弓网系统及其机电特性

弓网系统及其机电特性弓网系统的作用接触网是受电弓的滑道经济性：省钱接触点是弓网联系的纽带、电能传输的瓶颈。接触网是输电线路技术性：省事2弓网系统的核心问题接触点（纽带）固定设备移动设备机械作用电气作用电能传输！两个振动子系统小接触面传输大电流摩擦磨损（接触力与抬升）（接触电阻与燃弧）（机械摩擦与电气磨损）运行可靠性接触质量运行寿命材料匹配3弓网系统的分类受电弓受电弓取流靴弓网系统集电系统4弓网系统的分类5弓网系统的基础理论6高速弓网系统的代表-日本新干线初期使用多弓取流，弓网振动剧烈、噪声大、摩擦磨损显著；1500mmMax:50m后期单弓或双弓取流，弓网减振、降噪，使用耐磨接触线等。电流制为单相AC25kV、50或60Hz弓头长度1880mmPS200A复链形悬挂7高速弓网系统的代表-日本新干线优化后的受电弓，烧结合金材料滑板；轻型新干线的接触网为小跨距、小结构高度、简单链形悬挂，不设中心锚结，采用整体滑动不载流吊弦、钢结构支持装置。T型V型简单链形悬挂8高速弓网系统的代表-法国交流铁路电流制：AC25kV、50Hz标称跨距：63m东南高铁地中海高铁大西洋高铁弓头长度1450mm从弹链到简链ADMECX9高速弓网系统的代表-德国铁路Re200mod14m承力索BzII5010kN弹性吊索BzII252.3kN80m接触线AC100CuAg13kN吊弦BzII101.80m14m从Re200基础上发展起来适用于230km/h以内的速度Re250全新的开发，首次应用铝合金件行驶速度可达280km/h5m承力索BzII7015kN弹性吊索BzII352.8kN65m1.80m18m吊弦BzII10接触线AC120CuAg15kNRe330从Re250基础上发展起来。一架受电弓的行驶速度可达350km/h65m5m1.80m18m接触线AC120CuMg27kN承力索BzII12021kN弹性吊索BzII353.5kN吊弦BzII10弓头长度1950mm；滑板材料为纯碳大轮廓弓头的受电弓与大跨距的接触网相匹配，为降低接触网跨中弹性和一跨内弹性不均匀度，支持点安装弹性吊索。供电系统为AC15kV、（50/3）HzDSA350SEK10中国高铁弓网网系统电流制为单相相AC25kV、50Hz，弓头长度为为1950mm（与德国铁路路受电弓相同同）。广深高铁石太高铁京津城际京沪高铁SSS400+DSA380CX特点：接触网网跨距约为50m；接触线以150mm2截面为主；接接触线张力较较大。11弓网关系技术术范畴（1）几何特性（3）材料接口接触线不能离离开受电弓与与弓头的工作作范围接触线和滑板板的磨耗、接接触点的最大大允许电流很很大程度上取取决于接触线线和滑板的材材料（4）接触点集流流量（2）动态相互作作用接触点不能出出现过热弓网是两个振振动子系统，，取决于受电电弓与接触网网的特性以及及运行环境12弓网关系技术术范畴（1）几何特性（3）材料接口横向参数垂向参数接触线材料（（铜或铜合金金）滑板材料（金金属、浸金属属碳、碳）（4）接触点集流流量（2）动态相互作作用接触线相对弓弓头中心的偏偏移接触线高度与与坡度接触点温度弓网接触力（（或燃弧）、、定位点抬升升受电弓数量和和间距磨耗多弓与中性区区长度13构建一个新的的弓网系统弓网关系技术规范弓网系统设计计接触网施工设设计动态验收静态验收施工（测量、、预配、安装装、调整）用户需求几何特性材料组合集流量动态性能运营管理14弓网系统-几何特性弓网相互作用用的基本要求求垂向：接触线不离开开受电弓的工工作范围横向：至少有一支接接触线在弓头头的工作范围围内15弓网系统-几何特性LPupp受电弓的上部工作位置高度LPlow受电弓的下部工作位置高度WR受电弓的工作范围KE/KLG动态包络线SE伸展包络高度EC电气间隙HCWmin接触线高度最小值HCWmax接触线高度最大值HCWd,min接触线高度最小设计值HCWd,max接触线高度最大设计值HCWnom标称接触线高度DA1超过最小接触线高度的设计偏差a1

