第四章 接触网受流理论

4接触网受流理论牵引供电系统接触点（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（接触压力与抬升）（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弓网系统的核心问题1.弓网系统综述2.弓网系统的振动特性3.弓网系统的电接触特性4.弓网系统的摩擦磨损主要内容1弓网系统综述●高速电气化铁路必须具有的三大要素①具有很高强度的铁路线路及轨道②具有能适应高速铁路速度性能的机车和车辆③具有能适应高速运行条件的接触网及与之相匹配的受电弓●高速受流：是指高速运行中的受电弓通过与接触线的滑动接触获得电能并传给电力机车的过程。

弓网系统综述1879年，柏林，第一辆电力机车，300m环形线路，DC150V，西门子

弓网系统综述1889年，弓状电流集电器，西门子

弓网系统综述新干线于1964年10月1日，东京奥运前夕开始通车营运，第一条路线是连结东京与新大阪之间的东海道新干线

弓网系统综述PS200A型受电弓双臂菱形下臂交叉弹簧上升空气下降铜基粉末冶金滑板

弓网系统综述带弹性组合吊弦的复链形接触网弹性均匀，能满足210km/h受流需要振幅较大，侧风时受流恶化镉铜线80mm2镉铜线60mm2硬铜线110mm2导高:5000mm

弓网系统综述日本受电弓的发展PS200A0系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板PS201受电弓200系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板PS202100系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板TPS203300系动车组,双臂,浸金属碳滑板TPS301700系动车组,Z型弓

弓网系统综述承力索：St18024.5kN辅助承力索：Cu15011.8kN接触线：GT17017.6kNMax:50m1500mm日本接触网

弓网系统综述承力索：Cu15019.6kN接触线：CS11019.6kNMax:50m950mm日本接触网

弓网系统综述2007年4月3日，TGV，法国东部线，574.8km/h

弓网系统综述法国受电弓的发展AMDE东南线,最高速度380km/h。Z型子母弓,碳滑板GPU受电弓大西洋线,最高速度515.3km/h。单层Z型弓,碳滑板(也可使用金属滑板)CX东部线,最高速度574.8km/h。碳滑板

弓网系统综述东南高速线(1981)速度=270km/h承力索:锡青铜65mm2,14kN接触线:Cu120,15kN导高:5080大西洋高速(1989)欧洲北部高速(1993)速度=300km/h承力索:锡青铜65mm2,14kN接触线:Cu150mm2,20kN地中海高速(2001)速度=350km/h承力索:锡青铜116mm2,20kN接触线:铜合金150mm2,25kN法国接触网

弓网系统综述德国受电弓的发展SBS65Re160、Re200接触网时使用,碳滑板DSA350S受电弓三元弓,最高速度350km/h，碳滑板DSA350SEK标准受电弓，碳滑板SSS400+标准受电弓，SSS87改进型，碳滑板

弓网系统综述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230公里/小时以内的速度Re250全新的开发，首次应用铝合金件行驶速度可达280公里/小时5m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。可用一个受电弓，行驶速度可达350公里/小时。65m5m1.80m18m接触线AC120CuMg27kN承力索BzII12021kN弹性吊索BzII353.5kN吊弦BzII10德国接触网

弓网系统综述1961年8月15日，中国，宝凤段电气化铁路开通接触网接触线TCG100承力索Cu90或Tj70受电弓ДЖ-5型，双臂

弓网系统综述2008年6月24日，CRH3，京津城际客运专线，394.3km/h中国铁路受电弓ДЖ-5(苏)(6Y1)Q3TSG1(1978)AM51UF(8K)TSG3(1993)DSA系列(200、250)(Stemmann-Technik)8WL0系列(6YH69、SSS400+)(Siemens+Schunk)受电弓LV-2600(6K)M7(6Y2)AM51BU(6G)TSG15/19

弓网系统综述中国铁路受电弓

弓网系统综述DSA200CED180WBL88DSA250中国铁路受电弓

弓网系统综述8WL0127-6YH69型受电弓(TSG15)

