高速铁路受流性能测试方法及其关键技术（详细）

1、第三节 高速铁路的 受流技术 接触网一受电弓受流系统的 受流过程是受电弓在接触网下,以机车速度 运动中完成的 ,受流过程是一个动态过程,这一动态过程包括了 多种机械运动形式和电气状态变化：受电弓相对于接触导线的 滑动摩擦;受电弓上下振动;受电弓由于机车横向摆动而形成的 横向振动;接触网上下振动,井形成行波沿导线向前传播;受电弓和接触导线之间发生的 水平和垂直方向撞击;弓网离线发生电弧,受电弓受流中,电流发生剧烈变化等等,所以,弓网受流过程是一个复杂的 机械电气过程.随着列车速度 的 提高,上述各种运动加剧,维持弓网之间的 良好接触性能愈加困难,受流质量也随之下降,当列车速度 超过受流系统的 允

2、许范围外,受流质量将严重恶化,影响列车取流和正常运行.在高速条件下,受流系统的 性能与常规电气化铁路的 受流质量是不同的 ,系统所需解决的 问题也不尽相同,高速受流技术是高速铁路的 关键技术之一. 一、高速铁路中接触网一受电弓受流系统的 新特点 1、弓网受流系统必须符合的 基本条件 电气化铁路发展100多年来,接触网一受电弓系统在外观的 硬件上没有太大 的 变化,但是,随着列车速度 的 提高和新技术的 采用,受流系统的 电流容量、适用速度 、安全性能有了 相当大 的 提高,高速铁路的 受流系统必须符合的 基本条件如下： (1)保证功率传输的 可靠性 在高速列车运行的 全部接触网区段,必须保证电

3、力机车所需要的 最低电压;在高速铁路所有可能的 运营条件下,接触网一受电弓系统的 电流负荷能力必须保证高速列车的 可靠运行.高速列车的 电流负荷特性较之常规电力机车有较大 的 区别,其特征是脉冲负荷占的 比例大 ,电流大 ,持续时间短,由于列车速度 快,起动和加速获得电流很大 ,在弓网高速相对运动中,整个牵引供电系统均要适应高速列车对电压水平和电流负荷的 要求. (2)受流系统的 运行安全性 受流系统的 安全运行是高速铁路正常运营的 保证.高速受流系统的 安全性主要从下面几个方面建立： 接触网的 几何参数(拉出值、导线高度 、定位器坡度 )保证受电弓滑板沿接触网安全地滑动; 接触网的 性能参数

4、(硬点、弹性、分相绝缘器、分段绝缘器和线岔结构的 平滑性)不损坏受电弓的 滑板乃至弓头; 受电弓的 自身性能(受电弓滑板的 抗冲击性、耐磨性、横向刚度 ); 接触网一受电弓的 匹配性能(离线、接触导线抬升量、接触导线的 弯曲应力).受流系统的 安全性能涉及的 方面很多,它是接触网设计、施工、运营维护首先要考虑的 因素. (3)良好的 受流质量 受流系统的 理想运行状态是弓网可靠接触,机车不间断地从接触网上获得电能.运行状态的 性能参数为：无离线、无火花.实际线路中,离线率要尽量小 ,系统具有动态稳定性. (4)保证受流系统的 使用寿命 受流系统中,涉及使用寿命的 两个主要因素是,接触导线的 使

5、用寿命和受电弓滑板的 使用寿命.其寿命取决于它们之间的 磨耗,磨耗量在一定速度 和传递功率条件下,主要取决于弓网接触力的 大 小 ,保持接触力均匀,即控制接触力的 标准偏差以减少接触导线的 局部磨耗.接触导线和受电弓滑板在材质上应具有一定的 耐磨性能,另外,接触导线应具有抗电化学腐蚀性能. 5减少对周围环境的 影响 受流过程中,产生的 电弧会产生电磁干扰和噪音,应采取措施减少对周围环境的 影响. 2、高速接触网的 特点 高速列车是靠受电弓与接触导线的 滑动接触来获取电能的 ,所以,高速铁路的 接触网是与速度 直接相关的 ,关系更为密切,它必须满足高速列车受流的 要求,高速接触网除具有常速下 电

