受电弓与接触网系统工程

SWJTUOCS-WU2018.11.05Page1受电弓与接触网系统工程接触网系列讲座业务学习版SWJTUOCS-WU2018.11.05Page2电力系统由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统；牵引供电负荷为电力系统的一级负荷。牵引供电的目标就是保证电力牵引车辆不间断、可靠和安全地运行；从技术角度看，牵引供电系统包括电力牵引系统的全部固定设施；可以细分为牵引电能的产生、传输和馈出，以及运行中的电力牵引车辆受流。牵引负荷变化且移动。根据距离决定牵引供电系统的电流制式：（1）短距离运输通常使用直流供电制式，如：DC750V、DC1.5kV、DC3.0kV等；（2）长距离运输通常使用交流供电制式，如：AC15kV、AC25kV等。电力牵引供电SWJTUOCS-WU2018.11.05Page3集电系统是由相互作用又相互依赖的集电器和接触网结合而成的、具有向电力牵引车辆输电功能的有机整体，是牵引供电系统的组成部分。集电系统的组成SWJTUOCS-WU2018.11.05Page4①整体性——包含集电器、接触网两个元素；②相关性——系统的两个元素相互作用、相互依赖；③目的性——系统有明确的目标和特定功能：传输电能；④适应性——适应电力牵引单元的运行环境：温度、风雨冰霜、雷击过电压、大气中的活性物质等；⑤等级结构性——可以分为许多等级层次的子系统：结构、零部件、材料。集电系统的组成系统特征学科体系马克思主义哲学桥梁自然辩证法、系统论、认识论、方法论、审美观等学科基础数学、物理、化学、自然科学、系统科学等专业基础电路、工程力学、电机学、高电压技术、电力系统等工程技术供电系统、变电所、接触网、受电弓等工程实践SWJTUOCS-WU2018.11.05Page5集电系统的型式依据互连互通需要与综合比选，决定使用何种型式弓网系统或靴轨系统向列车传送电能。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page6受电弓受电弓集电靴弓网系统靴轨系统集电系统接触网遵循受电弓，供电轨遵循集电靴，就像鞋遵循双脚一样。集电系统的分类接触网系统架空接触网系统供电轨系统架空接触网供电轨架空供电轨SWJTUOCS-WU2018.11.05Page7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）（机械磨耗与电气磨耗）安全性适用性耐久性材料组合弓网系统的核心问题世界上具有代表性的高速铁路列车，毫无例外地使用弓网系统取流。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page8可靠性的基本概念接触网：特殊型式的输电线路，其中的接触悬挂是受电弓的机械滑道。接触网由各种结构组成；首先，结构决定功能。在要素既定的条件下，一般来说，有什么样的结构就有什么样的功能；其次，功能反作用于结构。结构的主要作用是承受外部和内部因素所产生的载荷和环境（使用条件）；接触网包括相当数量的构件，结构的可靠性与寿命主要取决于其中的关键构件；关键构件：在任何使用情况下，失效会导致接触网结构或主要部件的破坏，使接触网丧失部分或全部功能的那些构件；通常若干零件组成一个构件，若干构件组成一个部件，若干部件组成整体结构。弓网系统的核心问题SWJTUOCS-WU2018.11.05Page9安全性：①接触网结构应能承受在正常施工和正常使用期间（设计基准期）内可能出现的各种载荷、外加变形、约束变形等的作用——承载能力；②在设计规定的偶然载荷（如地震、强风）作用下或偶然事件（如爆炸）发生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌或连续破坏——鲁棒性。适用性：指结构在正常使用条件下具有良好的工作性能。例如电气参数（电压范围与载流量）符合要求，不发生影响正常使用的过大变形（支柱有过大的晃动与扭动、支持与定位结构有过大的偏转、线索过大的偏移等）、过强烈的振动（过大的接触线抬升和接触力）以及让人感到不安的弓网燃弧等。