高速铁路受流性能测试方法及其关键技术

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、弓网受受流系统统必须符符合的基基本条件件电电气化铁铁路发展展100多年来来，接触触网一受受电弓系系统在外外观的硬硬件上没没有太大大的变化化，但是是，随着着列车速速度的提提高和新新技术的的采用，受受流系统统的电流流容量、适适用速度度、安全全性能有有了相当当大的提提高，高高速铁路路的受流流系统必必须符合合的基本本条件如如下：（1）．保保证功率率传输的的可靠性性在在高速列列车运行行的全部部接触网网区段，必必须保证证电力机机车所需需要的最最低电压压；在高高速铁路路所有可可能的运运营条件件下，接接触网一一受电弓弓系统的的电流负负荷能力力必须保保证高速速列车的的可靠运运行。高高速列车车的电流流负荷特特性较之之常规电电力机车车有较大大的区别别，其特特征是脉脉冲负荷荷占的比比例大，电电流大，持持续时间间短，由由于列车车速度快快，起动动和加速速获得电电流很大大，在弓弓网高速速相对运运动中，整整个牵引引供电系系统均要要适应高高速列车车对电压压水平和和电流负负荷的要要求。（2）．受受流系统统的运行行安全性性受受流系统统的安全全运行是是高速铁铁路正常常运营的的保证。高高速受流流系统的的安全性性主要从从下面几几个方面面建立：：①接触网的的几何参参数(拉出值值、导线线高度、定定位器坡坡度)保证受受电弓滑滑板沿接接触网安安全地滑滑动；②接触网的的性能参参数(硬点、弹弹性、分分相绝缘缘器、分分段绝缘缘器和线线岔结构构的平滑滑性)不损坏坏受电弓弓的滑板板乃至弓弓头；③受电弓的的自身性性能(受电弓弓滑板的的抗冲击击性、耐耐磨性、横横向刚度度)；④接触网一一受电弓弓的匹配配性能(离线、接接触导线线抬升量量、接触触导线的的弯曲应应力)。受流流系统的的安全性性能涉及及的方面面很多，它它是接触触网设计计、施工工、运营营维护首首先要考考虑的因因素。（3）．良良好的受受流质量量受受流系统统的理想想运行状状态是弓弓网可靠靠接触，机机车不间间断地从从接触网网上获得得电能。运运行状态态的性能能参数为为：无离离线、无无火花。实实际线路路中，离离线率要要尽量小小，系统统具有动动态稳定定性。（4）．保保证受流流系统的的使用寿寿命受受流系统统中，涉涉及使用用寿命的的两个主主要因素素是，接接触导线线的使用用寿命和和受电弓弓滑板的的使用寿寿命。其其寿命取取决于它它们之间间的磨耗耗，磨耗耗量在一一定速度度和传递递功率条条件下，主主要取决决于弓网网接触力力的大小小，保持持接触力力均匀，即即控制接接触力的的标准偏偏差以减减少接触触导线的的局部磨磨耗。接接触导线线和受电电弓滑板板在材质质上应具具有一定定的耐磨磨性能，另另外，接接触导线线应具有有抗电化化学腐蚀蚀性能。55．减少少对周围围环境的的影响受受流过程程中，产产生的电电弧会产产生电磁磁干扰和和噪音，应应采取措措施减少少对周围围环境的的影响。22、高速速接触网网的特点点高高速列车车是靠受受电弓与与接触导导线的滑滑动接触触来获取取电能的的，所以以，高速速铁路的的接触网网是与速速度直接接相关的的，关系系更为密密切，它它必须满满足高速速列车受受流的要要求，高高速接触触网除具具有常速速下电气化化铁路接接触网的的性能和和特点外外，还具具有下列列特点：：11．由于于高速铁铁路安全全性的要要求，高高速接触触网必须须具有很很高的安安全性，这这主要表表现两个个方面：①接触网设设备本身身应具有有很高的的运行安安全性和和可靠性性；主要要设备和和零部件件的使用用材料应应选用强强度高、耐耐腐蚀、电电气性能能好的材材料，在在制造结结构方面面应做到到设计合合理，制制造精良良，以确确保设备和和零件的的使用寿寿命。②接触网的的设计和和安装的的主要几几何参数数应适应应高速铁铁路的运运营要求求，接触触网与运运营安全全性直接接相关的的几何参参数有：：拉出值值、导线线高度、定定位器坡坡度、线线岔位置置、锚段段关节。