6、气化铁路接触网的 性能和特点外,还具有下列特点： 1由于高速铁路安全性的 要求,高速接触网必须具有很高的 安全性,这主要表现两个方 面： 接触网设备本身应具有很高的 运行安全性和可靠性;主要设备和零部件的 使用材料应 选用强度 高、耐腐蚀、电气性能好的 材料,在制造结构方面应做到设计合理,制造精良,以确保 设备和零件的 使用寿命. 接触网的 设计和安装的 主要几何参数应适应高速铁路的 运营要求,接触网与运营安全 性直接相关的 几何参数有：拉出值、导线高度 、定位器坡度 、线岔位置、锚段关节.下面分别介 绍： (1)拉出值：高速铁路中,由于列车速度 的 提高,机车车体和受电弓的 横向摆动量的 增

7、大 及受电弓滑板宽度 的 缩小 ,接触导线的 拉出值一般都小 于常速电气化铁路接触导线的 拉出值. 如：高速铁路接触导线的 拉出值均为200-300米米,其中,直线区段200米,曲线区段300米米. (2)接触导线高度 ：由于高速电气化线路上不运营超限货物列车,高速接触网的 导线高度 低,在5 3005 500米米之间. (3)定位器坡度 ：高速行驶时,受电弓弓头和上下部框架受空气动态力的 影响,最终结果 是增大 了 受电弓对接触导线的 抬升力,导致接触导线的 动态抬升量增大 ,接触导线上下振动剧 烈,定位器抬升量增大 ,如果定位器坡度 不足,定位器根部或支持器将撞击受电弓滑板,危及行 车安全

8、,因此,高速接触网定位器坡度 较大 或采用新型结构的 定位器. (4)线岔位置：由于导线抬升量的 增大 和提高受流性能的 要求,常速电气化铁路接触网的 直接交叉式线岔已不能适应高速的 要求,高速接触网的 线岔一般采用无交叉线岔. (5)锚段关节：由于高速接触网张力的 增大 ,另外,工作支和非工作支过渡平滑的 要求,高 速铁路的 接触网将采用三跨或五跨锚段关节. 2高速接触网应具有良好的 受流性能.在接触网方面,跨距间各点的 弹性应保持一致.不 同温度 时,跨内各点接触导线离钢轨水平面的 高度 变化应较小 ,接触网与弓网受流性能相关的 参 数有：承力索和接触导线的 张力;吊弦间距;接触导线预留弛

9、度 ;跨距;结构高度 ;锚段长度 . 涉及受流性能的 接触网参数： 接触导线波动传播速度 C;接触网静态弹性和静态弹性差异系数;反射系数;增强因数;多 普勒系数. 3,高速接触网应采用状态修,减少接触网维修给高速铁路带来的 干扰. 4具有较高的 可靠性和较长的 使用寿命 (三)高速受电弓应具有的 特点 受电弓和接触网是一对相互作用的 振动系统和摩擦耦件,要获得良好的 受流性能,除了 接触网具有良好的 性能外,还必须有受流性能好的 受电弓来匹配.受电弓作为一个弹性机构,通过自身结构保持与接触导线一定的 压力,在运行过程中,还受到空气动态力的 作用,使其在运动中的 振动变得非常复杂.综合世界各国的

10、 高速铁路使用的 受电弓,它具有如下特点： 1小 的 静态抬升力; 2较小 的 当量归算质量; 3良好的 跟随特性;4大 的 横向刚度 ;5具有良好的 气动力模型和气流调整装置,以改善受电弓的 气动力稳定性,保证弓头位置稳定; 6与接触导线摩擦性能相匹配的 滑板材料; 7具有紧急降弓控制系统.当接触网损坏受电弓滑板时,受电弓自动快速降弓. 二、接触网一受电弓系统的 受流质量评价 接触网一受电弓系统的 受流质量与接触网和受电弓的 匹配性能有很大 关系,单方面来评价接触网的 受流性能或受电弓的 性能都是不全面的 ,在某种程度 上是没有意义的 .我们说一种形式的 接触网受流性能好,应当说明与何种受电

