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高速铁路接触网弓网关系的研究1绪论21世纪初，我国新建了多条高速铁路：北京铁路局除通车的石太客运专线（时速250km/h）、京津城际客运专线(时速300km/h)外2012年底京石武客运专线也即将开通运营。经历过六次大规模提速后既有京广线动车组的最高时速接近或曾达到过200Km/h，亦可视为准高速铁路。自1964年日本开通世界上第一条运营的高速铁路以来高速铁路已经过了半个世纪的发展，列车时速已经由初期的200km/h提高到300km/h。目前电气化铁路是所有高速铁路的必然选择，电气化铁路动车组受电弓与接触网的弓网匹配关系乃是决定动车组运行时速的一大决定性因素。本文放眼世界各国及我国接触网的发展历史，将着重探讨一下高速铁路接触网的特点及与普速接触网的不同、保证高速铁路接触网良好运行的措施、以及针对高速铁路动车组取流特点，牵引变电设备保护应采取的对应措施。2接触网的发展及研究内容2.1世界各国高速铁路接触网的发展日本、法国、德国高速电气化铁路接触网采用的悬挂型式，为当今世界上高速电气化铁路的三种主要趋向。2.1.1日本高速铁路接触网的发展日本是第一个建成并运营高速铁路的国家。其第一条高速铁路为东京—大阪，东海道新干线，建成于1964年，全长515.4km，速度220～240km/h，悬挂类型为复链形悬挂；接触网的基本参数为：Cu170mm2接触线、Tj=15kN、波动传播速度355km/h、β=0.68。90年代，采用减少受电弓数量，母线相联及提高接触线张力等方法，将新干线的速度提高为270km/h，仍采用复链形悬挂，接触线为SnCu170mm2，Tj=20kN，波动传播速度为414km/h，β=0.65近年，用法国高铁模式，简化悬挂类型，改善受电弓性能。北陆新干线，简单链形悬挂，Tj=Tc=20kN,CS110mm2接触线，设计速度270km/h，波动传播速度提高到525km/h，β=0.51。今年底，高速新干线总长度达到2047km。日本评价高速受流系统要点：为保证受流系统的稳定性，必须提高接触线的波动传播速度；最大一次离线时间不应大于200ms，离线率最好不超过5%，最差不超过20%；出于安全，定位器采用限位装置，允许最大抬升量180mm，受电弓最大允许抬升量为100mm；设计中妥善处理导线应力与疲劳振动的关系。2.1.2法国高速铁路接触网的发展法国的高速铁路用TGV（法文TrainaGrandeVitesse高速列车的缩写），是轮轨系最新世界记录保持者，1990年5月18日，大西洋新干线的试验运行速度达到515.3km/h。自上世纪60年代末，对既有线路进行电气化改造，运营速度逐步提高到200km/h。1983年9月建成巴黎——里昂东南新干线，426km，弹性链形悬挂，运行速度270km/h，Tj=14kN，CdCu120mm2接触线，波动传播速度412km/h，β=0.66。东南新干线开通后三个月内连续发生两次重大事故，导线拉断，接触网损坏。90年代初，巴黎——勒芒、图尔的大西洋新干线上，取消了东南新干线使用的Y型吊弦，采用简单链形悬挂，全长320km，运营速度为300km/h，接触线为Cu150mm2，Tj=20kN，波动传播速度为441km/h。1993年开通的北大西洋新干线仍采用简单链形悬挂，运营速度300km/h，锡铜150mm2接触线，Tj=20kN，波动传播速度为441km/h，β=0.68，最新型的AGV高速列车于2003年年初投入运营服务，商业最高运行速度为350km/h。超过250km/h，受流质量与接触网的弹性均匀度关系不大，更大程度上取决于接触线的振动。取消Y索，对吊弦进行合理布置，提高接触线张力，虽然跨中的弹性均匀度不是很好，但较大的接触线张力足以保证高速受流。简化的设计方案使维修容易，可靠性增加，安装成本下降；也获得了不需精心设置弹性吊弦的益处，避免了由于错误的设置导致非正常的磨耗。