下下面分别别介绍：((1)拉出值值：高速速铁路中中，由于于列车速速度的提提高，机机车车体体和受电电弓的横横向摆动动量的增增大及受电电弓滑板板宽度的的缩小，接接触导线线的拉出出值一般般都小于于常速电电气化铁铁路接触触导线的的拉出值值。如：高高速铁路路接触导导线的拉拉出值均均为2000-3000mmm，其中中，直线线区段2200mm，曲线线区段3300mmm。((2)接触导导线高度度：由于于高速电电气化线线路上不不运营超超限货物物列车，高高速接触触网的导导线高度度低，在在53300—55000mmm之间。((3)定位器器坡度：：高速行行驶时，受受电弓弓弓头和上上下部框框架受空空气动态态力的影影响，最最终结果果是增大大了受电电弓对接接触导线线的抬升升力，导导致接触触导线的的动态抬抬升量增增大，接接触导线线上下振振动剧烈，定定位器抬抬升量增增大，如如果定位位器坡度度不足，定定位器根根部或支支持器将将撞击受受电弓滑滑板，危危及行车安全全，因此此，高速速接触网网定位器器坡度较较大或采采用新型型结构的的定位器器。((4)线岔位位置：由由于导线线抬升量量的增大大和提高高受流性性能的要要求，常常速电气气化铁路路接触网网的直接交交叉式线线岔已不不能适应应高速的的要求，高高速接触触网的线线岔一般般采用无无交叉线线岔。((5)锚段关关节：由由于高速速接触网网张力的的增大，另另外，工工作支和和非工作作支过渡渡平滑的的要求，高高速铁路路的接触触网将采采用三跨跨或五跨跨锚段关关节。22．高速速接触网网应具有有良好的的受流性性能。在在接触网网方面，跨跨距间各各点的弹弹性应保保持一致致。不同温度度时，跨跨内各点点接触导导线离钢钢轨水平平面的高高度变化化应较小小，接触触网与弓弓网受流流性能相相关的参参数有：：承力索索和接触触导线的的张力；；吊弦间间距；接接触导线线预留弛弛度；跨跨距；结结构高度度；锚段段长度。涉涉及受流流性能的的接触网网参数：：接接触导线线波动传传播速度度C；接触触网静态态弹性和和静态弹弹性差异异系数；；反射系系数；增增强因数数；多普勒系系数。33，高速速接触网网应采用用状态修修，减少少接触网网维修给给高速铁铁路带来来的干扰扰。44．具有有较高的的可靠性性和较长长的使用用寿命((三)高速受受电弓应应具有的的特点受受电弓和和接触网网是一对对相互作作用的振振动系统统和摩擦擦耦件，要要获得良良好的受受流性能能，除了了接触网网具有良良好的性性能外，还还必须有有受流性性能好的的受电弓弓来匹配配。受电电弓作为为一个弹弹性机构构，通过过自身结结构保持持与接触触导线一一定的压压力，在在运行过过程中，还还受到空空气动态态力的作作用，使使其在运运动中的的振动变变得非常常复杂。综综合世界界各国的的高速铁铁路使用用的受电电弓，它它具有如如下特点点：11．小的的静态抬抬升力；；22．较小小的当量量归算质质量；33．良好好的跟随随特性；；4．大的横横向刚度度；5．具有良良好的气气动力模模型和气气流调整整装置，以以改善受受电弓的的气动力力稳定性性，保证证弓头位位置稳定定；66．与接接触导线线摩擦性性能相匹匹配的滑滑板材料料；77．具有有紧急降降弓控制制系统。当当接触网网损坏受受电弓滑滑板时，受受电弓自自动快速速降弓。二二、接触触网一受受电弓系系统的受受流质量量评价．．接接触网一一受电弓弓系统的的受流质质量与接接触网和和受电弓弓的匹配配性能有有很大关关系，单单方面来来评价接接触网的的受流性性能或受受电弓的的性能都都是不全全面的，在在某种程程度上是是没有意意义的。我我们说一一种形式式的接触触网受流流性能好好，应当当说明与与何种受受电弓匹匹配时才才有意义义。如果果用一种种性能差差的受电电弓来匹匹配，再再好的接接触网，其其受流性性能也不不可能好好。在评评价弓网网受流质质量方面面，我国国至今还还没有一一个通行行评价标标准。