高速鐵路受流性能測(cè)試方法及其關(guān)鍵技術(shù)（詳細(xì)）

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(dòng)中完成的 ,受流過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,這一動(dòng)態(tài)過程包括了 多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式和電氣狀態(tài)變化：受電弓相對(duì)于接觸導(dǎo)線的 滑動(dòng)摩擦;受電弓上下振動(dòng);受電弓由于機(jī)車橫向擺動(dòng)而形成的 橫向振動(dòng);接觸網(wǎng)上下振動(dòng),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(gè)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(dòng)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

2、許范圍外,受流質(zhì)量將嚴(yán)重惡化,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)?可靠性 在高速列車運(yùn)行的 全部接觸網(wǎng)區(qū)段,必須保證電

3、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(shí)間短,由于列車速度 快,起動(dòng)和加速獲得電流很大 ,在弓網(wǎng)高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)中,整個(gè)牽引供電系統(tǒng)均要適應(yīng)高速列車對(duì)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(gè)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(dòng); 接觸網(wǎng)的 性能參數(shù)

4、(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(jì)、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(shí)際線路中,離線率要盡量小 ,系統(tǒng)具有動(dòng)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(gè)主要因素是,接觸導(dǎo)線的 使

5、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(duì)周圍環(huán)境的 影響 受流過程中,產(chǎn)生的 電弧會(huì)產(chǎn)生電磁干擾和噪音,應(yīng)采取措施減少對(duì)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(dòng)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

6、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(gè)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(jì)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(jì)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(dòng)量的 增

7、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200-300米米,其中,直線區(qū)段200米,曲線區(qū)段300米米. (2)接觸導(dǎo)線高度 ：由于高速電氣化線路上不運(yùn)營超限貨物列車,高速接觸網(wǎng)的 導(dǎo)線高度 低,在5 3005 500米米之間. (3)定位器坡度 ：高速行駛時(shí),受電弓弓頭和上下部框架受空氣動(dòng)態(tài)力的 影響,最終結(jié)果 是增大 了 受電弓對(duì)接觸導(dǎo)線的 抬升力,導(dǎo)致接觸導(dǎo)線的 動(dòng)態(tài)抬升量增大 ,接觸導(dǎo)線上下振動(dòng)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

8、,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(shí),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

9、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(dòng)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) 受電弓和接觸網(wǎng)是一對(duì)相互作用的 振動(dòng)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(gè)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(dòng)態(tài)力的 作用,使其在運(yùn)動(dòng)中的 振動(dòng)變得非常復(fù)雜.綜合世界各國的

10、 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(dòng)力模型和氣流調(diào)整裝置,以改善受電弓的 氣動(dòng)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(shí),受電弓自動(dòng)快速降弓. 二、接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)的 受流質(zhì)量評(píng)價(jià) 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(píng)價(jià)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

11、弓匹配時(shí)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(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量方面,我國至今還沒有一個(gè)通行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).參考國外的 經(jīng)驗(yàn)和近幾年來我國提速和高速試驗(yàn)的 結(jié)果,評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量可以從以下幾個(gè)方面來考慮： 1弓網(wǎng)間動(dòng)態(tài)接觸壓力 弓網(wǎng)間的 動(dòng)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(dòng)力以及垂直方向上的 質(zhì)量慣性力等因素決定.當(dāng)接觸力過大 時(shí),會(huì)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(huì)造成離線,產(chǎn)生電弧.動(dòng)態(tài)接觸力主要從接觸力的 最大 值、最

12、小 值及標(biāo)準(zhǔn)偏差這幾個(gè)方面來評(píng)價(jià),在不同速度 下上述幾個(gè)評(píng)價(jià)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(gè)跨距內(nèi)的 振動(dòng)幅度 ,即上下振動(dòng)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(dòng)情況,2A受接觸網(wǎng)的 安裝尺寸影響,2A越小 ,受電弓運(yùn)動(dòng)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(shí),接觸導(dǎo)線的 最大 抬升量,用H表示.受流系統(tǒng)中,受電弓和接觸導(dǎo)線的 運(yùn)動(dòng)振幅越小 ,受流質(zhì)量越好,一個(gè)好的 受流系統(tǒng),受電弓的 振幅應(yīng)均勻. 運(yùn)動(dòng)振幅過大 ,可能引起下列問題： (1)引起接觸網(wǎng)振動(dòng)加劇,影響弓

13、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(huì)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(duì)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(yàn)的 數(shù)據(jù),接觸導(dǎo)線的 最大 垂直振幅(一跨內(nèi))為150米米;接觸導(dǎo)線的 動(dòng)態(tài)抬升量在速度 小 于160千米h時(shí)為100米米,大 于160千米h時(shí)為150米米. 4離線 高速列車運(yùn)行時(shí),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)離線時(shí),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(shí),電弧也不能維持電流通路時(shí),還

