鐵路牽引供電弓網(wǎng)的安全運行

鐵路牽引供電弓網(wǎng)的安全運行

現(xiàn)在，中國正處于鐵路快速發(fā)展的時期，所有主要的高速客運線路都受到電力的驅動，這需要一個可持續(xù)、穩(wěn)定和高速的解決方案。高速受流指高速運行中的受電弓通過與接觸線的滑動接觸獲取電能并傳給電力機車的過程,由于接觸網(wǎng)設備單一無備用,以及電氣化鐵道負荷的移動性和時變性,使得高速弓網(wǎng)關系復雜多變,如何有效評價弓網(wǎng)之間的相互作用成為世界各國專家學者的研究熱點。1接觸網(wǎng)供電質量的保障可靠供電是高速鐵路安全、舒適、高效運行的保障,供電質量的好壞取決于接觸網(wǎng)和受電弓的相互作用。為合理、有效地評價弓網(wǎng)關系,需從以下幾個核心問題進行考慮。1.12受電弓振動、波動特性對接觸網(wǎng)性能的影響弓網(wǎng)系統(tǒng)高速運行時,接觸網(wǎng)和受電弓相互作用構成一個復雜的耦合振動系統(tǒng),接觸質量和安全性是弓網(wǎng)系統(tǒng)性能的主要指標。接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括接觸線、承力索、吊弦、線夾、定位器以及其他零部件,既有均布質量,又有集中質量,是一個非常復雜的振動系統(tǒng)。在實際研究中,通常采用多普勒系數(shù)、反射因數(shù)和放大系數(shù)等描述接觸網(wǎng)的振動、波動特性。對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的基本要求:接觸線平直性好;由分段絕緣器、定位器等集中質量引起的硬點少;彈性不均勻度小。受電弓也是一個復雜的機械系統(tǒng),由彈簧、連桿等組成,在弓網(wǎng)運行中要求:弓頭跟隨性好,動態(tài)響應快;阻尼合理,受空氣影響小;噪音小。在受電弓系統(tǒng)中,弓頭參數(shù)、工作高度范圍、升降弓特性等影響著受電弓性能。弓頭質量和剛度決定了受電弓的跟隨性能;弓頭幾何參數(shù)和工作高度范圍與受電弓動態(tài)包絡線密切相關,直接影響著弓網(wǎng)運行的安全性;升降弓時間特性反應了其動態(tài)響應速度,尤其是降弓特性與安全性密切相關。弓網(wǎng)平均接觸壓力目標值(Fm)與運行速度(V)的關系如圖1所示。一方面,隨著速度的提高,為保證弓網(wǎng)接觸質量須增大平均接觸壓力,當接觸網(wǎng)彈性一定時,由式(1)知,抬升量Y隨之增大;另一方面,為保障運行安全性須限制接觸線的抬升量和抬升量差異。因此,在高速情況下,需采取措施減小接觸線的彈性及彈性不均勻度。式中,Y為接觸線垂直抬升量,mm;Fc為弓網(wǎng)接觸壓力,N;e為接觸網(wǎng)彈性,mm/N。1.2弓網(wǎng)機械磨耗增加高速電氣化鐵道通過受電弓與架空接觸網(wǎng)的滑動接觸進行電能傳輸(見圖2),其特點如下:(1)在高速條件下,要保證穩(wěn)定受流,維持弓網(wǎng)之間可靠接觸需要更大的作用力(圖1),導致弓網(wǎng)間機械磨耗增加;(2)高速列車牽引功率劇增,電流隨功率成正比增加,弓網(wǎng)接觸面?zhèn)鲗У碾娏鞲?(3)弓網(wǎng)運行時接觸面積小,因此接觸面上電流密度大,使電氣磨耗劇增。列車高速運行時,焦耳熱和摩擦熱劇增,為防止弓網(wǎng)局部過熱發(fā)生安全事故,對接觸線和受電弓滑板材料提出了更高的要求;機械磨耗和電氣磨耗共同作用,且電氣磨耗占據(jù)主導地位,縮短了弓網(wǎng)系統(tǒng)的壽命;同時,大電流使導線橫截面積增加。這些因素都導致投資的增加。1.3對環(huán)境的干擾受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)在自身相互作用的同時,也與外界環(huán)境發(fā)生著相互作用。一方面,弓網(wǎng)運行過程中受到環(huán)境的影響,使受電弓與接觸網(wǎng)的相互作用復雜多變。這些因素包括:(1)自然條件,風、溫度、覆冰等;(2)線路條件,橋梁、隧道等。