弓网系统综述SSS400+型受电弓(TSG19)优化了框架动力学性能、良好的动力学性能、降低收弓高度、双向运行。运行速度350km/h

弓网系统综述安装在高速动车组上的SSS400+型受电弓

弓网系统综述

弓网系统综述固定设备与移动设备联系的纽带

弓网系统综述弓网关系评价指标评价相互作用动态耦合评价评价移动设备固定设备接触点

弓网系统综述评价弓网关系的指标运行可靠性接触质量运行寿命接触线抬升接触线横向位置静态接触电阻弓网系统电弧机械摩擦电气磨损三方面（受流质量）弓网振动小接触面传输大电流受流摩擦磨损（磨耗）

弓网系统综述弓网系统通过不间断的机械、电气接触向电动列车供电，在满足一定的经济、技术条件下，供电可靠性、接触(受流)质量及弓网系统的运行寿命依赖于受电弓和接触网的设计、安装（施工）、运行维护方案及其大量参数的选取研究弓网系统的最终目的

弓网系统综述

弓网系统是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网研究弓网系统的方法不同速度段的弓网系统，要解决的问题也不尽相同高速受流技术的质量性能指标(1）接触网悬挂的弹性和弹性系数

η(x)=y(x)／pp→抬升力

y(x)→由抬生力p在x处引起的升高（mm）

η(x)→接触线在x处的弹性值（mm/N）

德国国铁对不同悬挂所允许的弹性和不均匀度值运行速度（km/h）100160200280280以上弹性值(mm/N)1.201.201.100.600.40允许均匀度（%）503020108为了减小弹性的差异，必须尽量使跨距中部和悬挂点处的弹性均匀一致，一般采用弹性链型悬挂。弹性吊索的长度对悬挂点处的弹性有较大影响，一般为12－18m。加大悬挂的综合张力，会改善悬挂弹性的均匀程度，但是实践证明，增加承力索的张力对悬挂点处的弹性影响较小，然而，将接触线的张力从10KN增加到15KN，悬挂点处的弹性系数减小15％－20％。高速受流技术的质量性能指标

(2)弓线间的接触压力

它是评价与控制受流质量的重要条件。理论研究证明:对于接触悬挂－受电弓系统而言,其间的接触压力变化幅度越小、变化率越低，则动态受流质量越好；反之，则变坏。

1)标准偏差值(标准偏差值曲线如下图)2)接触压力的平均值：

3)接触压力不均匀系数：高速受流技术的质量性能指标(3)受电弓的归算质量与最大振幅

1)受电弓的最大振幅2e=Hmax-Hmin

通常情况下，e值控制在150mm的范围内。

2)受电弓的归算质量归算质量越小，受电弓的追随性越好，其运行轨迹越平缓。国外控制在8－25kg之内，我国TSG1型受电弓的归算质量42kg(4)离线率及持续时间离线是衡量高速受流的重要方面和重要指标,这个指标可以从一下三个方面考虑.

限定时间或限定距离的离线次数；一次离线的时间；（0.1-0.6ms)

