高速鐵路受流性能測試方法及其關(guān)鍵技術(shù)

1、第三節(jié) 高速鐵路的受流技術(shù) 接觸網(wǎng)一受電弓受流系統(tǒng)的受流過程是受電弓在接觸網(wǎng)下，以機(jī)車速度運(yùn)動中完成的，受流過程是一個動態(tài)過程，這一動態(tài)過程包括了多種機(jī)械運(yùn)動形式和電氣狀態(tài)變化：受電弓相對于接觸導(dǎo)線的滑動摩擦；受電弓上下振動；受電弓由于機(jī)車橫向擺動而形成的橫向振動；接觸網(wǎng)上下振動，井形成行波沿導(dǎo)線向前傳播；受電弓和接觸導(dǎo)線之間發(fā)生的水平和垂直方向撞擊；弓網(wǎng)離線發(fā)生電弧，受電弓受流中，電流發(fā)生劇烈變化等等，所以，弓網(wǎng)受流過程是一個復(fù)雜的機(jī)械電氣過程。隨著列車速度的提高，上述各種運(yùn)動加劇，維持弓網(wǎng)之間的良好接觸性能愈加困難，受流質(zhì)量也隨之下降，當(dāng)列車速度超過受流系統(tǒng)的允許范圍外，受流質(zhì)量將嚴(yán)重惡化

2、，影響列車取流和正常運(yùn)行。在高速條件下，受流系統(tǒng)的性能與常規(guī)電氣化鐵路的受流質(zhì)量是不同的，系統(tǒng)所需解決的問題也不盡相同，高速受流技術(shù)是高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一。 一、高速鐵路中接觸網(wǎng)一受電弓受流系統(tǒng)的新特點(diǎn) 1、弓網(wǎng)受流系統(tǒng)必須符合的基本條件 電氣化鐵路發(fā)展100多年來，接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)在外觀的硬件上沒有太大的變化，但是，隨著列車速度的提高和新技術(shù)的采用，受流系統(tǒng)的電流容量、適用速度、安全性能有了相當(dāng)大的提高，高速鐵路的受流系統(tǒng)必須符合的基本條件如下： （1）保證功率傳輸?shù)目煽啃?在高速列車運(yùn)行的全部接觸網(wǎng)區(qū)段，必須保證電力機(jī)車所需要的最低電壓；在高速鐵路所有可能的運(yùn)營條件下，接觸網(wǎng)一受電弓系

3、統(tǒng)的電流負(fù)荷能力必須保證高速列車的可靠運(yùn)行。高速列車的電流負(fù)荷特性較之常規(guī)電力機(jī)車有較大的區(qū)別，其特征是脈沖負(fù)荷占的比例大，電流大，持續(xù)時間短，由于列車速度快，起動和加速獲得電流很大，在弓網(wǎng)高速相對運(yùn)動中，整個牽引供電系統(tǒng)均要適應(yīng)高速列車對電壓水平和電流負(fù)荷的要求。 （2）受流系統(tǒng)的運(yùn)行安全性 受流系統(tǒng)的安全運(yùn)行是高速鐵路正常運(yùn)營的保證。高速受流系統(tǒng)的安全性主要從下面幾個方面建立： 接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)(拉出值、導(dǎo)線高度、定位器坡度)保證受電弓滑板沿接觸網(wǎng)安全地滑動； 接觸網(wǎng)的性能參數(shù)(硬點(diǎn)、彈性、分相絕緣器、分段絕緣器和線岔結(jié)構(gòu)的平滑性)不損壞受電弓的滑板乃至弓頭； 受電弓的自身性能(受電弓滑板