例如,風引起接觸線的橫向偏移,覆冰引起接觸線弛度的改變,溫度引起定位器的位置變動,隧道中列車風的影響,橋梁與機車的耦合振動的影響等。另一方面,弓網(wǎng)系統(tǒng)運行中對環(huán)境也產(chǎn)生影響:(1)高速接觸網(wǎng)電流更大,周圍由電流產(chǎn)生的磁場更強,經(jīng)回流(正饋)線抵消后剩余磁場也較強;(2)高速運行時弓網(wǎng)離線加劇,產(chǎn)生的電弧中含有大量高頻成分。這些都對周圍通信系統(tǒng)造成干擾。因此,在弓網(wǎng)關系評價中,弓網(wǎng)系統(tǒng)與環(huán)境的作用是不可忽視的。2弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設計與測量的關系接觸網(wǎng)/受電弓系統(tǒng)是一個整體,評價弓網(wǎng)關系就是評價受電弓和接觸網(wǎng)之間的相互作用。設計、施工、運營、維護等各個環(huán)節(jié)都對弓網(wǎng)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響,仿真和測量是研究弓網(wǎng)關系的常用手段,這些因素之間又相互聯(lián)系(圖3)。設計和施工為仿真系統(tǒng)提供源數(shù)據(jù),也決定了弓網(wǎng)系統(tǒng)性能及測量的結果。仿真和測量的結果為設計和施工提供評價依據(jù),為設計和施工方案提供參考。任一仿真系統(tǒng)結果都須與測量結果進行比較以校驗仿真的有效性,同時,一個高效的仿真系統(tǒng)能夠大大減少測量,降低投資。設計、施工、仿真和測量等過程都是為了實現(xiàn)2個目標:長壽命、免維護、少維修的弓網(wǎng)系統(tǒng)。安全、可靠、對環(huán)境少干擾或無干擾的弓網(wǎng)運行。因此弓網(wǎng)關系的評價是一個系統(tǒng)工程。2.1缺陷檢測及評價弓網(wǎng)相互作用的測量包括動態(tài)測量和缺陷檢測。動態(tài)測量包括接觸壓力、接觸線抬升、受電弓弓頭動態(tài)變化范圍、電弧等,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)相互作用測量系統(tǒng)評價標準EN50317中,對弓網(wǎng)動態(tài)測量的方法、結果、精度以及測量系統(tǒng)的校準均做了詳細的規(guī)定。缺陷檢測包括接觸網(wǎng)系統(tǒng)中接觸線位置、腕臂系統(tǒng)缺陷和受電弓系統(tǒng)中的滑板狀態(tài)等。歐洲接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計安裝標準EN50119對接觸網(wǎng)系統(tǒng)中各部件的位置、允許誤差范圍、接觸線的磨耗限度等做了相應規(guī)定。當前,在高速弓網(wǎng)系統(tǒng)測量方面,日本、德國、法國、意大利、韓國、中國等均自主開發(fā)或引進了裝備有測量系統(tǒng)的檢測車,如日本的“East-i”和“DoctorYellow”、德國的“ICE-S”和“AOI”、意大利的“ROGER1000”和“ROGER2000”等。弓網(wǎng)測量系統(tǒng)主要功能如圖4所示,對測量結果的評價主要根據(jù)國際標準以及本國評價標準進行。線路測量結果能夠最直接反映弓網(wǎng)系統(tǒng)的性能,但現(xiàn)場實驗花費巨大,受環(huán)境影響大,且實驗的可重復性差,不能隨意改變工況,不同測量系統(tǒng)結果的可比性也較差,因此在弓網(wǎng)關系評價中,其應用受到限制。2.2弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)弓網(wǎng)計算機仿真是指對接觸網(wǎng)和受電弓分別建立數(shù)學模型,實現(xiàn)弓網(wǎng)動態(tài)模擬。