11、弓匹配时才有意义.如果用一种性能差的 受电弓来匹配,再好的 接触网,其受流性能也不可能好.在评价弓网受流质量方面,我国至今还没有一个通行评价标准.参考国外的 经验和近几年来我国提速和高速试验的 结果,评价弓网受流质量可以从以下几个方面来考虑： 1弓网间动态接触压力 弓网间的 动态接触压力直接反映了 受电弓弓头与接触导线的 接触状态,弓网间接触力的 大 小 受受电弓的 静态抬升力、空气动力以及垂直方向上的 质量惯性力等因素决定.当接触力过大 时,会使弓网磨耗加剧,引起弓网位移增加,另外,在定位器和线岔处可能造成受电弓损坏;接触力过小 ,会造成离线,产生电弧.动态接触力主要从接触力的 最大 值、最

12、小 值及标准偏差这几个方面来评价,在不同速度 下上述几个评价指标是不同的 . 2接触导线最大 垂直振幅 接触导线最大 垂直振幅指受电弓滑板在一个跨距内的 振动幅度 ,即上下振动的 范围,一般用2倍振幅2A来表示.它反映了 受电弓弓头垂直方向的 振动情况,2A受接触网的 安装尺寸影响,2A越小 ,受电弓运动轨迹越平滑,受流质量越好. 3接触导线的 抬升量 接触导线的 抬升量指受电弓经过时,接触导线的 最大 抬升量,用H表示.受流系统中,受电弓和接触导线的 运动振幅越小 ,受流质量越好,一个好的 受流系统,受电弓的 振幅应均匀. 运动振幅过大 ,可能引起下列问题： (1)引起接触网振动加剧,影响弓

13、网的 跟随性,造成离线率增加; (2)定位器处接触导线抬升量过大 ,会使受电弓弓头撞击定位器的 尾部,造成弓网事故; (3)使接触导线所受的 弯曲应力增大 ,对接触导线的 疲劳寿命有影响. 根据我国提速和高速试验的 数据,接触导线的 最大 垂直振幅(一跨内)为150米米;接触导线的 动态抬升量在速度 小 于160千米h时为100米米,大 于160千米h时为150米米. 4离线 高速列车运行时,当受电弓与接触导线失去接触就发生了 离线.由于高速列车运行中,受电弓的 取流很大 ,弓网离线时,必然伴随着电弧,从而加大 滑板和导线的 电磨耗,引起电磁干扰;当发生大 离线时,电弧也不能维持电流通路时,还

14、造成机车失压,需要重新启动,对再生机车还会使再生颠覆. 评价弓网离线参数主要从下列两方面来做： (1)每一次离线的 最大 离线时间：小 于100米s;(2)离线率：式中 S离线率; t运行时间内各次离线时间总和; T运行时间.我国高速线路的 离线率应取5以下. 5硬点 评定高速列车运行时接触导线对受电弓滑板的 冲击主要指标是受电弓滑板受到的 垂直方向和线路方向上加速度 的 最大 值. 受电弓滑板所受到的 纵向和垂直加速度 ,根据高速列车受电弓使用的 滑板类型来确定硬点的 评判标准. 6接触网的 静态弹性差异系数 静态弹性差异系数由下式计算：式中 千米ax-跨距内最大 弹性; 千米in跨距内最小