参参考国外外的经验验和近几几年来我我国提速速和高速速试验的的结果，评评价弓网网受流质质量可以以从以下下几个方方面来考考虑：11．弓网网间动态态接触压压力弓弓网间的的动态接接触压力力直接反反映了受受电弓弓弓头与接接触导线线的接触触状态，弓弓网间接接触力的的大小受受受电弓弓的静态态抬升力力、空气气动力以以及垂直直方向上上的质量量惯性力力等因素素决定。当当接触力力过大时时，会使使弓网磨磨耗加剧剧，引起起弓网位位移增加加，另外外，在定定位器和和线岔处处可能造造成受电电弓损坏坏；接触触力过小小，会造造成离线线，产生生电弧。动动态接触触力主要要从接触触力的最最大值、最最小值及及标准偏偏差这几几个方面面来评价价，在不不同速度度下上述述几个评评价指标标是不同同的。22．接触触导线最最大垂直直振幅接接触导线线最大垂垂直振幅幅指受电电弓滑板板在一个个跨距内内的振动动幅度，即即上下振振动的范范围，一一般用2倍振幅幅2A来表表示。它它反映了了受电弓弓弓头垂垂直方向向的振动动情况，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。33．接触触导线的的抬升量量接接触导线线的抬升升量指受受电弓经经过时，接接触导线线的最大大抬升量量，用△△H表示。受受流系统统中，受受电弓和和接触导导线的运运动振幅幅越小，受受流质量量越好，一一个好的的受流系系统，受受电弓的的振幅应应均匀。运动振幅幅过大，可可能引起起下列问问题：((1)引起接接触网振振动加剧剧，影响响弓网的的跟随性性，造成成离线率率增加；；((2)定位器器处接触触导线抬抬升量过过大，会会使受电电弓弓头头撞击定定位器的的尾部，造造成弓网网事故；；((3)使接触触导线所所受的弯弯曲应力力增大，对对接触导导线的疲疲劳寿命命有影响响。根根据我国国提速和和高速试试验的数数据，接接触导线线的最大大垂直振振幅(一跨内)为1500mm；；接触导导线的动动态抬升升量在速速度小于于1600km／／h时为1000mmm，大于于1600km／／h时为1550mmm。44．离线线高高速列车车运行时时，当受受电弓与与接触导导线失去去接触就就发生了了离线。由由于高速速列车运运行中，受受电弓的的取流很很大，弓弓网离线线时，必必然伴随随着电弧弧，从而而加大滑滑板和导导线的电电磨耗，引引起电磁磁干扰；；当发生生大离线线时，电电弧也不不能维持持电流通通路时，还还造成机机车失压压，需要要重新启启动，对对再生机机车还会会使再生生颠覆。评价弓弓网离线线参数主主要从下下列两方方面来做做：((1)每一次次离线的的最大离离线时间间：小于于1000ms；(2)离线线率：式中SS——离线率率；∑t——运运行时间间内各次次离线时时间总和和；T——运行时时间。我国高速线线路的离离线率应应取5％以下下。55．硬点点评评定高速速列车运运行时接接触导线线对受电电弓滑板板的冲击击主要指指标是受受电弓滑滑板受到到的垂直直方向和线路方方向上加加速度的的最大值值。受受电弓滑滑板所受受到的纵纵向和垂垂直加速速度，根根据高速速列车受受电弓使使用的滑滑板类型型来确定定硬点的评判标标准。66．接触触网的静静态弹性性差异系系数静静态弹性性差异系系数由下下式计算算：式中KKmaxx——-跨距内内最大弹弹性；Kmmin——跨距内内最小弹弹性。评评判标准准：简单单链形悬悬挂不大大于30％；弹性链链形悬挂挂不大于于10％；复链链链形悬挂挂不大于于10％。77．接触触导线弯弯曲应力力弯弯曲应力力的允许许值为500微应变变。三三、研究究高速接接触网一一受电弓弓受流性性能的方方法((一)弓网受受流性能能的计算算机动态态模拟根根据弓网网关系的的受流理理论，建建立数学学模型，使使用计算算机模拟拟计算接接触网一一受电弓弓系统的的静态性性能和动动态性能能，实现现弓网受受流的计计算机仿仿真。这这种动态态模拟计计算可以以实现以以下几个个功能：：11．改变变系统的的条件和和参数，计计算不同同形式的的接触网网和各种种受电弓弓的相互互匹配时时的受流流性能。