4、的抗沖擊性、耐磨性、橫向剛度)； 接觸網(wǎng)一受電弓的匹配性能(離線、接觸導(dǎo)線抬升量、接觸導(dǎo)線的彎曲應(yīng)力)。受流系統(tǒng)的安全性能涉及的方面很多，它是接觸網(wǎng)設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)首先要考慮的因素。 （3）良好的受流質(zhì)量 受流系統(tǒng)的理想運(yùn)行狀態(tài)是弓網(wǎng)可靠接觸，機(jī)車不間斷地從接觸網(wǎng)上獲得電能。運(yùn)行狀態(tài)的性能參數(shù)為：無離線、無火花。實際線路中，離線率要盡量小，系統(tǒng)具有動態(tài)穩(wěn)定性。 （4）保證受流系統(tǒng)的使用壽命 受流系統(tǒng)中，涉及使用壽命的兩個主要因素是，接觸導(dǎo)線的使用壽命和受電弓滑板的使用壽命。其壽命取決于它們之間的磨耗，磨耗量在一定速度和傳遞功率條件下，主要取決于弓網(wǎng)接觸力的大小，保持接觸力均勻，即控制接觸力

5、的標(biāo)準(zhǔn)偏差以減少接觸導(dǎo)線的局部磨耗。接觸導(dǎo)線和受電弓滑板在材質(zhì)上應(yīng)具有一定的耐磨性能，另外，接觸導(dǎo)線應(yīng)具有抗電化學(xué)腐蝕性能。 5減少對周圍環(huán)境的影響 受流過程中，產(chǎn)生的電弧會產(chǎn)生電磁干擾和噪音，應(yīng)采取措施減少對周圍環(huán)境的影響。 2、高速接觸網(wǎng)的特點(diǎn) 高速列車是靠受電弓與接觸導(dǎo)線的滑動接觸來獲取電能的，所以，高速鐵路的接觸網(wǎng)是與速度直接相關(guān)的，關(guān)系更為密切，它必須滿足高速列車受流的要求，高速接觸網(wǎng)除具有常速下 電氣化鐵路接觸網(wǎng)的性能和特點(diǎn)外，還具有下列特點(diǎn)： 1由于高速鐵路安全性的要求，高速接觸網(wǎng)必須具有很高的安全性，這主要表現(xiàn)兩個方 面： 接觸網(wǎng)設(shè)備本身應(yīng)具有很高的運(yùn)行安全性和可靠性；主要設(shè)備

6、和零部件的使用材料應(yīng) 選用強(qiáng)度高、耐腐蝕、電氣性能好的材料，在制造結(jié)構(gòu)方面應(yīng)做到設(shè)計合理，制造精良，以確保 設(shè)備和零件的使用壽命。 接觸網(wǎng)的設(shè)計和安裝的主要幾何參數(shù)應(yīng)適應(yīng)高速鐵路的運(yùn)營要求，接觸網(wǎng)與運(yùn)營安全 性直接相關(guān)的幾何參數(shù)有：拉出值、導(dǎo)線高度、定位器坡度、線岔位置、錨段關(guān)節(jié)。下面分別介 紹： (1)拉出值：高速鐵路中，由于列車速度的提高，機(jī)車車體和受電弓的橫向擺動量的增大 及受電弓滑板寬度的縮小，接觸導(dǎo)線的拉出值一般都小于常速電氣化鐵路接觸導(dǎo)線的拉出值。 如：高速鐵路接觸導(dǎo)線的拉出值均為200-300mm，其中，直線區(qū)段200m，曲線區(qū)段300mm。 (2)接觸導(dǎo)線高度：由于高速電氣化線

7、路上不運(yùn)營超限貨物列車，高速接觸網(wǎng)的導(dǎo)線高度 低，在5 3005 500mm之間。 (3)定位器坡度：高速行駛時，受電弓弓頭和上下部框架受空氣動態(tài)力的影響，最終結(jié)果 是增大了受電弓對接觸導(dǎo)線的抬升力，導(dǎo)致接觸導(dǎo)線的動態(tài)抬升量增大，接觸導(dǎo)線上下振動劇 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將撞擊受電弓滑板，危及行 車安全，因此，高速接觸網(wǎng)定位器坡度較大或采用新型結(jié)構(gòu)的定位器。 (4)線岔位置：由于導(dǎo)線抬升量的增大和提高受流性能的要求，常速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的 直接交叉式線岔已不能適應(yīng)高速的要求，高速接觸網(wǎng)的線岔一般采用無交叉線岔。 (5)錨段關(guān)節(jié)：由于高速接觸網(wǎng)張力的增大，另

