高速鐵路受流性能測試方法及其關鍵技術

1、第三節(jié) 高速鐵路的受流技術 接觸網一受電弓受流系統(tǒng)的受流過程是受電弓在接觸網下，以機車速度運動中完成的，受流過程是一個動態(tài)過程，這一動態(tài)過程包括了多種機械運動形式和電氣狀態(tài)變化：受電弓相對于接觸導線的滑動摩擦；受電弓上下振動；受電弓由于機車橫向擺動而形成的橫向振動；接觸網上下振動，井形成行波沿導線向前傳播；受電弓和接觸導線之間發(fā)生的水平和垂直方向撞擊；弓網離線發(fā)生電弧，受電弓受流中，電流發(fā)生劇烈變化等等，所以，弓網受流過程是一個復雜的機械電氣過程。隨著列車速度的提高，上述各種運動加劇，維持弓網之間的良好接觸性能愈加困難，受流質量也隨之下降，當列車速度超過受流系統(tǒng)的允許范圍外，受流質量將嚴重惡化

2、，影響列車取流和正常運行。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，高速受流技術是高速鐵路的關鍵技術之一。 一、高速鐵路中接觸網一受電弓受流系統(tǒng)的新特點 1、弓網受流系統(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）保證功率傳輸的可靠性 在高速列車運行的全部接觸網區(qū)段，必須保證電力機車所需要的最低電壓；在高速鐵路所有可能的運營條件下，接觸網一受電弓系

3、統(tǒng)的電流負荷能力必須保證高速列車的可靠運行。高速列車的電流負荷特性較之常規(guī)電力機車有較大的區(qū)別，其特征是脈沖負荷占的比例大，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，在弓網高速相對運動中，整個牽引供電系統(tǒng)均要適應高速列車對電壓水平和電流負荷的要求。 （2）受流系統(tǒng)的運行安全性 受流系統(tǒng)的安全運行是高速鐵路正常運營的保證。高速受流系統(tǒng)的安全性主要從下面幾個方面建立： 接觸網的幾何參數(拉出值、導線高度、定位器坡度)保證受電弓滑板沿接觸網安全地滑動； 接觸網的性能參數(硬點、彈性、分相絕緣器、分段絕緣器和線岔結構的平滑性)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)； 接觸網一受電弓的匹配性能(離線、接觸導線抬升量、接觸導線的彎曲應力)。受流系統(tǒng)的安全性能涉及的方面很多，它是接觸網設計、施工、運營維護首先要考慮的因素。 （3）良好的受流質量 受流系統(tǒng)的理想運行狀態(tài)是弓網可靠接觸，機車不間斷地從接觸網上獲得電能。運行狀態(tài)的性能參數為：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，主要取決于弓網接觸力的大小，保持接觸力均勻，即控制接觸力

5、的標準偏差以減少接觸導線的局部磨耗。接觸導線和受電弓滑板在材質上應具有一定的耐磨性能，另外，接觸導線應具有抗電化學腐蝕性能。 5減少對周圍環(huán)境的影響 受流過程中，產生的電弧會產生電磁干擾和噪音，應采取措施減少對周圍環(huán)境的影響。 2、高速接觸網的特點 高速列車是靠受電弓與接觸導線的滑動接觸來獲取電能的，所以，高速鐵路的接觸網是與速度直接相關的，關系更為密切，它必須滿足高速列車受流的要求，高速接觸網除具有常速下 電氣化鐵路接觸網的性能和特點外，還具有下列特點： 1由于高速鐵路安全性的要求，高速接觸網必須具有很高的安全性，這主要表現兩個方 面： 接觸網設備本身應具有很高的運行安全性和可靠性；主要設備