离线率。(200km/h以上时控制在5％）高速受流技术的质量性能指标(5)接触线平均抬升量及最大抬升量

静态抬升量振动抬升量动态抬升量一般情况下控制在100－150mm范围内，最大不超过200mm。(6)接触线磨耗比与导线寿命

磨耗：电气磨耗、化学磨耗、机械磨耗。磨耗比接触线通过万架弓次后，被磨去的横截面称为磨耗比。接触线寿命寿命的直接原因是磨耗及导线疲劳。

TCG－100寿命25－30年

Ris120200万弓架次约30年

高速受流技术的质量性能指标2.弓网系统的振动特性

任何一个可以用时间的周期函数描述的物理量,都称之为振动

力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动

描述振动的量：位移、速度、加速度等

弓网系统的振动为随机振动——只能用数理统计的方法加以研究2.弓网系统的振动特性

接触网包括接触线、承力索、吊弦、定位器以及其它零件，既有均布质量，又有集中质量，是一个非常复杂的振动系统2.弓网系统的振动特性与接触网弹性有关的因素

接触网的弹性（单位垂直作用力引起的接触线抬升)与跨距成正比，与接触线和承力索的张力之和成反比弹性沿跨距的一致性用接触网的弹性不均匀程度表示弹性及弹性不均匀度与接触线截面、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，与接触网施工精度有关2.弓网系统的振动特性接触网的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系数相对弹性2.弓网系统的振动特性接触网的弹性比较反定位装置正定位装置跨距中心2.弓网系统的振动特性0,30,40,50,60,7吊弦处弹性

mm/NSpt1234567SptemaxRe2500,54mm/NRe3300,39mm/N低的弹性emax弹性和不均匀性0,30,40,50,60,7吊弦处Spt1234567SptemaxRe25010%Re3308%eminemin低的不均匀性u弹性

mm/Nu=((emax-emin)/(emax+emin))*100%2.弓网系统的振动特性两自由度模型2.弓网系统的振动特性

当受电弓与接触网接触并高速运行时，受电弓弹簧系统的振动、车体的振动以及风力等因素均参与作用，受电弓弓头在上下、左右、前后三个方向产生运动接触力将弓与网联系在一起2.弓网系统的振动特性

弓网接触力连接两个机械系统（接触网和受电弓），这两部分均能振荡并且具有各种不同的质量模块、弹性系数、衰减系数和自然频率。由于接触网具有弹性、在受电弓作用到接触网上时就使接触线有一定的抬升量。实际上，沿接触线锚段变化的弹性导致受电弓周期性上下运动，这种运动幅度取决于抬升力本身

随着速度的增加，动态部件对接触压力的影响越来越大，为了保持受电弓滑板沿着接触线并不间断地与接触线接触，接触力的值必须保持在一定范围，即动态范围2.弓网系统的振动特性FAERFDYNFRF0FRFwindF=F0±FR+FAER±FDYN受电弓设计接触网、轨道等弓网接触压力F——受电弓与接触网之间的接触力静态接触压力F0

——驱动机构使滑板与接触线间产生的接触压力磨擦力FR

——关节间的磨擦力，与弓头运动方向相反空气动力接触压力分力FAER

——气流对受电弓的抬升力动态接触压力分力FDYN

——由垂直振动引起的惯性力2.弓网系统的振动特性EN50119关于弓网接触力的范围2.弓网系统的振动特性Re200系统v=220km/h单受电弓（DSA250）计算机仿真结果接触力抬升量2.弓网系统的振动特性实测结果2.弓网系统的振动特性

b——无限位抬升量

u——最大运营抬升量

s——受电弓摆动量

正常运行条件及最大跨距

u<2.0*b

u<1.5*b带抬升限位功能2.弓网系统的振动特性波动传播速度Cp——在某一点用一个力对接触线加振后将力消除，该点接触线振动经过S秒后传到L，则Cp=L/S波动传播速度——振动沿接触网锚段传播的速度Tj–

接触线的水平张力Ngj–

接触线的质量常数kg/mRe200Cu10010kNCp=376km/hvmax=263km/hRe250CuAg12015kNCp=427km/hvmax=299km/hRe330CuMg12027kNCp=572km/hvmax=400km/hEAC-350CuMg15031.5kNCp=553km/hvmax=387km/h2.弓网系统的振动特性r——反射因数α——多普勒因数放大系数r/α——反应接触网振动波幅度增强或减弱的系数m=1kg,V=160km/h,Cp=382km/h2.弓网系统的振动特性多普勒因数α——反应受电弓运行速度与波动传播速度之间的关系反射因数r——指接触网的振动波在吊弦、线夹等非均质点被反射，是接触网的质量特性

