关于器件式分相改装关节式分相的讨论

关于器件式分相改装关节式分相的讨论中铁二十局集团电气化工程有限公司樊星摘要：电分相是接触网的主要设备之一，也是影响弓网关系的薄弱环节，尤其是随着列车的不断提速，其结构性能直接决定是否能满足列车运行速度的需求。我国电气化铁路电力机车采用工频单相供电,为了平衡电力系统各相负荷,牵引供电一般实行相序轮换供电,为此需要在接触网中设电分相将不同相电进行电气隔离以避免相间短路。电分相一般设置在牵引变电所出口及供电臂末端,由接触网部分、车载装置、地面信号装置等组成。电分相有器件式分相装置和关节式分相装置两种形式。为确保电气化铁路运输具有较高的供电质量和高速运行环境，对电分相的改装已成为电气化铁路提速的一个重要问题之一。关键词：电气化铁路；接触网；电分相；改装；供电质量；提速Abstract:ElectricPhaseisoneofthemainequipmentforcontactnet,alsoaffecttheweaklinkbetweenpantographandcatenary,especiallywiththeincreasingspeedofthetrain,thestructureperformancedirectlydetermineswhetheritcanmeettheneedsoftrainrunningspeed.LocomotivepowerofelectrifiedrailwaysinChinawithafrequencyofsinglephasepowersupply,inordertoeachphaseloadbalanceofpowersystem,tractionpowersupplygenerallyimplementthephaserotationofpowersupply,weneedtocontactnetworkinastationaryphasewillbedifferentphaseelectricalelectricalisolationtoavoidinterphaseshortcircuit.Electricphasearegenerallysetintractionsubstationexportandsupplyarm,composedofcontactnetwork,vehiclemounteddevice,groundsignaldevice.Stationaryphasewithdevicetypephaseseparationdeviceandthejointtypephaseseparationapparatustwoforms.Inordertoensurethequalityofpowersupplyandhighspeedelectrifiedrailwaytransportationenvironmenthashigher,theelectricphaseconversionhasbecomeoneoftheimportantproblemsofspeedelectrifiedrailway.Keyword:electricrailway;catenary;phaseseparation;modification;powerquality;speed前言我国早期电气化铁路采用的电分相为八跨、六跨、五跨等关节式分相。后来，引进和研制了绝缘材料制作的器件式电分相。器件式电分相结构简单，在速度不太高的情况下能基本满足弓网关系要求，大大减少了施工和维修难度，在20世纪末电气化工程改造中被普遍采用。器件式电分相有一个极大优点，其中性区很短，特别适合在重载、大坡度区段使用。近年来随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相的硬点大成为困扰电气化铁路提速改造的主要问题之一。由于关节式电分相由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大问题，从此关节式电分相在电气化铁路提速改造中又被普遍采用。目前，世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用该种型式。（一）器件式电分相的结构特点及存在问题器件式电分相依靠绝缘杆件实现相间绝缘，其结构图如图1一所示。器件式电分相有一个极大优点，其中性区很短，特别适合在重载、大坡度区段使用，但是多年来接触网动态检测结果显示，同样的接触悬挂方式，同样的运行速度，杆件式电分相的硬点平均为接触网的3—6倍，而且运行速度越高，硬点差值越大。据统计，同样一组器件式电分相，当速度为120km/h、140km/h、160km/h时，其硬点分别约为30g、60g、110g，而铁规是≤50g。可以说，当运行速度超过120km/h时，器件式电分相是很难满足安全运行的。根据运行经验，靠加强维修和调整来减小器件式电分相的硬点是很困难的，即使耗费大量的人力和物力，效果也难以令人满意。器件式电分相严重恶化弓网关系，其接头线夹处接触线磨耗很快，有机绝缘杆件运行环境恶劣容易发生事故，故应尽量减少使用。新线建设，时速为120km以上的线路采用关节式电分相。（二）关节式电分相的结构特点及在运营中存在的问题1、关节式电分相的结构特点关节式电分相由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成。由于绝缘锚段关节有三跨、四跨和五跨三种形式，跨距长度不同，两个关节的衔接布置也有多种方式，造成目前存在四跨、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。(1)四跨、五跨关节式分相由两个三跨绝缘关节组合而成，由于三跨绝缘关节通常要求转换柱非工作支抬高500mm，跨中导线坡度较大，弓网配合很差，目前电气化铁路应运较少。（2）七跨式绝缘锚断关节式电分相，它是由两个个四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。