22．在高高速接触触网设计计时，选选择和优优化弓网网受流系系统的参参数，给给出定量量化的指指标，并并给予预预评价。33．指出出弓网关关系恶化化的边界界条件(如：共共振速度度、最大大接触压压力、最最大离线线率、最最大接触触导线抬抬升量等等)。44．预报报高速试试验时弓弓网受流流试验的的试验结结果。55．模拟拟锚段关关节、线线岔、分分相等部部位的动动态接触触过程。(二))接触网网一受电电弓系统统受流性性能的现现场测试试为为了准确确研究高高速接触触网一受受电弓系系统的受受流性能能，必须须对实际际的高速速接触网网——受电弓弓系统进进行现场场试验，以以取得准准确可靠靠的试验验数据，对对弓网系系统的受受流性能能作出评评价。试试验方法法是高速速列车以以不同的的速度运运行时，对对接触网网的性能能、受电电弓的性性能和弓弓网匹配配性能进进行测试试。测试试项目如如下：11．接触触网的静静弹性测测试(无机车车运行时时进行)；22．接触触网几何何参数的的测量(包括：：导线高高度、拉拉出值)；3．接触网网性能的的地面测测试，测测试项目目包括：：接触导导线关键键部位的的抬升量量、接触触导线的的弯曲应应力等；；44．接触触网硬点点的测试试；55．接触触导线动动态振幅幅；66．受电电弓的空空气动态态力；77．受电电弓离线线的测试试。(三))弓网受受流性能能测试方方法及其其关键技技术弓弓网受流流性能测测试一般般应结合合高速列列车的高高速试验验进行，在在高速电电力机车车受电弓弓上安装装相应的的测量装装置和传传感器，通通过必要要的信号号高低压压隔离及及传输系系统将测测试信号号传至试试验车的的数据处处理系统统进行数数据采集集和分析析，获得得评价弓弓网受流流性能的的试验数数据。弓弓网受流流性能的的测试，是是在接触触网带电电和电力力机车高高速运行行的条件件下进行行的，这这给测量量带来了了不少困困难，主主要有下下列几个个方面：：①电气干扰扰。在弓弓网受流流性能检检测中，电电力机车车受电弓弓在接触触网下高高速运行行，电力力机车频频繁操作作开关引引起的操操作过电电压及受受电弓离离线引起起的高频频干扰，有有可能通通过接触触网和空空气干扰扰测量设设备，这这方面的的干扰非非常严重重。②机械振动动。有受受电弓的的振动和和车体的的振动，这这些振动动常常造造成传感感器损坏坏，仪器器插板接接触不良良，从而而造成检检测故障障。对弓弓网受流流性能的的测试系系统必须须满足下下列要求求：((1)很强的的抗干扰扰能力；；，((2)较高的的可靠性性；((3)较高的的测量精精度；((4)能实时时处理各各种测量量参数；；((5)对测量量受电弓弓有监控控装置；；((6)有抗震震措施。弓弓网受流流性能测测试中，要要做到测测量系统统可靠地地运行，测测量数据据准确，必必须解决决下列几几个方面面的关键键技术：：11．测量量装置及及数据处处理的抗抗干扰问问题。所所有测量量传感器器及测量量装置都都是在强强磁场和和强电场场下工作作的，所所以，所所选测量量传感器器必须具具有很强强的抗干干扰能力力；信号号处理电电路必须须作特殊殊设计，充充分考虑虑电路的的抗干扰扰能力；；测量装装置及信信号传输输线要有有很好的的屏蔽性性能；数数据处理理系统的的硬件和和软件设设计要作作抗干扰扰处理，防防止测量量中计算算机系统统的死机机问题。22．测量量信号的的高低压压隔离和和传输问问题。弓弓网受流流测量中中，许多多传感器器是安装装在机车车受电弓弓上，属属于25LV的高压压侧，要要将测量量信号传传送至试试验车的的低压侧侧，必须须解决测测量装置置的高低低压隔离离问题和和信号的的传输问问题，解解决这一一问题有有三个途途径：((1)测量信信号的光光电隔离离：如弓弓网接触触压力、冲冲击加速速度、拉拉出值、支支柱信号号等项目目的测量量需使用用光电隔隔离装置置。装置置的系统统表示如如下：元介质信信号处理理及放大大单元：：将传感感器的信信号进行行处理、整整形、放放大，变