Cp——波动传播速度V

——受电弓运行速度gc、Tc——承力索的线密度和张力gj

、Tj

——接触线的线密度和张力2.弓网系统的振动特性接触悬挂：TJ95+CTHA120接触线张力:15kN；承力索张力：15kN结构高度：1400，正定位；动车组，速度：200km/h2.弓网系统的振动特性京津城际客运专线v=310km/h，反定位悬挂方式：BzⅡ120+MgCu120，21kN+27kN结构高度：1600mm2.弓网系统的振动特性

硬点是接触悬挂弹性不均质状态的统称。接触悬挂在硬点处的弹性出现极小值。硬点是接触网的固有特征

列车运行时，弓网在硬点部位可能会出现有别于其它地方的升高或降低，弓网间的接触力、振动速度、振动加速度会出现有别于其它地方的变化。速度越高，变化越明显

硬点对受电弓的影响可通过弓头的垂直加速度衡量，1g=9.8m/s2基本概念2.弓网系统的振动特性硬点2.弓网系统的振动特性

由于力、位置、速度或加速度等的突然变化，引起系统的瞬态变化过程称为冲击。在力学上，冲击是一种过渡现象，属于非周期运动范畴

冲击过程可能是单次的、多次的或复合的，但每次持续时间比较短暂（突变）

表征受电弓弓头受到冲击的基本物理量有：位移（或变形）、速度、加速度和冲击持续时间等基本概念2.弓网系统的振动特性牛顿第一定律

一切物体在任何情况下，在不受外力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态

牛顿第二定律

物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同牛顿第三定律

作用在两个物体的一对作用力方向相反、大小相等、作用在同一直线上、作用在不同的两个物体上基本定律3.弓网系统的电接触特性

“电接触”是研究导体与导体接触过渡区中的物理现象、化学现象的一个专门学科

弓网系统的电接触分三类：固定接触、滑动接触、可分合接触

主要现象和问题：固定接触——接触电阻、接触温升、接触熔焊滑动接触——接触电阻、接触温升、接触熔焊、摩擦磨损、润滑可分合接触——接触电阻、接触温升、接触熔焊、电火花、电弧

电接触的基本任务：传导电流3.弓网系统的电接触特性接触斑点：导体接触面内实际发生接触的点导电斑点：金属或准金属接触的更小的面收缩电阻：电流路径收缩，有效导电面积减小，出现附加电阻膜电阻：准金属接触时，电子通过极薄的膜时产生附加电阻接触电阻：收缩电阻与膜电阻串联相加接触压降：通过斑点的电流与接触电阻之积超温：接触电阻产生焦耳热，使收缩区温度超过区外导体温度接触面状况导电斑点3.弓网系统的电接触特性弓网接触电阻为

接触电阻与滑板及接触线材料的电阻率有关，与材料硬度及接触力有关导电斑点数目与材料硬度、接触力有关材料一定、接触力F不变时，接触电阻基本与两者的电阻率之和成正比

H——弓线两者中较软材料的接触硬度F——弓线间接触力ρ1、ρ2——接触材料电阻率

3.弓网系统的电接触特性国家滑板种类电阻率(μΩ·m)硬度(HS)欧美浸金属碳滑板(MY7D)8.196

纯碳滑板(CY3TA)24.092中国浸金属碳滑板8.096

纯碳滑板35.065日本浸金属碳滑板(MC)9.0100

纯碳滑板(SW)30.075滑板的电阻率与硬度3.弓网系统的电接触特性接触线型号（不含规格）导电率(%)(IACS)电阻率Ω·mm2/m抗拉强度N/mm2CT（Cu）97%0.01777360CTA、CTAH（AgCu）97%0.01777360CTS（SnCu）80%0.02395420CTMH（MgCu0.5）62%0.02778500注：IACS为国际标准退火纯软铜的导电率，记为100%