早期,接觸網(wǎng)建模采用變剛度模型、張力弦模型、集中質量模型等,但這些模型對接觸網(wǎng)簡化太多,與實際情況相差太遠,當前,有限元模型被廣泛采用;受電弓模型有質量-剛度-阻尼模型、非線性模型和三維模型,質量-剛度-阻尼模型在弓網(wǎng)動態(tài)仿真中常常使用,非線性和三維模型用于受電弓的參數(shù)研究和優(yōu)化。弓網(wǎng)仿真能全面研究弓網(wǎng)參數(shù)的影響,方便地進行參數(shù)優(yōu)化,可重復性好,有效降低實驗的成本,得到了廣泛的應用。英國BB公司、德國Siemens公司、德國鐵路(DB)、日本鐵路(JR)、法國國鐵(SNCF)均開發(fā)了自己的仿真軟件。但目前的仿真系統(tǒng)都只用于有環(huán)境作用下的靜態(tài)計算和無環(huán)境作用下的弓網(wǎng)動態(tài)仿真,對于在風、冰荷載、溫度等外界條件共同作用下的動態(tài)仿真尚待繼續(xù)研究。2.3弓網(wǎng)動態(tài)模擬問題線路測量和計算機仿真在弓網(wǎng)評價中都受到較大限制,實驗室混合模擬受到廣泛關注。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)難以在實驗室中實現(xiàn),而受電弓實體容易獲得,混合模擬試驗是在實驗室中采用虛擬接觸網(wǎng)、實際受電弓進行弓網(wǎng)動態(tài)模擬的方法。目前德國鐵路(DB)的受電弓實驗臺和西南交通大學牽引動力國家重點實驗室的弓網(wǎng)混合模擬系統(tǒng)比較有代表性。利用上述弓網(wǎng)關系研究方法,可以對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行較為全面的評價。但并非能解決所有的問題。例如:在錨段關節(jié)、線岔、橋梁、隧道等特殊區(qū)段處,弓網(wǎng)之間的相互作用無明確結論,難以進行評價;高速情況下,動應力導致接觸網(wǎng)疲勞破壞的問題,缺乏有效的測量和評價依據(jù);高速列車自動過分相時引起的過電壓、過電流問題,也缺乏相應的評價標準。3弓箭網(wǎng)絡關系的評估標準3.1弓網(wǎng)關系評價自1964年世界上第一條高速鐵路開通至今,日本、德國、法國接觸網(wǎng)分別選用復鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛、簡單鏈形懸掛方式,實現(xiàn)了高速弓網(wǎng)良好受流。在這個過程中,各國采用不同方法對弓網(wǎng)關系進行研究,在弓網(wǎng)相互作用評價上,形成了不同的認識。日本進行弓網(wǎng)關系評價時,主要采用日本鐵路標準(JRS)。高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的評價依據(jù)有:(1)波動傳播速度;(2)離線率;(3)弓網(wǎng)接觸壓力;(4)接觸線的抬升量;(5)接觸線的應力。要求最高運營速度控制在接觸線波動傳播速度的70%以下;最大的一次離線時間不應該大于200ms,離線率最好不超過5%,最差情況下不應超過20%;接觸線最大允許抬升量為100mm;受電弓靜態(tài)抬升力在54~64N范圍內取值,弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力大于20N;在增大接觸線張力的同時,保證其應力小于疲勞極限,硬銅線和銅合金線的安全系數(shù)大于2.2,其他線材大于2.5。德國進行弓網(wǎng)性能評價時,使用靜態(tài)彈性、彈性不均勻度、安全系數(shù)等靜態(tài)指標和接觸壓力、接觸線動態(tài)抬升、動態(tài)彈性、波動傳播速度、無量綱速度、多普勒系數(shù)、反射因數(shù)、放大系數(shù)等動態(tài)指標,提倡靜態(tài)指標和動態(tài)指標相結合全面地評價弓網(wǎng)關系。德國鐵路公司每半年對高速鐵路網(wǎng)進行一次全面測量,根據(jù)DIN系列標準對弓網(wǎng)關系進行系統(tǒng)評價,主要指標有:(1)平均接觸壓力目標值為120N,標準偏差為24N,在此范圍內測量值盡可能小(接觸壓力大于40N);(2)受電弓前后滑板所受壓力的比值盡可能接近1;(3)雙弓運行時,前后弓接觸點高度差要小于100mm;(4)盡可能消除電弧。