高速铁路受流性能测试方法及其关键技术(详细)

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：

①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;

②接触网的性能参数(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;

③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 );

④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：

①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.

②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5 300—5 500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,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：%100?=∑T

t S 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：

%100min

max min max ?+-=K K K K ε 式中 千米ax ——-跨距内最大 弹性;

千米in ——跨距内最小 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、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：

①电气干扰.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.

②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：将传感器的信号进行处理、整形、放大 ,变成标准的电压水平,并按传输系统的要求,使信号转化为易于传输的信号,如：频率调制信号,数据码信号.

E／O单元：将经过处理的测量信号转化为光信号.

隔离介质：一般有两种方式：光纤和空气.

O／E单元：将高压侧传过来的光信号变成电信号.

信号恢复单元：将高压侧的测量信号恢复,变成易于数据处理系统采集的模拟信号、脉冲信号或数字信号.

(2)绝缘器件隔离：对接触导线高度测量装置,设计一个机械传动机构,将受电弓主轴的转角变化变成低压侧角位移传感器的输出电压信号的变化,高低压侧用硅橡胶棒式绝缘子隔离.

(3)高压电容器隔离：离线测量装置采用此方案 ,低压侧的离线检测仪通过高压电容器向受电弓和接触网发送一恒流高频调制信号,通过测量回路中的电流变化,可以获得弓网离线状态.

3．测量信息的实时处理.在弓网受流性能的测试中,各种测量信息必须进行实时处理,因为弓网受流参数是以支柱号为横坐标来定位的 ,在测量中,必须时刻检查机车经过的支柱是否与计算机内存储的支柱号相对应,不一致时应立即修改,否则,所测数据是无效的 .测量中,每经过一个支柱,数据处理系统将所有测量信号进行采集计算和统计后,进行存盘、显示和打印,这样,在测量中可以实时监测弓网受流性能.

4．高压侧的电源问题.测量中,25kV侧的传感器和信号变换装置需要电源,解决这一问题的方法是：①在高压侧安装蓄电池;②使用绝缘变压器,变比为220V／220V,将低压侧的电能送至高压侧.