电气化铁路弓网受流质量评估及改善措施

电气化铁路弓网受流质量评估及改善措施

1弓网受流质量弓网关系是高速能源铁路的一项非常突出的关键技术。世界上电气化铁路比较发达的国家都对此投入了巨大的精力和财力进行大量的试验研究,取得了比较满意的受流质量。我国自60年代第1条电气化铁路开通以来,也设计了接触网半补偿和全补偿链型悬挂、简单链型悬挂、弹性链型悬挂、3t系重链型悬挂、弹性简单悬挂等,研制了TSG1、TSG2、TSG2A、TSG2G、TSG3等5种型式受电弓。但因车速低,对接触网和受电弓的要求仅限于造价低、弓网故障少,而对受流质量未制定任何标准。1988年在环行线对我国自行研制的电动车组进行了140km/h的试验,接触网采用一般链型悬挂,离线率较大,受流质量不尽人意。1991年根据广深线准高速的要求,将环行线接触网由2.5t系的链型悬挂改成了3t系重链型悬挂。1992年7月,对SS5型电力机车进行140km/h受流试验,离线率仍高达29%。1995年新的环行线接触网安装调试后,对国产TSGC型受电弓进行受流试验,最高速度达到了160km/h,为我国高速接触网的设计和施工以及选择受电弓参数取得了宝贵的科学数据和可借鉴的经验。近年来,随着繁忙干线电气化铁路速度的提高和广深线200km/h电气化铁路投入运营,我国铁路战略目标转向了高速。因此,为了保证现有电气化铁路弓网受流质量良好,实现快速、安全、可靠运营,同时提高我国电气化铁道技术水平,有必要对160km/h～250km/h的弓网受流标准进行研究,并制定出合理的受流质量的评价标准使我国在这一领域的技术向世界水平靠近。本文以广深线的运营实践为基础,对高速状态下弓网受流质量评估及改善措施进行探讨。2弓网系统受流质量标准电力机车受电弓通过接触网时,接触网形成复杂的振动。受电弓是振动的激励源,但它的振动幅度和频率又受到接触线高度、弹性等的制约,振动波的传播又多次受到接触网本身结构的反射,加之外界风的影响,使振动更加复杂。在受流过程中,两者由于机械和电气上的密切关系和相互影响构成了一个完整的振动系统,某一方面出现问题都会破坏正常的受流特性,因此有必要规范弓网系统受流质量标准。该标准包括静态标准和动态标准。静态标准包括静态弹性及其不均匀系数、静态抬升量及抬升力、安全系统;动态标准包括波动传播速度、离线率、动态接触压力、动态抬升量、受电弓的追随性能等。以广深线为例,其设计速度为160km/h～250km/h,弓网受流系统应为高速的动态系统。这样的一个受流系统是我们现有的规程和规范中没有明确的,也无定量的指标。根据我国的国情和国外高速铁路的有关标准,我们在确定高速电气化受流标准时,应考虑以下诸因素。2.1弓网受流特性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。资料表明,在高速运行时,动态接触压力与气流影响的附加动力、机车运行速度、线路振动的角频率k存在以下关系:式中:FC1——受电弓上升时的接触压力;FC2——受电弓下降时的接触压力;FS——受电弓静态接触压力;KV2——作用在受电弓的空气动态分力;Mtk2e——接触线弹性不均匀造成的干扰力;Mt——受电弓归算质量;e——接触线的波动幅值。这是弓网接触压力的一般公式,但由于一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:式中:i——采样点;Fi——i处的接触压力。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。为了考虑各点接触压力不同对受流特性的影响常用接触压力的不均匀系数来衡量:式中:i——压力一个变化周期的选择点;Fimax——压力一个变化周期中的上拐点值;Fimin——压力一个变化周期中的下拐点值。显然,对于一个跨距而言,FCP的值越接近于1,表示受流特性越好。从上述公式可知,接触线与受电弓间的动态接触压力及其变化情况是弓网系统受流特性的最终评价标准。实践表明,接触线张力越大,动态接触压力变小,更易接近静态力,弓网受流质量就好。以广深线为例,其设计最小动态接触压力不小于40N,最大值不大于200N,受流质量完全满足运营要求。2.2时间和速度受流检验受电弓与接触线脱离(离线)时会形成电弧。电弧可以维持电流的连续性,使电力机车供电不中断,但电弧也会造成滑板和导线磨耗加大。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,甚至使之颠覆。