8、外，工作支和非工作支過渡平滑的要求，高 速鐵路的接觸網(wǎng)將采用三跨或五跨錨段關(guān)節(jié)。 2高速接觸網(wǎng)應(yīng)具有良好的受流性能。在接觸網(wǎng)方面，跨距間各點(diǎn)的彈性應(yīng)保持一致。不 同溫度時，跨內(nèi)各點(diǎn)接觸導(dǎo)線離鋼軌水平面的高度變化應(yīng)較小，接觸網(wǎng)與弓網(wǎng)受流性能相關(guān)的參 數(shù)有：承力索和接觸導(dǎo)線的張力；吊弦間距；接觸導(dǎo)線預(yù)留弛度；跨距；結(jié)構(gòu)高度；錨段長度。 涉及受流性能的接觸網(wǎng)參數(shù)： 接觸導(dǎo)線波動傳播速度C；接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性和靜態(tài)彈性差異系數(shù)；反射系數(shù)；增強(qiáng)因數(shù)；多 普勒系數(shù)。 3，高速接觸網(wǎng)應(yīng)采用狀態(tài)修，減少接觸網(wǎng)維修給高速鐵路帶來的干擾。 4具有較高的可靠性和較長的使用壽命 (三)高速受電弓應(yīng)具有的特點(diǎn) 受電弓和接觸

9、網(wǎng)是一對相互作用的振動系統(tǒng)和摩擦耦件，要獲得良好的受流性能，除了接觸網(wǎng)具有良好的性能外，還必須有受流性能好的受電弓來匹配。受電弓作為一個彈性機(jī)構(gòu)，通過自身結(jié)構(gòu)保持與接觸導(dǎo)線一定的壓力，在運(yùn)行過程中，還受到空氣動態(tài)力的作用，使其在運(yùn)動中的振動變得非常復(fù)雜。綜合世界各國的高速鐵路使用的受電弓，它具有如下特點(diǎn)： 1小的靜態(tài)抬升力； 2較小的當(dāng)量歸算質(zhì)量； 3良好的跟隨特性；4大的橫向剛度；5具有良好的氣動力模型和氣流調(diào)整裝置，以改善受電弓的氣動力穩(wěn)定性，保證弓頭位置穩(wěn)定； 6與接觸導(dǎo)線摩擦性能相匹配的滑板材料； 7具有緊急降弓控制系統(tǒng)。當(dāng)接觸網(wǎng)損壞受電弓滑板時，受電弓自動快速降弓。 二、接觸網(wǎng)一受電

10、弓系統(tǒng)的受流質(zhì)量評價 接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)的受流質(zhì)量與接觸網(wǎng)和受電弓的匹配性能有很大關(guān)系，單方面來評價接觸網(wǎng)的受流性能或受電弓的性能都是不全面的，在某種程度上是沒有意義的。我們說一種形式的接觸網(wǎng)受流性能好，應(yīng)當(dāng)說明與何種受電弓匹配時才有意義。如果用一種性能差的受電弓來匹配，再好的接觸網(wǎng)，其受流性能也不可能好。在評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量方面，我國至今還沒有一個通行評價標(biāo)準(zhǔn)。參考國外的經(jīng)驗和近幾年來我國提速和高速試驗的結(jié)果，評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量可以從以下幾個方面來考慮： 1弓網(wǎng)間動態(tài)接觸壓力 弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸壓力直接反映了受電弓弓頭與接觸導(dǎo)線的接觸狀態(tài)，弓網(wǎng)間接觸力的大小受受電弓的靜態(tài)抬升力、空氣動力以及垂直方

11、向上的質(zhì)量慣性力等因素決定。當(dāng)接觸力過大時，會使弓網(wǎng)磨耗加劇，引起弓網(wǎng)位移增加，另外，在定位器和線岔處可能造成受電弓損壞；接觸力過小，會造成離線，產(chǎn)生電弧。動態(tài)接觸力主要從接觸力的最大值、最小值及標(biāo)準(zhǔn)偏差這幾個方面來評價，在不同速度下上述幾個評價指標(biāo)是不同的。 2接觸導(dǎo)線最大垂直振幅 接觸導(dǎo)線最大垂直振幅指受電弓滑板在一個跨距內(nèi)的振動幅度，即上下振動的范圍，一般用2倍振幅2A來表示。它反映了受電弓弓頭垂直方向的振動情況，2A受接觸網(wǎng)的安裝尺寸影響，2A越小，受電弓運(yùn)動軌跡越平滑，受流質(zhì)量越好。 3接觸導(dǎo)線的抬升量 接觸導(dǎo)線的抬升量指受電弓經(jīng)過時，接觸導(dǎo)線的最大抬升量，用H表示。受流系統(tǒng)中，受電