法国评价高速受流系统要点：电弧控制在1次/160m；弓网接触压力的标准偏差与平均接触压力的比值≤0.33；定位点的最大抬高与允许抬高的比值一般控制在2倍范围。2.1.3德国高速铁路接触网的发展在上世纪50年代大规模修建电气化铁路的同时，开始了接触网的标准化设计工作，由Siemens、AEG、BBC公司联合，先后共同开发出了Re75、Re100、Re160和Re200接触网上世纪70年代中期，研制出Re250标准接触悬挂，并在80年代末期修建了曼海姆——斯图加特的高速铁路，最高运行速度250km/h，采用弹性链形悬挂，AgCu120mm2接触线，Tj=15kN，波动传播速度为426km/h，β=0.59。上世纪90年代初，开发出Re330，最高运行速度达300～400km/h。Re330仍采用弹性链形悬挂，接触线为MgCu120mm2，Tj=27kN，波动传播速度569km/h，β=0.53～0.7。德国评价高速受流系统要点：接触网与受电弓之间相互作用状态最终的定量评价标准为动态接触压力和接触压力的分布情况，控制最大接触压力和最小接触压力。接触压力太小将导致接触不良，引起电弧。接触压力太大，造成接触网的过渡抬升，受电弓运动振幅加大，受流状况恶化。2.1.4国外高速受流技术研究动向法国、日本、德国均致力于300～350km/h的高速技术研究及制订弓网关系评判标准。将高速悬挂与受电弓当作一个整体进行研究，改善受电弓的动态特性。接触网的发展与电气化铁路运营速度和方式密切相关，电气化铁路的发展方向为高速、重载、大密度，因此接触网的发展方向有以下几点：向标准化、规格化方向发展；悬挂的弹性均匀性会进一步提高；接触网的电气载流量会进一步增加；接触网的机械强度会进一步提高；接触线的机电性能将会成为制约和评价接触网优劣的核心。受电弓和接触网的结构及其匹配关系会得到进一步优化。接触网的防腐能力会进一步加强。2.2中国模式的高速铁路接触网研究高速铁路接触网的最终目的，是为了提高我国高速铁路接触网的设计和施工水平，良好的接触网设备保证优良的受电弓取流。本文在参考借鉴国外技术标准和实践经验的基础上，对适合我国的高速铁路接触网进行了一些研究。高速铁路接触网选型属于设计环节，是接触网施工的前提。高速铁路能否安全高效地运营，最基本的就在于接触网的类型和参数是否合适。速度是最终的目标，必须借助计算机仿真技术对影响受流质量的因素进行多方面的分析、比较及综合，在参考借鉴国外经验、标准过程中，深入了解各国标准的差异及产生原因，结合我国的实际情况，才能确定我国适用的接触网模式。目前我国高速铁路飞速发展，运营里程世界第一，在接触网方面也摸索出了自已的一套先进经验。2.3接触网研究的内容（1）新材料及新技术的应用包括接触网线索的材料研究、受电弓滑板材料的研究、防腐技术的研究、支持和定位设备的新材料应用研究。（2）结构和零部件的优化包括支持和定位装配结构的优化研究、零部件无螺栓化研究、零部件的结构优化研究。（3）接触网设计标准及设计技术包括标准接触网体系的建立、设计标准研究、设计技术(OCSCAD)研究。（4）接触网施工标准及施工工法和工艺包括施工管理技术、施工机械及工具开发、施工标准及其监理、工程交接体制、施工工法研究、施工工艺研究。（5）高速弓网受流理论包括接触网特性研究、接触网结构优化研究、受电弓结构优化研究、弓网关系研究、影响弓网受流的因素研究、研究弓网关系之研究方法和试验方法研究。（6）接触网运营管理标准与维护技术包括接触网运营管理体制研究、接触网运营维护技术研究、接触网运营维护规范研究、接触网运营维护信息化实现。（7）接触网检测技术包括检测技术研究、检测标准研究、检测方式和手段研究、检测结果的评判与应用研究、检测设备研究。（8）接触网与环境关系研究包括接触网与大气气候的关系、接触网谐波对通讯信号的干扰及其护接触网谐波对电力系统的影响研究、接触网对人和鸟的干扰、弓网噪音对接触网周围环境的影响、接触网对环境美观的影响。