“离线”用下述两个数值评价受流质量。(1)离线率在一个区段内(以一个锚段计),离线时间与运行时间之比为离线率,即离线时间Kot=运行时间广深线采用的国际上通用的标准,离线率控制在10%以下,受流情况良好。(2)一次离线的持续时间受电弓在受流过程中脱离接触线的时间,0.1s以上称为大离线,0.01s～0.1s间的称为中离线,0.01s以下的称为小离线。小离线是由于滑板的微振动或导线的波状磨耗引起的,中离线和大离线是因受电弓框架跟不上接触线的高度变化或因硬点冲击造成的。在单弓受流时,以离线率不超过5%,一次离线的持续时间小于0.05s作为控制标准为宜。2.3受电弓运行轨迹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;实际运行过程中,接触线在受电弓接触压力P作用下,因弹性的差异,在沿跨距范围内出现不同的升高,如图1所示。在悬挂点处因定位器的重量及其弹性的关系,升高值Δh偏小。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,如图1()所示。运行实践表明,在大跨距时,跨中摩擦阻力大,接触线磨耗加大。在小跨距时,因悬挂点增多使全线摩擦阻力加大,磨耗增加;当运行速度提高到160km/h以上时,这种磨耗显得更为明显,使受流质量更趋恶化。如果抬高量过大,会使振动加剧,导线的应力增加,造成悬挂不稳定,受电弓动态接触压力包络范围扩大,甚至影响受电弓对其他非绝缘物体的绝缘距离。为了改善接触线的受电弓相互作用的条件,提高受流质量,有必要在安装接触线时,给以弛度f,使受电弓的运行轨迹趋于水平状态。广深线按照国内外运行经验,在高速状态下接触线的预留弛度为跨距值的0.5‰。在施工过程中,弛度f一般是通过承力索的附加张力和整体吊弦的长度控制来实现的。通过广深线8个多月的运营观察,我们认为在160km/h～200km/h的情况下,这种预留弛度是比较理想的;而在更高速度的情况下,预留弛度应与该状态下的接触线振动综合考虑来确定合理的数值。2.4受电弓滑动的最大高度受电弓滑板的振动幅度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: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,2越小,受电弓运动轨迹越平滑,受流质量越好。这个振动幅度除与受电弓本身设计有关外,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。弹性差异的减小,直接减小了接触压力的波动,同时又减小了接触线抬高值的波动。2.5动态弹性系数zmin表示接触网弹性有静态弹性系数、动态弹性系数平均值和弹性系数分布不均匀系数。静态弹性系数是在接触网下无受电弓运行(即静止状态)时单位抬举力引起的接触线抬高值,单位是mm/N。在接触网下有受电弓运行(即动态)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,接触压力的增加,动态抬高值也要增加。该值越大,也即受电弓滑板的振动幅度越大,对受流越不利。说明接触网动态抬高值对受流质量的影响,有实际意义的是动态弹性系数;但该系数在跨距内各点是不一样的。因此常用动态弹性系数平均值Z和弹性系数分布不均匀系数KO来表示:式中:i——采样点;hi——在跨距内i点处接触线的动态抬高量;Fi——在跨距内i点处弓网间的接触压力。式中:Zmax——跨中的弹性系数;Zmin——悬挂点的弹性系数。良好的弓网受流要求接触网的弹性均匀且弹性较小,安全系数满足设计施工的规程、规范要求。弹性越均匀,越有利于改善弓网关系。降低弹性有利于提高接触网的稳定性;从减少接触线疲劳损伤,限制接触线抬升量的角度来看,也必须降低弹性;降低弹性也可以降低抬升量,减少刮弓的可能性,保证行车的安全。提高弹性可以降低弹性不均匀系数;预留接触线的弛度也可以降低跨中接触线相对定位点的上升高度,减小接触线抬高值的波动幅值,从而弥补弹性不均匀的不足。目前我国对高速接触网的弹性不均匀系数的经验数据较少,也缺乏标准。广深线50m跨距的接触网在200km/h速度下的弹性不均匀系数规定小于14%。从运营情况来看,这个规定是合理的。2.6受流速度通过速度自动识别,减少了受流质量波动传播速度和无量纲速度是接触网较为重要的动态评价标准,两者是密切相关的量。