12、弓和接觸導(dǎo)線的運(yùn)動振幅越小，受流質(zhì)量越好，一個好的受流系統(tǒng)，受電弓的振幅應(yīng)均勻。 運(yùn)動振幅過大，可能引起下列問題： (1)引起接觸網(wǎng)振動加劇，影響弓網(wǎng)的跟隨性，造成離線率增加； (2)定位器處接觸導(dǎo)線抬升量過大，會使受電弓弓頭撞擊定位器的尾部，造成弓網(wǎng)事故； (3)使接觸導(dǎo)線所受的彎曲應(yīng)力增大，對接觸導(dǎo)線的疲勞壽命有影響。 根據(jù)我國提速和高速試驗的數(shù)據(jù)，接觸導(dǎo)線的最大垂直振幅(一跨內(nèi))為150mm；接觸導(dǎo)線的動態(tài)抬升量在速度小于160kmh時為100mm，大于160kmh時為150mm。 4離線 高速列車運(yùn)行時，當(dāng)受電弓與接觸導(dǎo)線失去接觸就發(fā)生了離線。由于高速列車運(yùn)行中，受電弓的取流很大，弓網(wǎng)

13、離線時，必然伴隨著電弧，從而加大滑板和導(dǎo)線的電磨耗，引起電磁干擾；當(dāng)發(fā)生大離線時，電弧也不能維持電流通路時，還造成機(jī)車失壓，需要重新啟動，對再生機(jī)車還會使再生顛覆。 評價弓網(wǎng)離線參數(shù)主要從下列兩方面來做： (1)每一次離線的最大離線時間：小于100ms；(2)離線率：式中 S離線率； t運(yùn)行時間內(nèi)各次離線時間總和； T運(yùn)行時間。我國高速線路的離線率應(yīng)取5以下。 5硬點(diǎn) 評定高速列車運(yùn)行時接觸導(dǎo)線對受電弓滑板的沖擊主要指標(biāo)是受電弓滑板受到的垂直方向和線路方向上加速度的最大值。 受電弓滑板所受到的縱向和垂直加速度，根據(jù)高速列車受電弓使用的滑板類型來確定硬點(diǎn)的評判標(biāo)準(zhǔn)。 6接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性差異系數(shù)

14、靜態(tài)彈性差異系數(shù)由下式計算：式中 Kmax-跨距內(nèi)最大彈性； Kmin跨距內(nèi)最小彈性。 評判標(biāo)準(zhǔn)：簡單鏈形懸掛不大于30； 彈性鏈形懸掛不大于10； 復(fù)鏈鏈形懸掛不大于10。 7接觸導(dǎo)線彎曲應(yīng)力 彎曲應(yīng)力的允許值為500微應(yīng)變。 三、研究高速接觸網(wǎng)一受電弓受流性能的方法 (一)弓網(wǎng)受流性能的計算機(jī)動態(tài)模擬 根據(jù)弓網(wǎng)關(guān)系的受流理論，建立數(shù)學(xué)模型，使用計算機(jī)模擬計算接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，實現(xiàn)弓網(wǎng)受流的計算機(jī)仿真。這種動態(tài)模擬計算可以實現(xiàn)以下幾個功能： 1改變系統(tǒng)的條件和參數(shù)，計算不同形式的接觸網(wǎng)和各種受電弓的相互匹配時的受流性能。 2在高速接觸網(wǎng)設(shè)計時，選擇和優(yōu)化弓網(wǎng)受流系統(tǒng)的參

