电气化铁路接触网关节式电分相的研究

电气化铁路接触网关节式电分相的研究摘要：本文针对电气化铁路两种较常应用的关节式电分相的特点、存在的问题和解决的方案进行研究。

关键词：电气化、电分相、锚段关节一、关节式电分相的结构特点1.七跨锚段关节式电分相结构分析七跨式绝缘锚断关节式电分相，它是由二个4跨绝缘锚段关节交叉组合而成，从头到尾共有七个跨距，故称七跨锚段关节式电分相。

其原理是利用2个四跨绝缘锚段关节的空气绝缘间隙来达到电分相的目的。

中性区正常情况下不带电（无机车通过时），但不允许接地，其对地仍按25kv电压等级要求绝缘。

一般考虑在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以疏导中性区的故障机车。

七跨锚段关节式电分相如图1、2所示。

图1 七跨锚段关节式电分相结构图图2 七跨锚段关节式电分相直线平面图当电力机车准备经过电分相时，机车主断路器打开，受电弓不降弓通过。

电力机车在电分相中性无电区范围内利用中性锚段来作工作支，使受电弓平稳的由一端正线锚段运行到另一端的正线锚段，该中性嵌入线从左侧的中1处变为工作支，到右侧中2处开始抬升，变为非工作支，可保证约有100～150m长的中性区。

机车乘务人员须按照设置的“断”、“合”、电力机车禁“停”标志断、合机车主断路器（如图3、4所示）。

为了保证电力机车正常通过绝缘锚段关节式电分相绝缘器，原则上要求单台受电弓升弓运行，确需多台受电弓同时升弓时，对受电弓间距离应做限制。

图3 下行方向行车标志的设置图 4 上行方向行车标志的设置2.八跨锚段关节式电分相结构分析八跨锚段关节式电分相的结构如图5所示。

图中Z表示直线区段；J表示绝缘锚段关节；ZJ为支柱装配形式。

图 5 八跨锚段关节式电分相的平面图不管是哪种型式，其结构都是利用2个绝缘锚段关节重合1跨或2跨，再增加1个分相锚段组成，即：分相锚段与既有接触网的2个下锚支组成2个绝缘锚段关节并重合2个锚段关节的1跨或2跨，在分相无电区工作范围内利用分相锚段作工作支，而分相锚段与既有锚段间采用相间空气绝缘的装配形式，从而达到分相的目的。

八跨锚段关节式电分相由2个五跨绝缘锚段关节重合2跨组成，它比其他2种多了分相中心柱，其余结构相同。

（1）线索关系八跨锚段关节式电分相的分相锚段及2个正线锚段线索的关系（如图6所示）。

图6 八跨锚段关节式电分相平面布置图八跨锚段关节式电分相的中性无电区约35m；在整个锚段关节内2支接触悬挂的水平间距均为500mm。

2支接触悬挂间空气绝缘间隙应450mm；为满足接触线工作坡度的变化率在正线关节转换区4‰的技术要求，也为了在中性无电区保持良好的弓网关系，在关节区内加设了1个分相锚段，使分相关节有1段中性无电区，无电区段分相锚段作工作支。

在转换柱g，E间和A，b间，分相锚段接触线与正线的接触线等高且比正线标准导高抬高约80mm，在进入过渡区前的转换柱b，g，a，h 处，分相锚段接触线做非工作支处理，采取逐段抬高方式，转换柱b，g处非工作支抬高150mm（若考虑200km时速，可抬高大于160mm），转换柱a～h处非工作支抬高500mm。

即：转换柱A～b，E～g跨非工作支抬高70mm，转换柱a～b、g～h跨抬高350mm。

使线索平滑抬高，便于关节悬挂调整，相邻的绝缘子串距分相中心（图6中D）约为10.5m，D处抬高支距分相锚段接触线抬高500mm。

（2）中性无电区与机车取流的双弓间距关系八跨及其他锚段关节式的中性无电区与电力机车双弓间的距离有关，（如图7所示），八跨锚段关节式电分相中性无电区为35m，该距离应大于单机机车取流的双弓间距，即当机车组2个受电弓之间有高压母线连接时，2个受电弓间的距离必须小于35m。

当机车组的2个受电弓无高压母线连接，2个受电弓间的距离，应小于35m或者大于2绝缘转换柱h，a的绝缘子内侧间的距离（约250m），该距离以及中性无电区的长度均与电分相结构和跨距大小有关。

图7 八跨电分相中性无电区与机车受电弓位置关系示意图通过电分相时，高压母线连通的机车组之间的不同机车禁止同时升弓，机车断合标及禁止双弓标位置（如图8所示）。

中性区正常情况下不带电（无机车通过时），但不允许接地，其对地仍按25kV 电压等级要求绝缘。

可考虑在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以疏导中性区的故障机车。

图8 电分相处断合标与禁止双弓标位置示意图二、关节式电分相在运营中存在问题的分析由于锚段关节式电分相（以下简称关节式电分相）由2个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大的问题，在我国新建电气化铁路及提速改造中被普遍采用。

第一，由于绝缘锚段关节有三跨、四跨和五跨3种型式，锚段关节跨距长度不同，2个关节的衔接布置也有多种方式，关节式电分相存在四跨、五跨、七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等多种型式，中性区距离也长短不一。

这些关节式电分相的共同特点是均由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成。

由于关节式电分相由2处空气绝缘间隙实现电气绝缘，即使是2个电气隔离的受电弓（如多机牵引、电力机车附挂、牵引机车后挂有接触网检测车、多弓运行的电动车组等情况）在受电弓间距不满足限制条件时都有可能造成相间短路。