波动传播速度是由于机车速度的提高在静态抬升量上增加了动态分量,受电弓抬升力引起的接触网振动的传播速度。它是与接触线张力和密度有关的量:式中:T——接触线的张力,kN;mF——接触线单位长度的质量,kg/m。由此可知,提高接触线张力和降低接触线密度可以提高波动传播速度。而提高波动传播速度对改善弓网受流质量有着决定性的作用。如果运营速度接近波动传播速度,接触线的抬升量急剧加大,受流质量变坏,甚至造成离线;弓线之间的电弧使受电弓滑板和导线之间产生电磨耗;同时也会使电力机车主回路产生突变电压,加速电器的绝缘老化和损伤;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。无量纲速度是列车速度与波动传播速度之比值。该值与受电弓参数、个数、间距及接触网悬挂类型、接触线张力有关,表示两种速度之差的程度,衡量弓网关系匹配水平。此值越小,两种速度之差越大,弓网关系越好,适应受电弓的能力越强。目前我国广深正线使用承力索为TJ-127,接触线采用法国的120mm2银铜接触线,中速区段额定张力(17+13)kN,高速区段额定张力(20+15)kN,网的无量纲速度小于0.60,磨耗率0.275mm/10万弓架次,热软化值340℃,最小截面的最小抗拉强度43.8kN。实践证明这种配置提高了接触网的波动传播速度,降低了无量纲速度,改善了弓网受流质量。广深线接触网的波动传播速度设计为423km/h,其试验段行车速度为250km/h。1998年8月开通至今,均速200km/h的运营结果表明,弓网受流质量良好。因此我们认为,当运行速度小于0.6倍的设计波动传播速度时,弓网之间的动态接触良好,受流质量也较好。320广深线的运行维护及其他性能变化受电弓和接触网是一对不可分割的整体系统。在设计、施工和运行中都要求它们随时协调一致,有良好的匹配关系。广深线的设计、施工直到良好运行已达8个月时间,未出现任何弓网故障,这对我国高速电气化的发展和技术的进步有着深远的意义。在此,我们根据广深线的实践数据和高速弓网系统受流质量标准提出200km/h以上速度接触网和受电弓设计参数的建议值供大家参考。3.1连接网络3.1.1全补偿弹性链型悬挂200km/h～250km/h高速应首选3.5t系全补偿简单链型悬挂(带一定预留弛度,建议0.5‰)。250km/h以上速度应根据弓网关系的计算机仿真模拟结果,看能否采用全补偿简单链型悬挂,否则采用全补偿弹性链型悬挂。建议接触悬挂中接触线至轨面高度结构高度3.1.2高强度接触线的选择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,选用高强度轻质量的接触线都可以取得较好的效果。建议采用抗高温软化性能好、质量轻、导电率高、综合拉断力大的合金导线,磨耗率大于0.275mm/10万弓架次,热软化值340℃,最小截面的最小抗拉强度43.8kN,如法国的120(Ris)银铜导线,导线张力一般取13kN～15kN。3.1.3横向附加力的变化为了满足高速状态下的弓网受流,应尽量减小刮风产生的横向附加力。建议采用直斜腕臂加防风管,腕壁结构采用较为稳定的三角形结构,以保证结构的稳定性。3.1.4定位装置为了降低接触网弹性的不均匀性,应尽量采用强度高、质量轻的定位装置。建议200km/h以下速度采用不带限位装置的轻型合金定位器;200km/h以上速度采用带限位装置的轻型合金定位器或允许抬升量大于250mm的大弯刀型合金定位器。3.1.5电不分相非缘锚段关节的跨式结构为了克服绝缘棒式分相运行中拉弧、打弓以及检修复杂等问题,建议电不分相非绝缘锚段关节采用4跨方式;电分相采用由2个绝缘4跨锚段关节和1段中性段组成的7跨式结构。从广深线运行情况来看,效果较好。3.1.6吊弦、铜、铜合金整体式吊弦为了保证接触线的坡度,使受电弓在高速运行时更为平滑,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或铜合金整体式吊弦。3.1.7线岔之间的不平滑问题为了克服交叉线岔在两线过渡时接触网工作支与非工作支之间存在不平滑的缺点,必须采用无交叉线岔,使电力机车通过无交叉线岔时可以实现高速行车,不受站线接触悬挂的影响:正线驶入站线以及站线驶入正线均可以实现平滑过渡。3.1.8过渡相时自动切断机液压通过采用7跨式绝缘锚段关节型电分相装置与车载自动切换的过分相装置相配合,机车过分相时自动切断机车主断路器,可以克服过去绝缘棒式分相在运