温度不大于100℃的抗拉强度

20℃时的电阻率接触线的导电率和抗拉强度3.弓网系统的电接触特性材料组合接触电阻纯碳滑板+铜或银铜接触线低纯碳滑板+锡铜接触线中纯碳滑板+镁铜接触线高接触线与滑板的接触电阻比较3.弓网系统的电接触特性实例3.弓网系统的电接触特性实例3.弓网系统的电接触特性实例3.弓网系统的电接触特性

由于接触电阻的存在，列车取流时，接触点的焦耳热使接触点局部区域温度升高，严重时可达到弓线材料的软化点根据电位——温度理论可知，导电斑点超过接触点外的温度与接触电阻及通过接触点的电流成简单的函数关系θ——导电斑点超出接触点以外区域的温度，即接触点温升U——接触压降I——通过接触面的总电流——滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值

3.弓网系统的电接触特性

受电弓滑板与接触线从分离到接触或从接触到分离时，如果能满足一定的条件，滑板与接触线之间便会产生电弧或其它放电现象弓网系统的电弧现象

滑板和接触线在大气中脱离接触（弓网离线）时，如果被断开的电流超过0.25～1A，断开后加在滑板与接触线上的电压超过12～20V，在滑板与接触线的间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体——这就是电弧产生电弧的最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电——通常称为电火花3.弓网系统的电接触特性弓网系统的电弧现象3.弓网系统的电接触特性弓网系统的电弧现象3.弓网系统的电接触特性弓网系统的电弧现象持续40ms的电弧3.弓网系统的电接触特性

电弧热功率导致滑板和接触线温度升高，另一方面，滑板和接触线的热量也会向周围介质传递，当输入热量大于输出热量时，滑板和接触线的温度才会升高，并在温升达到一定程度时，滑板和接触线的表面才会发生熔化和气化

弓网相对运动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化，引起的电弧也在不断变化位置，位置变化的速度与接触线的拉出值、列车的运行速度有关相对运动阻止了电弧能量引起的弓网系统固定位置的温度升高3.弓网系统的电接触特性(1)t=1.2×10-7s(2)t=0.9×10-7s(3)t=0.6×10-7s(4)t=0.3×10-7s

(1)(2)(3)(4)取典型的电弧电流密度qw=1011A/m2。对铜接触线，松弛时间τ0为10-10s；导热系数λ为380W/(m·℃)，密度ρ为8900kg/m3，比热容cp为390J/(kg·℃)，热扩散率或导温系数m2/s。铜接触线的熔点为1083℃

弓网系统电弧的影响3.弓网系统的电接触特性弓网系统电弧的影响曲线从上到下排列，作用距离x依次是0、1.0×10-6m、2.0×10-6m、3.0×10-6m

3.弓网系统的电接触特性弓网系统电弧的影响曲线从上到下排列，列车运动速度依次是:5m/s、15m/s、30m/s、40m/s点M处接触线表面温度变化规律

3.弓网系统的电接触特性弓网系统离线间隙较大时，由滑板和接触线传导的热量相对较少，绝大部分由弧柱直接散向接触区域上部，导致接触线上部设备烧损程度较大大电流起动的列车，由于滑板与接触线相对移动的速度较慢，电流引起的焦耳热量及电弧引起的电弧热量容易在局部积累，温升有可能超过滑动接触材料的允许工作温度

电火花与电弧是造成滑板和接触线电气磨损的主要原因，这种电气磨损包括气化蒸发和液体喷溅两种形式日积月累，电弧及强劲电火花引起的电气磨损会导致接触线表面坑坑洼洼3.弓网系统的电接触特性弓网系统的电弧不可能模拟，测量已经表明不可能重现反复试验运行的结果。即便在相同线路、相同的条件下，重复进行试验也会产生不同的结果。因此，利用电弧评价弓网系统的受流质量有一定的局限性在一定条件下利用弓网系统电弧的次数和持续的时间评价弓网系统的受流质量还是可行的，毕竟，由接触电阻的上升和开始燃弧能够确定可接受的弓网系统动态接触压力最小值3.弓网系统的电接触特性

接触线是通过浇铸——