14、造成機(jī)車失壓,需要重新啟動(dòng),對(duì)再生機(jī)車還會(huì)使再生顛覆. 評(píng)價(jià)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(shí)間：小 于100米s;(2)離線率：式中 S離線率; t運(yùn)行時(shí)間內(nèi)各次離線時(shí)間總和; T運(yùn)行時(shí)間.我國高速線路的 離線率應(yīng)取5以下. 5硬點(diǎn) 評(píng)定高速列車運(yùn)行時(shí)接觸導(dǎo)線對(duì)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn). 6接觸網(wǎng)的 靜態(tài)彈性差異系數(shù) 靜態(tài)彈性差異系數(shù)由下式計(jì)算：式中 千米ax-跨距內(nèi)最大 彈性; 千米in跨距內(nèi)最小

15、 彈性. 評(píng)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(jì)算機(jī)動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬計(jì)算接觸網(wǎng)一受電弓系統(tǒng)的 靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能,實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)受流的 計(jì)算機(jī)仿真.這種動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： 1改變系統(tǒng)的 條件和參數(shù),計(jì)算不同形式的 接觸網(wǎng)和各種受電弓的 相互匹配時(shí)的 受流性能. 2在高速接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),選擇和優(yōu)化弓網(wǎng)受流系統(tǒng)的 參數(shù),給出定量化的 指標(biāo),并給予預(yù)評(píng)價(jià). 3指出弓網(wǎng)

16、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(bào)高速試驗(yàn)時(shí)弓網(wǎng)受流試驗(yàn)的 試驗(yàn)結(jié)果. 5模擬錨段關(guān)節(jié)、線岔、分相等部位的 動(dòng)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(chǎng)測(cè)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(duì)實(shí)際的 高速接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以取得準(zhǔn)確可靠的 試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的 受流性能作出評(píng)價(jià). 試驗(yàn)方法是高速列車以不同的 速度 運(yùn)行時(shí),對(duì)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(cè)試.測(cè)試項(xiàng)目如下： 1接觸網(wǎng)的 靜彈性測(cè)試(無機(jī)車運(yùn)行時(shí)進(jìn)行); 2接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的 測(cè)量(包括：導(dǎo)線高度

17、、拉出值);3接觸網(wǎng)性能的 地面測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)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(cè)試; 5接觸導(dǎo)線動(dòng)態(tài)振幅; 6受電弓的 空氣動(dòng)態(tài)力; 7受電弓離線的 測(cè)試. (三)弓網(wǎng)受流性能測(cè)試方法及其關(guān)鍵技術(shù) 弓網(wǎng)受流性能測(cè)試一般應(yīng)結(jié)合高速列車的 高速試驗(yàn)進(jìn)行,在高速電力機(jī)車受電弓上安裝相應(yīng)的 測(cè)量裝置和傳感器,通過必要的 信號(hào)高低壓隔離及傳輸系統(tǒng)將測(cè)試信號(hào)傳至試驗(yàn)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(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流性能的 試驗(yàn)數(shù)據(jù). 弓網(wǎng)受流性能的 測(cè)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(cè)量帶來了 不少困難,主要有下列幾個(gè)方面： 電氣

18、干擾.在弓網(wǎng)受流性能檢測(cè)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(cè)量設(shè)備,這方面的 干擾非常嚴(yán)重. 機(jī)械振動(dòng).有受電弓的 振動(dòng)和車體的 振動(dòng),這些振動(dòng)常常造成傳感器損壞,儀器插板接觸不良,從而造成檢測(cè)故障.對(duì)弓網(wǎng)受流性能的 測(cè)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(cè)量精度 ; (4)能實(shí)時(shí)處理各種測(cè)量參數(shù); (5)對(duì)測(cè)量受電弓有監(jiān)控裝置; (6)有抗震措施. 弓網(wǎng)受流性能測(cè)試中,要做到測(cè)量系統(tǒng)可靠地運(yùn)行,測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,必須解決下列幾個(gè)方面的 關(guān)鍵

19、技術(shù)： 1測(cè)量裝置及數(shù)據(jù)處理的 抗干擾問題.所有測(cè)量傳感器及測(cè)量裝置都是在強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)下工作的 ,所以,所選測(cè)量傳感器必須具有很強(qiáng)的 抗干擾能力;信號(hào)處理電路必須作特殊設(shè)計(jì),充分考慮電路的 抗干擾能力;測(cè)量裝置及信號(hào)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(jì)要作抗干擾處理,防止測(cè)量中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 死機(jī)問題. 2測(cè)量信號(hào)的 高低壓隔離和傳輸問題.弓網(wǎng)受流測(cè)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(cè)量信號(hào)傳送至試驗(yàn)車的 低壓側(cè),必須解決測(cè)量裝置的 高低壓隔離問題和信號(hào)的 傳輸問題,解決這一問題有三個(gè)途徑： (1)測(cè)量信號(hào)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(hào)等項(xiàng)目的 測(cè)量需使用光電隔離裝置.裝置的 系統(tǒng)表示如下：信號(hào)處理及放大單元E/O單元隔離介質(zhì)O/E單元信號(hào)恢復(fù)單元 信號(hào)處理及放大 單元：將傳感器的