15、 弹性. 评判标准：简单链形悬挂不大 于30; 弹性链形悬挂不大 于10; 复链链形悬挂不大 于10. 7接触导线弯曲应力 弯曲应力的 允许值为500微应变. 三、研究高速接触网一受电弓受流性能的 方法 (一)弓网受流性能的 计算机动态模拟 根据弓网关系的 受流理论,建立数学模型,使用计算机模拟计算接触网一受电弓系统的 静态性能和动态性能,实现弓网受流的 计算机仿真.这种动态模拟计算可以实现以下几个功能： 1改变系统的 条件和参数,计算不同形式的 接触网和各种受电弓的 相互匹配时的 受流性能. 2在高速接触网设计时,选择和优化弓网受流系统的 参数,给出定量化的 指标,并给予预评价. 3指出弓网

16、关系恶化的 边界条件(如：共振速度 、最大 接触压力、最大 离线率、最大 接触导线抬升量等). 4预报高速试验时弓网受流试验的 试验结果. 5模拟锚段关节、线岔、分相等部位的 动态接触过程. (二)接触网一受电弓系统受流性能的 现场测试 为了 准确研究高速接触网一受电弓系统的 受流性能,必须对实际的 高速接触网受电弓系统进行现场试验,以取得准确可靠的 试验数据,对弓网系统的 受流性能作出评价. 试验方法是高速列车以不同的 速度 运行时,对接触网的 性能、受电弓的 性能和弓网匹配性能进行测试.测试项目如下： 1接触网的 静弹性测试(无机车运行时进行); 2接触网几何参数的 测量(包括：导线高度

17、、拉出值);3接触网性能的 地面测试,测试项目包括：接触导线关键部位的 抬升量、接触导线的 弯曲应力等; 4接触网硬点的 测试; 5接触导线动态振幅; 6受电弓的 空气动态力; 7受电弓离线的 测试. (三)弓网受流性能测试方法及其关键技术 弓网受流性能测试一般应结合高速列车的 高速试验进行,在高速电力机车受电弓上安装相应的 测量装置和传感器,通过必要的 信号高低压隔离及传输系统将测试信号传至试验车的 数据处理系统进行数据采集和分析,获得评价弓网受流性能的 试验数据. 弓网受流性能的 测试,是在接触网带电和电力机车高速运行的 条件下进行的 ,这给测量带来了 不少困难,主要有下列几个方面： 电气

18、干扰.在弓网受流性能检测中,电力机车受电弓在接触网下高速运行,电力机车频繁操作开关引起的 操作过电压及受电弓离线引起的 高频干扰,有可能通过接触网和空气干扰测量设备,这方面的 干扰非常严重. 机械振动.有受电弓的 振动和车体的 振动,这些振动常常造成传感器损坏,仪器插板接触不良,从而造成检测故障.对弓网受流性能的 测试系统必须满足下列要求： (1)很强的 抗干扰能力; , (2)较高的 可靠性; (3)较高的 测量精度 ; (4)能实时处理各种测量参数; (5)对测量受电弓有监控装置; (6)有抗震措施. 弓网受流性能测试中,要做到测量系统可靠地运行,测量数据准确,必须解决下列几个方面的 关键

19、技术： 1测量装置及数据处理的 抗干扰问题.所有测量传感器及测量装置都是在强磁场和强电场下工作的 ,所以,所选测量传感器必须具有很强的 抗干扰能力;信号处理电路必须作特殊设计,充分考虑电路的 抗干扰能力;测量装置及信号传输线要有很好的 屏蔽性能;数据处理系统的 硬件和软件设计要作抗干扰处理,防止测量中计算机系统的 死机问题. 2测量信号的 高低压隔离和传输问题.弓网受流测量中,许多传感器是安装在机车受电弓上,属于25 LV的 高压侧,要将测量信号传送至试验车的 低压侧,必须解决测量装置的 高低压隔离问题和信号的 传输问题,解决这一问题有三个途径： (1)测量信号的 光电隔离：如弓网接触压力、冲击加速度 、拉出值、支柱信号等项目的 测量需使用光电隔离装置.装置的 系统表示如下：信号处理及放大单元E/O单元隔离介质O/E单元信号恢复单元 信号处理及放大 单元：将传感器的