15、數(shù)，給出定量化的指標(biāo)，并給予預(yù)評價。 3指出弓網(wǎng)關(guān)系惡化的邊界條件(如：共振速度、最大接觸壓力、最大離線率、最大接觸導(dǎo)線抬升量等)。 4預(yù)報高速試驗時弓網(wǎng)受流試驗的試驗結(jié)果。 5模擬錨段關(guān)節(jié)、線岔、分相等部位的動態(tài)接觸過程。 (二)接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)受流性能的現(xiàn)場測試 為了準(zhǔn)確研究高速接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)的受流性能，必須對實際的高速接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以取得準(zhǔn)確可靠的試驗數(shù)據(jù)，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流性能作出評價。 試驗方法是高速列車以不同的速度運(yùn)行時，對接觸網(wǎng)的性能、受電弓的性能和弓網(wǎng)匹配性能進(jìn)行測試。測試項目如下： 1接觸網(wǎng)的靜彈性測試(無機(jī)車運(yùn)行時進(jìn)行)； 2接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的測量(包括：

16、導(dǎo)線高度、拉出值)；3接觸網(wǎng)性能的地面測試，測試項目包括：接觸導(dǎo)線關(guān)鍵部位的抬升量、接觸導(dǎo)線的彎曲應(yīng)力等； 4接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的測試； 5接觸導(dǎo)線動態(tài)振幅； 6受電弓的空氣動態(tài)力； 7受電弓離線的測試。 (三)弓網(wǎng)受流性能測試方法及其關(guān)鍵技術(shù) 弓網(wǎng)受流性能測試一般應(yīng)結(jié)合高速列車的高速試驗進(jìn)行，在高速電力機(jī)車受電弓上安裝相應(yīng)的測量裝置和傳感器，通過必要的信號高低壓隔離及傳輸系統(tǒng)將測試信號傳至試驗車的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，獲得評價弓網(wǎng)受流性能的試驗數(shù)據(jù)。 弓網(wǎng)受流性能的測試，是在接觸網(wǎng)帶電和電力機(jī)車高速運(yùn)行的條件下進(jìn)行的，這給測量帶來了不少困難，主要有下列幾個方面： 電氣干擾。在弓網(wǎng)受流性能檢

17、測中，電力機(jī)車受電弓在接觸網(wǎng)下高速運(yùn)行，電力機(jī)車頻繁操作開關(guān)引起的操作過電壓及受電弓離線引起的高頻干擾，有可能通過接觸網(wǎng)和空氣干擾測量設(shè)備，這方面的干擾非常嚴(yán)重。 機(jī)械振動。有受電弓的振動和車體的振動，這些振動常常造成傳感器損壞，儀器插板接觸不良，從而造成檢測故障。對弓網(wǎng)受流性能的測試系統(tǒng)必須滿足下列要求： (1)很強(qiáng)的抗干擾能力； ， (2)較高的可靠性； (3)較高的測量精度； (4)能實時處理各種測量參數(shù)； (5)對測量受電弓有監(jiān)控裝置； (6)有抗震措施。 弓網(wǎng)受流性能測試中，要做到測量系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，必須解決下列幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)： 1測量裝置及數(shù)據(jù)處理的抗干擾問題。所

18、有測量傳感器及測量裝置都是在強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場下工作的，所以，所選測量傳感器必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力；信號處理電路必須作特殊設(shè)計，充分考慮電路的抗干擾能力；測量裝置及信號傳輸線要有很好的屏蔽性能；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計要作抗干擾處理，防止測量中計算機(jī)系統(tǒng)的死機(jī)問題。 2測量信號的高低壓隔離和傳輸問題。弓網(wǎng)受流測量中，許多傳感器是安裝在機(jī)車受電弓上，屬于25 LV的高壓側(cè)，要將測量信號傳送至試驗車的低壓側(cè)，必須解決測量裝置的高低壓隔離問題和信號的傳輸問題，解決這一問題有三個途徑： (1)測量信號的光電隔離：如弓網(wǎng)接觸壓力、沖擊加速度、拉出值、支柱信號等項目的測量需使用光電隔離裝置。裝置的系統(tǒng)表示如下：信號處理及放大單元E/O單元隔離介質(zhì)O/E單元信號恢復(fù)單元 信號處理及放大單元：將傳感器的信號進(jìn)行處理、整形、放