轨道的垂直误差a2

接触线向下的安装误差a3

接触线向下的动态位移a4

导体温度和冰负载的影响DA2低于最大接触线高度的设计偏差a5

轨道的垂直误差a6

接触线的动态位移a7

接触线向上的安装误差a8

由于磨耗和温度变化导致接触线向上的抬升受电弓上、下下工作位置之间的范围为为工作范围16弓网系统-几何特性标称接触线高高度——正常条件下，，定位点处接接触线高度的的标称值最小接触线高高度——所有情况下，，为避免燃弧弧，一跨内接接触线高度的的最小值接触线高度最最大设计——包括误差和抬抬升，要求弓弓头达到的理理论接触线高高度接触线高度最最小设计——包括误差，能能实现最小高高度的理论接接触线高度接触线高度——两钢轨顶面到到接触线底面面的垂直距离离接触线的高度度范围17弓网系统-几何特性高速接触网需需要严格控制制接触线高度度定位点1定位点2定位点3定位点4-30-20-10102030导高=5300mm18弓网系统-几何特性19弓网系统-几何特性受电弓的弓弓头形状20弓网系统-几何特性弓网之间几几何作用的的特征值（（横向）21弓网系统-几何特性不同线路曲曲线半径的的跨距和拉拉出值高速情况下下，弹性及及其不均匀匀系数成为为决定性因因素22弓网系统-几何特性接触线在滑滑板上的往往复运动范范围应尽可可能大23弓网系统-几何特性接触线在滑滑板上的往往复运动范范围应尽可可能大24弓网系统-几何特性定位器状态态定位器角度度：其中：；2d25弓网系统-几何特性支持装置的的种类26弓网系统-几何特性道岔上方的的接触网（（无交叉线线岔）27弓网系统-几何特性受电弓的动动态包络线线S0—最大抬升，，取100mmCWH—标称接触线线高度，取取5300mm28弓网系统-几何特性受电弓间距距和中性段段长度29弓网系统-动态相互作作用特性弓网系统的的振动用时间的周周期函数描描述的物理理量，称为为振动力学系统能能维持振动，必须具有有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离离其平衡位位置时产生生回复力，，促使系统统返回原来来位置；由由于惯性，系统在返返回平衡位位置的过程程中积累了了动能，使系统越越过平衡位位置向另一一侧运动。。由于弹性和惯性的相互影响响，才造成成系统的振动描述振动的的量：位移、速度度、加速度度等弓网系统的的振动为随机振动——只能用数理理统计的方方法加以研研究30弓网系统-动态相互作作用特性与接触网弹弹性有关的的因素√接触网的跨中弹性（单位垂直直作用力引引起的接触触线抬升)与跨距成正正比，与接接触线和承承力索的张张力之和成成反比弹性沿跨距距的一致性性用接触网网的弹性不不均匀系数数表示√弹性及弹性性不均匀系系数与接触线截面面、线索张力、接触网跨距、结构高度、预弛度及有无弹性吊索有关，与接接触网施工精度有关31弓网系统-动态相互作作用特性接触网的弹弹性弹性曲线平均弹性弹性=抬升量/抬升力平均弹性弹性不均匀匀系数相对弹性32弓网系统-动态相互作作用特性弹性和弹性性不均匀系系数emax（mm/N）emin（mm/N）μ（%）京津城际0.29670.131938武广高速0.30040.243410郑西高速0.30490.24731033弓网系统-动态相互作作用特性接触网的振振动接触网包括括接触线、、承力索、、吊弦、定定位器以及及其他零件件，既有均均布质量，，又有集中中质量，是是一个非常常复杂的振振动系统34弓网系统-动态相互作作用特性波动传播波动传播速速度Cp——在某一点用用一个力对对接触线加加振后将力力消除，该该点接触线线振动经过过S秒后传到L，则Cp=L/S波动传播速速度——振动沿接触触网锚段传传播的速度度Tj–接触线的张张力Nmj–接触线的质质量常数kg/m35弓网系统-动态相互作作用特性波动传播与与反射r——反射系数