6、和零部件的使用材料應 選用強度高、耐腐蝕、電氣性能好的材料，在制造結構方面應做到設計合理，制造精良，以確保 設備和零件的使用壽命。 接觸網的設計和安裝的主要幾何參數應適應高速鐵路的運營要求，接觸網與運營安全 性直接相關的幾何參數有：拉出值、導線高度、定位器坡度、線岔位置、錨段關節(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，接觸導線的拉出值一般都小于常速電氣化鐵路接觸導線的拉出值。 如：高速鐵路接觸導線的拉出值均為200-300mm，其中，直線區(qū)段200m，曲線區(qū)段300mm。 (2)接觸導線高度：由于高速電氣化線

7、路上不運營超限貨物列車，高速接觸網的導線高度 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，最終結果 是增大了受電弓對接觸導線的抬升力，導致接觸導線的動態(tài)抬升量增大，接觸導線上下振動劇 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，高速接觸網定位器坡度較大或采用新型結構的定位器。 (4)線岔位置：由于導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的 直接交叉式線岔已不能適應高速的要求，高速接觸網的線岔一般采用無交叉線岔。 (5)錨段關節(jié)：由于高速接觸網張力的增大，另

8、外，工作支和非工作支過渡平滑的要求，高 速鐵路的接觸網將采用三跨或五跨錨段關節(jié)。 2高速接觸網應具有良好的受流性能。在接觸網方面，跨距間各點的彈性應保持一致。不 同溫度時，跨內各點接觸導線離鋼軌水平面的高度變化應較小，接觸網與弓網受流性能相關的參 數有：承力索和接觸導線的張力；吊弦間距；接觸導線預留弛度；跨距；結構高度；錨段長度。 涉及受流性能的接觸網參數： 接觸導線波動傳播速度C；接觸網靜態(tài)彈性和靜態(tài)彈性差異系數；反射系數；增強因數；多 普勒系數。 3，高速接觸網應采用狀態(tài)修，減少接觸網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)高速受電弓應具有的特點 受電弓和接觸

9、網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構，通過自身結構保持與接觸導線一定的壓力，在運行過程中，還受到空氣動態(tài)力的作用，使其在運動中的振動變得非常復雜。綜合世界各國的高速鐵路使用的受電弓，它具有如下特點： 1小的靜態(tài)抬升力； 2較小的當量歸算質量； 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)。當接觸網損壞受電弓滑板時，受電弓自動快速降弓。 二、接觸網一受電

10、弓系統(tǒng)的受流質量評價 接觸網一受電弓系統(tǒng)的受流質量與接觸網和受電弓的匹配性能有很大關系，單方面來評價接觸網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受流性能好，應當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，其受流性能也不可能好。在評價弓網受流質量方面，我國至今還沒有一個通行評價標準。參考國外的經驗和近幾年來我國提速和高速試驗的結果，評價弓網受流質量可以從以下幾個方面來考慮： 1弓網間動態(tài)接觸壓力 弓網間的動態(tài)接觸壓力直接反映了受電弓弓頭與接觸導線的接觸狀態(tài)，弓網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、向上的質量慣性力等因素決定。當接觸力過大時，會使弓網磨耗加劇，引起弓網位移增加，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，產生電弧。動態(tài)接觸力主要從接觸力的最大值、最小值及標準偏差這幾個方面來評價，在不同速度下上述幾個評價指標是不同的。 2接觸導線最大垂直振幅 接觸導線最大垂直振幅指受電弓滑板在一個跨距內的振動幅度，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受接觸網的安裝尺寸影響，2A越小，受電弓運動軌跡越平滑，受流質量越好。 3接觸導線的抬升量 接觸導線的抬升量指受電弓經過時，接觸導線的最大抬升量，用H表示。受流系統(tǒng)中，受電

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

13、離線時，必然伴隨著電弧，從而加大滑板和導線的電磨耗，引起電磁干擾；當發(fā)生大離線時，電弧也不能維持電流通路時，還造成機車失壓，需要重新啟動，對再生機車還會使再生顛覆。 評價弓網離線參數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運行時間內各次離線時間總和； T運行時間。我國高速線路的離線率應取5以下。 5硬點 評定高速列車運行時接觸導線對受電弓滑板的沖擊主要指標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，根據高速列車受電弓使用的滑板類型來確定硬點的評判標準。 6接觸網的靜態(tài)彈性差異系數