耐久性：在正常使用和正常维修条件下，在设计基准期内，结构具有足够的耐久性。例如，不发生超出预期的零部件疲劳与氧化（锈蚀）、接触线磨耗、绝缘子污秽等。弓网系统的核心问题弓网系统的安全性、适用性、耐久性需要兼顾，三者遵循对立统一规律!可靠性的基本概念SWJTUOCS-WU2018.11.05Page10可靠性的基本概念结构可靠性：结构在规定的时间（设计基准期）内，在规定的（正常的设计、施工与维修）条件下，完成规定功能的能力，包含：安全性、适用性和耐久性。结构可靠度：结构可靠性的概率度量，是在规定的时间（设计基准期）内，规定的（正常的设计、施工与维修）条件下，结构不失效的概率。结构耐久性：结构在规定的使用和维修条件下其使用寿命的一种度量。结构的使用寿命：从制造完成到出现不可接受的故障率时的寿命单位数。对于接触网而言，其结构可靠性要求主要是指在指定的使用寿命（设计基准期）终止时，结构必须达到指定的可靠度指标。弓网系统的核心问题SWJTUOCS-WU2018.11.05Page11从来就是以仿制为主，从系统指标到零部件载荷、从零部件载荷到零部件寿命长期联系不上，接触网无法形成扎实详尽的自有理论、试验基础和设计依据；质量控制过程形同虚设，接触网设计、施工、零部件制造以及受电弓运行中的各种不确定因素的耦合作用，使零部件遭遇到的工况要比正常远为恶劣，寿命消耗快、故障爆发多实际上是必然的结果；作为一个后起的工业追赶国家，功利投机心态强，往往是只要措施有效，便无所谓机理不明；机理不清楚下凭借浅薄经验和主观猜测提出的设计方案、优化措施，其效果如何几乎只能取决于运气。弓网系统的现状弓网系统涉及电气、力学、材料等多个学科，内容综合而繁杂，需要利用各领域专业知识解决问题，但一些关键技术在轨道交通以外均不使用，不能依靠其他领域。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page12随着列车运行速度的不断提高，以及电气化铁道路网规模的不断扩大，弓网系统的结构耐久性不如预期，尚须努力建立健全：（1）一个受电弓与接触网系统的理论体系（2）一个接触网的全寿命周期成本管理周期（3）一个接触网的工程质量控制过程（4）一个受电弓与接触网的动态相互作用（5）一个接触网以可靠性为中心的维修体系（6）一个受电弓与接触网系统的实验平台（7）一个受电弓与接触网系统的标准体系“七个一工程”中国是电气化铁道大国，但还不是电气化铁道强国。弓网系统的技术体系弓网系统的“七个一工程”构成一个有机的整体。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page13机械：静态特性动态特性电气：温度弓网接口：接触点集流量材料组合动态性能几何参数机械：静态特性、动态特性电气：载流量、短路载流量、防雷、接地与回流系统与要素：（1）系统通过整体支配和控制要素；（2）要素通过相互作用决定系统特征和功能；（3）系统和要素的概念是相对的。结构与功能：（1）结构是系统的内在根据，功能是要素与结构的外在表现，一定的结构总是表现为一定的功能，一定的功能总是由具有一定结构的系统实现；（2）功能对结构具有相对独立性，同时还对结构具有反作用。系统的组成弓网系统的理论体系SWJTUOCS-WU2018.11.05Page14电压和电流——分段、分相、供电臂与绝缘强度载流量和保护措施——发热与温升回流与接地——轨道电位电磁干扰源——电磁感应无脱弓——拉出值、高度无障碍——动态包络线寿命——疲劳、磨耗（机械+电气）接触力、抬升材料组合取流量运行速度接触网输电线路接触悬挂接触网是特殊的输电线路，其中的接触悬挂兼做受电弓的机械滑道。接触网的可靠性——在规定时间（设计基准期）内，在规定条件（设计时所确定的正常设计、正常施工和正常维修条件）下，完成规定功能（输电+滑道）的能力，包含：安全性、适用性和耐久性等方面，使用可靠度度量，即完成“预定功能”的概率度量。受电弓弓网系统的理论体系受电弓与接触网动态相互作用SWJTUOCS-WU2018.11.05Page15弓网系统的理论体系电压与电流trctrctrcIUS列车能耗：线路阻抗等于架空接触网阻抗与电流回路阻抗之和，直流电路仅有电阻。