实际运行中，这类故障已经多次发生。

第二，机车断电迟缓、送电太早或未断电通过分相时均能造成拉弧烧伤、烧断承力索造成事故。

关节式电分相线索烧损原因分析：电力机车在通过七跨锚段关节式电分相时，如果出现机车司机疏忽、麻痹大意，断电不及时、忘记断电或送电太早等原因，均可能造成受电弓拉弧烧伤电分相中性无电区内承力索、导线，严重者甚至烧断承力索。

关节式电分相线索烧损基本是由于中性段和带电导线间产生大电流电弧造成的高温烧损。

线索烧损部位大多集中在第一和第二起弧点跨内和交叉跨内，（如图9）。

其主要原因有以下几点：图9 七跨关节式电分相平面示意图1、电力机车在不断载情况下快速通过电分相时，因拉弧造成弧光相间短路烧损线索。

2、电力机车通过电分相时因过电压造成机车放电间隙击穿，短路电流在中性线和带电线间产生电弧烧损线索，这种故障发生的概率较大。

3、关节式电分相结构参数检调时，中心柱两侧线索及吊弦水平间距设置偏小，各支柱拉出值布置不合理，进行安装调整时通常比照四跨绝缘关节检调，水平间距一般控制在450mm左右，对各支柱拉出值的布置往往只关注于满足水平间隙要求，而忽略了结构稳定。

由于机车受电弓快速通过电分相时必将引起线索振动，吊弦在抬升力的作用下也会松弛鼓肚，这样线索整体摆动量加大，线索间、吊弦间、线索与吊弦间水平距离缩小，极易造成弧光过电压并可能成为电弧长燃的维持通道，进而烧损线索、吊弦。

第三，理论和运行经验都表明，受空气动力的影响，机车在高速运动过程中降、升受电弓对接触网的安全运行非常不利，运行中应尽量避免。

对于高速运行的电动车组，这个问题尤为突出。

三、针对关节式电分相存在问题的改进1、为防止列车停在锚段关节式电分相中性无电区内，确保列车正常运行，在改造电分相时，电分相尽量设置在没有坡道或坡道较小的线路上，同时不能距原分相位置太远；必须设在坡道上时，要考虑电分相所处位置的线路坡度、列车速度和惰性距离的关系；必要时在列车进入电分相的前方300m处，设置列车断电利用惯性通过电分相的最低速度标志。

2、电分相改造时要注意其位置与信号机的距离，不能设在信号机前方太近的地方。

当电分相设在相当于车站的疏解区内时，尤其要注意。

3、为防止电力机车通过七跨锚段关节式电分相时烧伤、烧断电分相中性无电区内承力索，保证供电设备安全，在机车上设置自动断电装置；当电力机车运行至电分相标志牌“T断”牌所在里程时，机车自动断电通过电分相，通过电分相后，合上机车开关继续运行。

4、在改造七跨锚段关节式电分相时适当增大七跨锚段关节式电分相内接触网的结构高度，同时在电分相范围内的承力索上缠绕绝缘热缩带。

防止关节式电分相线索烧损应从以下几个方面采取防范措施：1、根据电力机车运用区段的不同，合理修正车顶放电间隙的距离。

2、完善机车监控仪的功能。

将机车主断路器操作开关分合位置信号接入监控仪进行监控，这可有效地减少司乘人员因不断载过分相造成接触网跳闸及关节分相线索烧损故障的发生。

3、优化关节式电分相各部结构及参数的检调。

对于多次发生上述故障的电分相，必须认真检查各部支柱拉出值布置是否合理，定位器的状态如何。

起弧跨和交叉跨应避免重合，若改动困难，可采取在交叉点处承力索（一侧）上加装绝缘护套，防止烧损承力索。

吊弦布置应尽量采取不对应布置，即相互间错位并有一定的间隔距离，减少燃弧通道。

4、重视关节式电分相绝缘距离的检调。

从现场运行看，有2个环节是至关重要的：一是中心柱线索与相邻水平腕臂、定位管、定位器的最小距离（即绝缘距离）应保证500mm，不能达到的可临时采取在腕臂、定位管上加装绝缘护套来满足绝缘要求；二是相邻线索的水平距离必须保证在500mm以上，这样可以防止机车通过电分相时引起线索、吊弦摆动缩短彼此绝缘距离，为燃弧提供通道，造成息弧困难。

5、加强“2个坡度”的检调，即导线坡度和定位器坡度的调整。

关节处导线坡度应不大于1‰且应以连续坡度设置为宜，相邻点高度差应控制在20～40mm。

定位器坡度的调整也是关节式电分相检调的重点之一，定位器坡度偏小极易形成硬点。

6、使用可调式绝缘吊弦。

由于关节式电分相不具备越区供电的能力，只需考虑机车掉坑后的应急供电，一般电流在500A以下，因此可以将载流整体吊弦更换为绝缘吊弦，减少燃弧通道。

为保证电气回路的畅通和电分相末端电压，可在电分相进、出口处分别加装一组横向电连接。

综上所述，造成关节式电分相线索烧损的主要原因是机车不断载过电分相和过电压致使机车放电间隙击穿造成的电弧烧损。

对于前者，应加快关节式电分相配套设施的建设，即地面感应式机车自动断载装置的安装使用；对于后者，由于过电压发生的概率较大，随机性较强，且目前还缺乏对过电压的有效抑制手段，因此必须从关节式电分相的结构优化和参数检调入手。

只有多种措施并用，才能有效防范线索烧损故障的发生，提高关节式电分相的安全运行性能。