α——多普勒系数数放大系数r/α——反应接触网网振动波幅幅度增强或或减弱的系系数m=1kg,V=160km/h,Cp=382km/h36弓网系统-动态相互作作用特性波动传播与与反射多普勒系数数α——反应受电弓弓运行速度度与波动传传播速度之之间的关系系反射系数r——指接触网的的振动波在在吊弦、线线夹等非均均质点被反反射，是接接触网的质质量特性Cp——波动传播速速度v——受电弓运行行速度mc、Tc——承力索的线线密度和张张力mj、Tj——接触线的线线密度和张张力37弓网系统-动态相互作作用特性参数京津城际武广高速郑西高速波动传播速度（km/h）568.7536.7523.1无量纲系数β0.6150.6530.669多普勒系数α0.2370.2100.198反射系数r0.4670.4260.444放大系数γ1.9702.0292.242限定速度va（km/h）206.6216.0201.4固有频率f1/f2（Hz）1.50/1.361.51/1.371.52/1.38接触网的动动态特性参参数（vmax=350km/h）38弓网系统-动态相互作作用特性两自由度模模型受电弓的动动力学模型型39弓网系统-动态相互作作用特性当受电弓与与接触网接接触并高速速运行时，，受电弓弹弹簧系统的的振动、车车体的振动动以及风力力等因素均均参与作用用，受电弓弓弓头在上上下、左右右、前后三三个方向产产生运动接触力将弓弓与网联系系在一起弓网系统的的振动40弓网系统-动态相互作作用特性随着速度的的增加，动动态部件对对弓网接触触力的影响响越来越大大，为了保保持受电弓弓滑板沿着着接触线并并不间断地地与接触线线接触，接接触力必须须保持在一一定范围，，即动态范围弓网接触力力-受电弓垂直直作用在接接触网上的的力41弓网系统-动态相互作作用特性EN50119关于弓网接接触力的范范围电流制式列车速度(km/h)接触力(N)AC≤200300＞0AC＞200350＞0DC≤200300＞0DC＞200400＞0Fmax≥≥Fm＋3s，Fm－3s＞0，将F=0称为弓网离离线42弓网系统-动态相互作作用特性弓网动态仿仿真高速接触网网的设计不不可能采用用早期传统统的设计方方法，因为为在高速情情况下，过去的经验验不适用。随着运行行速度的提提高，弓网网动态相互互作用变得得越来越重重要，只有有考虑到包包括受电弓弓和接触网网在内的各各类配套的的系统设备备，才能获获得一个切切实有用的的弓网系统统设计方案案。计算机机仿真是模模拟这些部部件动态相相互作用的的有效选择择。弓网动态相相互作用仿仿真的目的的是要确定定受电弓作作用在接触触线上的移移动接触力与时间相关关的特性，，以及和接触线抬升升的相互关系系。43弓网系统-动态相互作作用特性Re200系统v=220km/h单受电弓（（DSA250）计算机仿真真结果接触力抬升弓网动态仿仿真44弓网系统-动态相互作作用特性弓网接触力力、受电弓通通过定位点点时的接触触线抬升等等弓网动态态相互作用用性能参数数的实测数数据既可用用于弓网系系统运行可可靠性和运运行质量的的评估，也也可用于弓弓网动态仿仿真系统和和其他测量量系统的确确认，还可可用于弓网网系统的故故障诊断。。弓网接触力力、定位点抬升升的测量均应应符合规定定的要求，，且能够得得到相应的的确认，只只有这样，，这些参数数的测量结结果才能令令人信服。。