电流制式标称电压U（V）最低持续电压Umin1（V）最高持续电压Umax1（V）最长持续时间5min的最高非持续电压Umax2（V）DC750V750500900950DC1.5kV1500100018001950AC15kV15000120001725018000AC25kV25000190002750029000SWJTUOCS-WU2018.11.05Page16弓网系统的理论体系载流量与保护措施定义：在规定条件下，导体能够连续承载而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。接触网必须具备一定的载流量以便经受住热负荷。载流使接触网导线产生温升，并通过辐射和对流将热量散发到周围环境中，太阳辐射同样使导体发热，需要考虑三种情况：①短时电流（起动与制动）；②持续电流；③短路电流（无外部热量交换）。设置保护的目的：排除或减少对直接或间接暴露或与故障电流电压接触的人员伤害；使接触网设施、设备的损坏降至最低限度；维持牵引供电的最佳工作效率；提供和处理有助于故障分析的信息。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page17弓网系统的理论体系载流量与保护措施发热——冷拔铜导线的长期发热会造成再结晶，导致导线永久性伸长，且抗拉强度下降。温升与抗拉强度TB/T2809-2005：铜合金接触线工作温度：95℃；允许最高工作温度：150℃。计算条件：最高环境温度：35℃；风速：0.5m/s；日照强度：1000W/m2。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page18弓网系统的理论体系载流量与保护措施永久故障与瞬时故障瞬时故障(＞80%)90%永久故障的产生由接触线引起CWH：接触线高度SH：结构高度CLTRACK：线路中心线1：负馈线2：回流导体3：承力索4：接触线SWJTUOCS-WU2018.11.05Page19弓网系统的理论体系回流与接地牵引电流是受电弓从接触网集取并向铁路牵引车辆供电的电流。牵引电流必须具备回流路径；总回流应等于流经接触网的电流。走行轨作为回流的导体；轨道敷设在地面上，其长度远远大于宽度。钢轨与大地之间的电阻有限，并且钢轨中存在纵向电阻，导致部分回流流入大地并经大地流回变电所；在变电所附近，这股电流又流回走行轨，并流入变电所的接地系统；流经钢轨、大地及其他所有铁路附近与铁路并行的金属导体，如电缆外壳和管道的电流总值等于流入列车的牵引电流值。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page20弓网系统的理论体系回流与接地回流流经有电阻的钢轨，会产生轨电位；在钢轨上连接金属导电零件，减小电位差，以消除人身伤害的可能性，这些措施统称为接地。大地：导电的土壤，参考点，任一点的电位均为零；接地体：一个或多个与土壤紧密连接的导电体，提供与大地的电气连接；土壤电阻率：土壤的导电性能；地电位：接地体相对于远处大地之间的电压差，由电流与对地电阻决定；轨电位：走行轨中的牵引回流引起的电位；接触电压：人站在发生接地短路的故障设备旁边，距设备水平距离0.8m，用手触及距地面1.8m设备外壳，此时手与脚两点之间呈现的电位差。SWJTUOCS-WU2018.11.05Page21弓网系统的理论体系回流与接地标准规定的接触电压与钢轨电位运行状况容许接触电压（V）容许钢轨电位（V）持续时间(t＞300s)60120持续时间(t≤300s)65130故障时间(t=100ms)8421684注：维修车间25VSWJTUOCS-WU2018.11.05Page22弓网系统的理论体系回流与接地交流铁路的牵引回流与接地示意图SWJTUOCS-WU2018.11.05Page23弓网系统的理论体系回流与接地牵引变电所的回流与接地示意图SWJTUOCS-WU2018.11.05Page24弓网系统的理论体系电磁感应SWJTUOCS-WU2018.11.05Page25（4）几何参数（2）材料组合接触