其原理是利用两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。无机车通过时中性区正常情况下不带电，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。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。（3）八跨锚段关节式电分相由两个个五跨绝缘锚段关节重合两跨组成，它比其他七跨关节多了分相中心柱，其余结构相同。在整个关节内两支接触悬挂的水平间距均为500mm。两支接触悬挂间空气绝缘间隙应450mm。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。（4）不管是哪种关节式电分相，其结构都是利用两个绝缘锚段关节重合一跨或两跨，再增加一个分相锚段组成。分相锚段与既有接触网的两个下锚支组成两个绝缘锚段关节并重合两个锚段关节的一跨或两跨，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。2、关节式电分相锚段关节型式的选择绝缘锚段关节有三跨、四跨、五跨等型式存在。由于关节式电分相由两个绝缘锚段关节组成，因此选用的绝缘锚段关节的型式决定了关节式电分相结构型式。（1）四跨绝缘锚段关节与三跨、五跨绝缘锚段关节相比，四跨绝缘锚段关节比三跨绝缘锚段关节多了一根中心柱，比五跨绝缘锚段关节少了一根中心柱。正常状态下，受电弓在中心柱处同时接触两支接触线，从一个锚段过渡到另一个锚段。但由于要满足绝缘的要求，中心柱就需采取特殊定位方式。一种方式是采用反定位管低头的特殊安装方式，这使得接触网稳定性降低。另外的方式是直线区段一根定位器采用特型定位器或曲线区段两根均采用特型软定位器，而该类定位器因为结构原因要满足强度要求采用钢质结构，重量大于提速区段普遍采用的铝合金定位器，又由于中心柱处受电弓要同时抬起两支接触线，这样就对接触网弹性造成了较大的影响，不利于受电弓高速受流。另一方面，提速区段接触线张力大，非支接触线抬高量较大，中心柱处两定位器会出现较大的上抬力。当环境温度变化时难以保证两支接触线等高，也对高速取流不利。根据哈大线的资料，四跨绝缘关节较多在800m及以下曲线半径的线路采用。日本和法国则倾向于不采用四跨绝缘关节。故建议关节式电分相的每个锚段关节不采用四跨型式。（2）三跨与五跨绝缘锚段关节是在跨中两接触线等高，受电弓实现从一个锚段向另一个锚段过渡。由于跨中弹性大，不会对受电弓运行造成大的影响。三跨绝缘锚段关节相比五跨，少了两根转换支柱，结构简单，但由于三跨转换跨中坡度（7--8‰）大于五跨（2—4‰），也远大于接触线坡度不宜大于3‰的标准，不利于高速受流。另一方面，从工程投资上讲，五跨与三跨相比，不增加接触网支柱，只是增加两套定位支撑装置和少量的接触网，投资增加很少，就能更好满足接触网运行，也为接触网进一步提速创造了条件。因此，建议关节式电分相的锚段关节宜采用五跨。3、关节式电分相的布置方式两个五跨绝缘锚段关节衔接方式有多种方式，有八跨、九跨、十跨、十二跨关节式电分相。从电力机车高速取流角度，分相绝缘装置中性区长度越短越好。八跨关节式电分相的布置方式要求在中间一根支柱上安装三支接触悬挂或增加一根支柱，结构稍显复杂；十跨关节式电分相的布置方式则要求在中间一根支柱上同时做两个方向的下锚，这样的安装方式工程上需做特殊处理；十二跨关节式电分相的安装方式显然中性区段过长，当然，这样布置的原因可能也是为了满足有多个受电弓的电动车组使用，如两个受电弓间距小于225m，则不需要降下一个受电弓通过；九跨关节式电分相的布置方式克服其他三种方式结构上的不足，中性区长度只比图四增加30—40m左右的一跨，即可满足安装的要求。综合上述考虑，建议双五跨关节式电分相按照九跨关节式电分相方式布置。4、关节式电分相中性区长度的确定按照九跨关节式电分相的布置方式，不考虑受电弓的抬升量，中性区的长度由两个五跨锚段关节的转换跨距确定。根据中华人民共和国铁道部《既有线提速技术条件（试行）》得知，在相同速度下，既有线提速的曲线半径略小于新线建设的标准。新线建设规定，最高速度为120km/h时曲线半径最小一般为1200m，困难时800m，既有线提速时也为800m。由于曲线半径越大，允许通过的速度越高，因此，为统一跨距的设计，可按照曲线半径为800m进行120km/h以上接触网绝缘五跨的转换跨距设计。按照接触网设计原理，转换跨距的大小主要由满足跨中接触线位置在最大风偏时不超过受电弓允许的最大拉出值及误差确定。最大风偏则可由接触线张力和跨距、支柱挠度、风载体形系数、风速、接触线直径计算而来。国内几条电化线路800m曲线半径的绝缘转换选用跨距情况如表二。表二国内电气化铁路800m曲线半径的绝缘转换选用跨距情况线别接触线类型接触线张力(kN)最大风速(m/s)绝缘关节转换跨距选用值(计算值)(m)哈大Ris100103024-42103524-40京郑CTHA120132540(53.84)广深CTHA120133040(47.10)郑武CT110102245(56.18)从表二中可以看出，尽管各条线路设计最大风速、接触悬挂类型不同，绝缘关节转换跨距选用值却相差不多。由于电分相最密时约20km才有一处，一处分相增加一根支柱定位，投资增加很少，因此为简单起见，曲线半径为800m以上的曲线包括直线处设置的绝缘锚段关节转换跨距完全可以用800m曲线半径时的跨距选用值代替。根据表二，可统一五跨绝缘锚段关节转换跨距为40m。由此，关节式电分相的中性区长度可确定为40/2+40+40+40+40/2=160(m)。5、关节式电分相运营中注意的问题关节式电关节式电分相由两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，但是在运营的过程中也存在一些问题。关节式电分相的中性无电区与电力机车双弓间的距离有关。由于绝缘锚段关节有三跨、四跨和五跨三种型式，锚段关节跨距长度不同，两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