弓网动态测测量45弓网系统-动态相互作作用特性弓网动态特特性实测数数据46弓网系统-动态相互作作用特性弓网动态特特性数据统统计动态接触力力的频数分分布应符合合正态分布布Fm：接触力平平均值s：接触力标标准偏差47弓网系统-动态相互作作用特性动态接触力力与速度的的关系48弓网系统-动态相互作作用特性定位点的抬抬升静止前弓后弓悬挂方式：：JTMH120+CTMH150张力组合：：20kN+40kN结构高度：：1600mm49弓网系统-动态相互作作用特性弓网动态性性能计算机机仿真（SSS400+型受电弓））正常几何参数实测几何参数（弛度：-20mm）前弓后弓前弓后弓Fm=176.6Ns=26.6NFm+3s=256.5NFm-3s=96.7NFmax=271.6NFmin=71.1N0.3Fm-s=26.4NFm=177.5Ns=42.0NFm+3s=303.5NFm-3s=51.5NFmax=285.2NFmin=18.3N0.3Fm-s=11.2NFm=176.9Ns=37.2NFm+3s=288.4NFm-3s=65.5NFmax=270.3NFmin=56.3N0.3Fm-s=15.9NFm=176.9Ns=42.0NFm+3s=303.0NFm-3s=50.9NFmax=362.7NFmin=19.0N0.3Fm-s=11.1N静态几何参参数偏差导导致前弓接接触力标准准偏差增长长50%。几何参数与与接触力的的因果关系系50弓网系统-动态相互作作用特性接触网零部部件受损零部件的承承载能力无无法与系统统的动态性性能相匹配配51弓网系统-动态相互作作用特性受电弓受损损零部件的承承载能力无无法与系统统的动态性性能相匹配配52弓网系统-材料接口滑板和接触触线的材料料组合接触线和滑滑板的磨耗耗接触点的最最大允许电电流主要取决于于材料组合合53弓网系统-材料接口受电弓的滑滑板材料54弓网系统-材料接口接触线√浇铸——轧制过程将将铜或铜合合金杆材拉拉制而成√连续通过数数个圆形模模具——沟槽式模具具——修整模具，，将导线冷冷拔成最终终的尺寸和和外形√将几乎是圆圆形的材料料微结构拉拉拔成长形形，最后排排列为与导导线拉伸方方向一致的的纤维状结结构√晶状体结构构的不均匀匀性增加了了剪切抗力力并使材料料硬化。铜铜经受数个个冷拔过程程，变形抗抗力增加，，但导电性性和可塑性性降低55弓网系统-材料接口接触线的生生产槽2串联轮轴电解铜保温炉熔解炉槽1LNG燃烧器铸造机大线盘冷却还原线铜粗料杆接触线材料卷线线机卷线直径：18.5～30.0mm高温压延成型机机56弓网系统-材料接口接触线的生产拉丝模示意图绕线盘拉丝(带槽模具)拉丝(圆形模具)剥皮开槽辊材料供应机(托盘或电缆盘)精加工模材料拉丝机本体成品盘57弓网系统-材料接口接触线的生产58弓网系统-材料接口接触线的材料类型导电率（IACS）抗拉强度N/mm2Cu97%360CuAg(0.1)97%360CuSn(0.4)80%430CuMg(0.2)80%430CuMg(0.5)62%500CuCd(1.0)80%43059弓网系统-材料接口滑板和接触线的的摩擦磨损滑板与接触线在在工作过程中由由于机械的、电电气的（包括热热的）和化学的的原因使材料从从滑板和接触线线表面移走，这这个现象称为滑滑板和接触线的的磨损磨损主要有两种种形式：机械摩擦电气磨损60弓网系统-材料接口滑板和接触线的的摩擦磨损(1)机械磨耗(2)粘结磨耗(3)移动(4)粘结(5)硬粒磨耗(6)二元磨耗(7)三元磨耗(8)夹在中间的硬质质粒子(9)疲劳磨耗(10)疲劳破坏(11)化学磨耗(12)腐蚀磨耗(13)腐蚀、氧化(14)电气损耗(15)金属离子移动(16)电弧熔损(17)电弧61弓网系统-材料接口摩擦磨损实验台台√材料相同时，研研究弓网接触力力、电流、速度度与磨耗之间的的关系√弓网接触力、电电流、速度相同同，研究不同材材料与磨耗之间间的关系62弓网系统-材料接口滑板和接触线的的材料组合纯碳浸金属碳铜或铜合金铜或铜合金AC25kV系统AC25kV、DC1.5kV系统63弓网系统-电接触特性电接触理论√研究导体与导体接触过渡区中的的物理现象、化化学现象√弓网系统的电接接触分三类：静态接触、滑动接触、可分合接触√主要现象和问题题静态接触——接触温升滑动接触——摩擦磨损、润滑滑可分