法國通過由彈性鏈形懸掛(東南新干線,1981年開通)到簡單鏈形懸掛(大西洋新干線,1990年開通)的轉變,得出以下結論:(1)高速時,弓網(wǎng)受流質量主要取決于接觸線的波動傳播速度,與彈性不均勻度關系不大;(2)運行中發(fā)生電弧距離應控制在間隔160m/次;(3)Fm-3σ>0,其中Fm為平均接觸壓力,σ為接觸壓力標準偏差;(4)定位點處的最大抬升量應為接觸線允許抬高量的2倍,達400mm;采用接觸線抬升量、跨中受電弓振幅、離線率和接觸壓力標準偏差綜合對弓網(wǎng)系統(tǒng)性能評價,當綜合量化指標小于11時,適合高速運行,大于16在高速線上是不允許的。由于弓網(wǎng)系統(tǒng)性能的重要性,各國在分別制定自身標準的同時,也相互交流合作達成一些通行標準,當前,國際上常用的弓網(wǎng)關系評價標準有:國際電工委員會制定的電力牽引架空線路IEC60913等系列標準對架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的材料、機電特性等做了限定;國際鐵路聯(lián)盟制定的國際通用受電弓UIC608、接觸線技術規(guī)格UIC870、弓網(wǎng)受流規(guī)范UIC794等系列標準分別對接觸網(wǎng)系統(tǒng)和受電弓系統(tǒng)做出了規(guī)定,并為弓網(wǎng)關系評價提供了規(guī)范;歐洲聯(lián)盟的歐洲電氣化鐵道互通技術規(guī)范TSIEnergySubsystem,歐洲接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計安裝標準EN50119,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)相互作用測量系統(tǒng)評價標準EN50317,歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)相互作用仿真評價標準EN50318,歐洲鐵路弓網(wǎng)受流技術規(guī)范EN50367等,分別從設計、施工、仿真、檢測、驗收、運營、維護等方面對高速鐵路弓網(wǎng)相互作用的評價標準做出規(guī)定。3.2接觸壓力評價標準中國的高速鐵路起步較晚,在弓網(wǎng)動態(tài)相互作用評價方面還沒有形成完善的體系。測量方面,主要參考國際通用標準,以接觸壓力、接觸線動態(tài)抬升量、沖擊加速度(水平方向)、硬點加速度(垂直方向)、電弧、離線率和滑板振動幅度作為評價指標。但全面、系統(tǒng)的高速試驗較少,有效的動態(tài)線路測量數(shù)據(jù)有限,缺乏科學合理的評價方法和評價體系,成為準確評價弓網(wǎng)性能的障礙。4建立完善的錨點總體規(guī)劃,為網(wǎng)絡弓網(wǎng)發(fā)展提供指導弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個涉及電氣、機械、材料、力學等多學科的復雜系統(tǒng)。中國在發(fā)展高速鐵路的過程中,要深入研究弓網(wǎng)之間的相互作用,就要把各方面的因素綜合起來,特別要解決好以下幾個問題:(1)加強高速條件下新的供電方式的研究,例如:同相供電技術,即通過在牽引變電所應用以負序、無功補償為核心的對稱補償技術,實現(xiàn)全線同一相位的單相供電,能有效避免變電所、分區(qū)所出口處的電分相環(huán)節(jié),解決自動過分相時斷電、拉弧等諸多問題。(2)加大新材料的應用力度,解決弓網(wǎng)之間的磨損問題。(3)加大弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)的開發(fā)力度,使仿真最大程度地反映系統(tǒng)的實際工作狀態(tài),并在弓網(wǎng)系統(tǒng)設計和開發(fā)中發(fā)揮作用。(4)加