方式有严格的限制，不利于我国铁路目前客货混运、高、低速列车混跑及积极开行重载列车的状况，它也对我国引进和研制高速电动车组的技术条件提出了苛刻的要求。三、意大利罗马—那不勒斯三绝缘锚段关节双中性段关节式电分相意大利在修建罗马—那不勒斯高速铁路时采用了双中性段关节式电分相（如图1所示）。图1、双中性段关节式电分相示意图:绝缘锚段关节，受电弓同时接触两支接触线区域D:必须少于142米该电分相有两个中性段三处空气间隙，有如下运行特点：1、两台机车重联运行，不论其受电弓间距多少，不会造成两相短路；接触网检测车附挂在电力机车后或附挂在其牵引的列车后，不论其受电弓间距多少，也不会造成两相短路；多台电力机车附挂同时升弓运行只要三台机车受电弓位置不与三个绝缘锚段关节位置对应，也不会造成接触网相间短路。2、对电动车组，在受电弓高压母线不连的条件下，两台受电弓同时升弓运行，不论受电弓间距是多少，不会造成接触网两相短路。三台及以上受电弓同时升弓，只要不相邻受电弓间距大于分相两中性区最外端的距离，也不会造成接触网两相短路。在高压母线相连的情况下，只要两台受电弓间距不大于相邻两个绝缘锚段关节最外端距离也不会造成相间短路。3、该分相无电区长度小于142m,与我国目前采用的关节式电分相无电区长度基本持平，不对机车运行提出更高要求。不难看出,相比双绝缘锚段关节式电分相,双中性段关节式电分相无电区长度未增加,由于又多了一处空气绝缘间隙,对机车多弓运行限制条件大大减少。四、双中性段关节式电分相的设计由于目前尚未见到有关该电分相设计较为详细的设计资料,笔者依据原理尝试提出设计方案,与意大利同种装置具有基本相同的性能。方案如下：（一）四跨绝缘关节式双中性段电分相（方案见图2）1、绝缘锚段关节的选择法、日、德三国高速电气化铁路运行经验表明,四跨、五跨绝缘锚段关节均能满足高速运行的要求。虽然运行性能仍各有优缺点,但要在小于200m范围内布置三个绝缘锚段关节，五跨绝缘关节是不可行的，只能选择四跨绝缘关节。764331313131131无电区长度约行的，只能选择四跨绝缘关节。764331313131131无电区长度约124m注：本图为直线区段布置示意图，图中粗线为受电弓运行过程中能接触到的接触线，细线为接触线下锚抬高受电弓接触不到的部分。图2、双中性段电分相示意图（四跨绝缘锚段关节组成）2、跨距长度的选择要在200m范围内布置三个绝缘锚段关节，就要求每个跨距尽可能小。接触线下锚偏角不超过规定就成为确定最小跨距长度的决定因素。根据接触线偏角一般情况下不大于6°的要求，若侧面限界为3.1m,则最小跨距为3.1/tg6°=29.5（m），考虑到施工裕量等因素，跨距长度取31m。3、该方案的几个细节（1） 由于4#、6#支柱要承担三支接触悬挂，对支柱容量和腕臂底座有特殊要求。考虑零部件的简统化，可以将每处一根支柱改为两根支柱处理。（2） 由于4#、6#支柱处并行有3支悬挂，锚段关节隔断绝缘子不能按一般位置设置，可移至跨中距定位点约10m处设置。该绝缘子可以采用直径小的有机绝缘子。（3） 5#支柱要承担两个锚段下锚，也需要特殊处理。可以将两个锚段设计成小锚段，在电分相区域以外的锚段另一端安装补偿装置，这样，5#支柱要承担的两个锚段下锚就都可做成硬锚。增大5#支柱容量以满足要求。（二）三跨绝缘锚段关节式双中性段电分相（方案见图3）采用三跨绝缘锚段关节方式布置。为控制转换跨距内接触线坡度，保证受电弓高速取流稳定性，转换跨距长度不宜小于45m。而为了减少分相无电区长度及控制最大风偏条件下转换跨中接触线拉出值不超标，转换跨距长度也不宜太大。为满足高速取流需要，转换跨中部一段范围的两支接触线，可采用等高度布置。为减少无电区长度，两交叉下锚处的跨距可缩短为31m。三）采用辅助锚段方式双中性段电分相（方案见图4）图4、双中性段电分相示意图（四跨绝缘锚段关节组成,一个辅助锚段方式布置）显然，该布置方式最大限度减少了接触网下锚数量。然而，由于设置隔断绝缘子的需要，在五个跨距内接触线高度有3次大变化（每次变化量视采用瓷质绝缘子还是有机绝缘子，分别为500mm和350mm）,究竟这样变化对接触网张力影响有多大，还需要经过实践检验和进一步探讨。另外，这种布置方式，若发生断线事故，非常不利于事故抢修。五、结束语三锚段关节双中性段关节式电分相克服了目前双锚段关节单中性段关节式电分相存在的问题，其中性区长度与目前我国关节式电分相中性区长度基本相同，其结构先进，优点明显，适应于高速电气化铁路采用。与西班牙等国增大中性区长度以满足电动车组多弓运行的设计方案相比，该型式尤其适应于我国铁路客、货列车混跑的现状，也有利于我国引进和研制高速电动车组优化技术条件。双中性段关节式电分相方案可行，值得我国电气化铁路借鉴。参考文献1、 京沪高速铁路设计暂行规定，铁建设[2003]23号，2003年2月1日实施。2、 法国25Kv接触网的发展史（上）（下），电气化铁道，1996年第2期、第3期。3、 ItalianHighSpeedLines2x25Kv:powersupply,April,26th，2004.BalfourBeattyRail