合接触——电火花、燃弧64弓网系统-电接触特性电接触理论导体接触面无论论怎么加工、打打磨、摩擦磨损损，微观上都是是凸凹不平的接触面状况导电斑点65弓网系统-电接触特性电接触术术语接触斑点点：导体接触触面内实实际发生生接触的的点导电斑点点：金属或准准金属接接触的更更小的面面收缩电阻阻：电流路径径收缩，，有效导导电面积积减小，，出现附附加电阻阻膜电阻：：准金属接接触时，，电子通通过极薄薄的膜时时产生附附加电阻阻接触电阻阻：收缩电阻阻与膜电电阻串联联相加接触压降降：通过斑点点的电流流与接触触电阻之之积超温：接触电阻阻产生焦焦耳热，，使收缩缩区温度度超过区区外导体体温度66弓网系统统-电接触特特性静态接触触电阻接触电阻阻与滑板板及接触触线材料料的电阻率有关，与与材料硬度度及接触力有关导电斑点点数目与与材料硬硬度、接接触力有有关材料一定定、接触触力F不变时，，接触电电阻基本本与两者者的电阻率之之和成正比H——接触材料料较软一一方的接接触硬度度F——弓线间接接触力ρ1、ρ2——接触材料料电阻率率67弓网系统统-电接触特特性接触点的的静态温温升电流通过过接触点点电阻产产生的焦焦耳热使使接触线线局部温温度超高高；电位——温度理论论：接触触点的温温度升高高与接触触电阻及及通过的的电流成成函数关关系θ——导电斑点超出接触触点以外区域的温温度，即接触点温温升U——接触压降I——通过接触面的总电电流——滑板与接触线材料料的热导率与电阻阻率乘积的平均值值68弓网系统-电接触特性弓网系统的电弧现现象√滑板与接触线从分离到接触或从接触到分离时，满足一定条件件时，两者之间便便会产生电弧或其他放电现现象√滑板和接触线脱离离接触（离线）时时，被断开的电流流超过0.25～1A，断开后加在间隙隙上的电压超过12～20V，则间隙中会产生生一团温度极高、、发出强光和能够够导电的近似圆柱柱形的气体——这就是电弧√产生电弧的最小小电流如果果小于一定定数值，则则开断时只只能产生一一为时极短短的弧光放放电——通常称为电火花69弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象70弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象71弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象72弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象持续40ms的电弧73弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象74弓网系统-电接触特性性弓网系统的的电弧现象象75弓网系统-电接触特性性弓网系统电电弧的影响响√电弧热功率率导致滑板板和接触线线温度升高高，同时，，滑板和接接触线的热热量也会向向周围介质质传递，当当吸热大于于散热时，，滑板和接接触线的温温度才会升升高，温升升达到一定定程度时，，滑板和接接触线的表表面才会发发生熔化和和气化√弓网相对运运动过程中中，接触点点的位置不不断变化，，电弧不断断变化位置置，位置变变化的速度度与接触线线的拉出值值、列车的的运行速度度有关√相对运动阻阻止了燃弧弧引起的固固定位置的的温度升高高76弓网系统-电接触特性性弓网系统电电弧的影响响曲线从上到到下排列，，作用距离离x依次是：0、1.0×10-6m、2.0×10-6m、3.0×10-6m77弓网系统-电接触特性性弓网系统电电弧的影响响曲线从上到到下排列，，列车运动动速度依次次是:5m/s、15m/s、30m/s、40m/s点M处接触线表表面温度变变化规律78弓网系统-电接触特性性弓网系统电电弧的影响响低速走行时时电弧对接接触线的热热侵蚀v=0.216