3高速铁路接触网的特点3.1动车组技术对接触网的要求2005年后我国引进技术生产各种型号的高速动车组，目前我国共有CRH1、2、3、5共计4种动车组，通过几次试验，CRH2型动车组比较成功，从目前情况看，我们管内应该是跑CRH2型动车组，因此重点介绍CRH2动车组的有关资料。CRH2型动车组由四方车辆厂生产，合作技术方为日本川崎公司。全车8辆编组，采用4动4拖，可两列联挂。动车是2/3/6/7车。受电弓在4、6车。定编610人。速度等级为时速200/300公里。牵引功率4800Kw，单个电机300KW，紧急制动距离(制动初速200km/h)≤1800米。图1CRH2型直通车组结构示意图该车使用DSA250型受电弓，有效工作高度2000mm，最高工作高度为2480mm，本动车组车顶高度为3700mm左右，受电弓落弓位滑板距车顶800mm,则受电弓落弓高度（距轨面）位3700+800=4500mm，受电弓有效工作高度为4500+2000=6500mm。该型受电弓对接触网的要求如下：供电制式：单相AC25kV，50Hz。电网供电品质：最高网压31kV，最低网压17.5kV，其余符合GB1402“铁路干线电力牵引交流电压标准”。线路设点式信号设施：为列车提供过分相位置信号。接触网悬挂：采用全补偿简单链型悬挂和全补偿弹性链型悬挂两种。接触网张力：15～25kN。接触网结构高度：1.1～1.8m。接触导线高度：5300～6500mm。接触导线高度变化：一般小于3‰。接触网跨距：一般为60m，最大跨距不大于65ｍ。接触导线：采用铜接触线或铜合金接触线。接触网的最大拉出值：按400mm考虑。受电弓主要参数：表1电弓及其与接触网的相互作用1绝缘子纵向安装尺寸800mm2绝缘子横向安装尺寸1100mm3最低出折叠长度约1423mm4绝缘子高度约400mm5落弓位高度682+5/-10mm6升弓高度3093+100/-25mm7最低工作高度约982mm8最大工作高度约2890mm9碳滑板约1250mm10滑板总厂约1576mm11弓头长度约1950mm12弓头宽度约580+-2mm13折叠长度约2561mm14绝缘距离约310mm表2接触线与滑板间的载流能力滑板材料静止状态下的最大电流滑板温度限制碳115A250摄氏度碳合金150A150摄氏度铜—钢＞1500A200摄氏度铜合金＞1500A525摄氏度值得注意的是，滑板是一个整体，不是过去的滑板多个菱形滑块拼装的。这是与普速受电弓不同之处。其中要注意碳合金滑板的温度限制，到150摄氏度软化融化，形成沟槽，而拉弧时温度是很高的，又是不可避免的，因此对安全运行十分不利。易产生弓网故障。3.2高速铁路接触网的受流特点（1）接触网的波动特性，高速受电弓沿接触导线移动的速度很快，当接触悬挂的波动速度和受电弓的实际运行速度不匹配时，受流过程将不能正常进行，甚至造成弓网解体。（2）受电弓的动静态特性，受电弓的上下振动和左右摆动直接影响到弓网安全和受流质量，对受电弓的这种幌动必须加以充分考虑，为此、各国除了研究受电弓的动静态特性外，还在高速接触网的设计与施工中明确提出了“受电弓动态包络线”这一技术概念。受电弓动态包络线是指列车在最高设计速度运行下，受电弓上下左右所允许达到的极限尺寸。由于接触网和受电弓的特性不同，各国对此并无共同的标准。（3）空气流对接触压力的影响，在高速运行下，受电弓将受到一个在低速时可以忽略的外加的空气动力，该力会因受电弓的运行方向不同而不同，它的存在造成弓网之间的接触力变化巨大，胶济线的试验测试证实了这种情况的存在；另外、在高速运行下，任何一点外部的不平顺都会造成列车的振动，这种振动的振级与列车速度成正比。振动同样将使弓网动态接触压力与静态接触压力产生较大的偏差，造成动态接触压力上下波动。以上因素使弓网离线，受流质量变差，加剧受电弓滑板和接触网的电气磨耗和机械磨耗。（4）牵引电流及噪音。高速列车所需的牵引电流是普速列车牵引电流的两倍，甚至更大，牵引电流的加大造成接触线与滑板之间容易过热，点接