14、靜態(tài)彈性差異系數由下式計算：式中 Kmax-跨距內最大彈性； Kmin跨距內最小彈性。 評判標準：簡單鏈形懸掛不大于30； 彈性鏈形懸掛不大于10； 復鏈鏈形懸掛不大于10。 7接觸導線彎曲應力 彎曲應力的允許值為500微應變。 三、研究高速接觸網一受電弓受流性能的方法 (一)弓網受流性能的計算機動態(tài)模擬 根據弓網關系的受流理論，建立數學模型，使用計算機模擬計算接觸網一受電弓系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，實現弓網受流的計算機仿真。這種動態(tài)模擬計算可以實現以下幾個功能： 1改變系統(tǒng)的條件和參數，計算不同形式的接觸網和各種受電弓的相互匹配時的受流性能。 2在高速接觸網設計時，選擇和優(yōu)化弓網受流系統(tǒng)的參

15、數，給出定量化的指標，并給予預評價。 3指出弓網關系惡化的邊界條件(如：共振速度、最大接觸壓力、最大離線率、最大接觸導線抬升量等)。 4預報高速試驗時弓網受流試驗的試驗結果。 5模擬錨段關節(jié)、線岔、分相等部位的動態(tài)接觸過程。 (二)接觸網一受電弓系統(tǒng)受流性能的現場測試 為了準確研究高速接觸網一受電弓系統(tǒng)的受流性能，必須對實際的高速接觸網受電弓系統(tǒng)進行現場試驗，以取得準確可靠的試驗數據，對弓網系統(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行時，對接觸網的性能、受電弓的性能和弓網匹配性能進行測試。測試項目如下： 1接觸網的靜彈性測試(無機車運行時進行)； 2接觸網幾何參數的測量(包括：

16、導線高度、拉出值)；3接觸網性能的地面測試，測試項目包括：接觸導線關鍵部位的抬升量、接觸導線的彎曲應力等； 4接觸網硬點的測試； 5接觸導線動態(tài)振幅； 6受電弓的空氣動態(tài)力； 7受電弓離線的測試。 (三)弓網受流性能測試方法及其關鍵技術 弓網受流性能測試一般應結合高速列車的高速試驗進行，在高速電力機車受電弓上安裝相應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據處理系統(tǒng)進行數據采集和分析，獲得評價弓網受流性能的試驗數據。 弓網受流性能的測試，是在接觸網帶電和電力機車高速運行的條件下進行的，這給測量帶來了不少困難，主要有下列幾個方面： 電氣干擾。在弓網受流性能檢

17、測中，電力機車受電弓在接觸網下高速運行，電力機車頻繁操作開關引起的操作過電壓及受電弓離線引起的高頻干擾，有可能通過接觸網和空氣干擾測量設備，這方面的干擾非常嚴重。 機械振動。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。對弓網受流性能的測試系統(tǒng)必須滿足下列要求： (1)很強的抗干擾能力； ， (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； (5)對測量受電弓有監(jiān)控裝置； (6)有抗震措施。 弓網受流性能測試中，要做到測量系統(tǒng)可靠地運行，測量數據準確，必須解決下列幾個方面的關鍵技術： 1測量裝置及數據處理的抗干擾問題。所

18、有測量傳感器及測量裝置都是在強磁場和強電場下工作的，所以，所選測量傳感器必須具有很強的抗干擾能力；信號處理電路必須作特殊設計，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；數據處理系統(tǒng)的硬件和軟件設計要作抗干擾處理，防止測量中計算機系統(tǒng)的死機問題。 2測量信號的高低壓隔離和傳輸問題。弓網受流測量中，許多傳感器是安裝在機車受電弓上，屬于25 LV的高壓側，要將測量信號傳送至試驗車的低壓側，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O/E單元信號恢復單元 信號處理及放大單元：將傳感器的信號進行處理、整形、放