高速电气化铁路弓网关系及其评价

SWJTUOCS2006.11.2Page1弓网关系及其评价SWJTUOCS2006.11.2Page2概况接触网——受电弓系统的受流（能量传递）过程是在动态中完成的。对于同一系统而言，列车速度越高，维持弓网间的良好接触也越困难，受流质量随之下降。当速度超过系统正常允许范围以上时，受流性能会严重恶化，甚至影响列车正常运行高速电气化铁路不能沿用现有常速下的各种系统，在高速领域内的不同速度段，要解决的问题也不尽相同高速受流技术是高速电气化铁路关键技术之一弓网关系强调接触网与受电弓是一个整体，研究弓网关系就是研究两者间的相互作用SWJTUOCS2006.11.2Page3主要内容弓网关系的核心问题接触网的振动特性受电弓及其与接触网的相互作用弓网关系评价参数与评价标准弓网关系评价案例接触网的动态检测与静态调整SWJTUOCS2006.11.2Page4振动系统的关系弓网系统的核心问题(1)滑动接触电能传输的接触面较小高速运行下的大电流SWJTUOCS2006.11.2Page5弓网关系的需求弓网系统的核心问题(2)几何需求受电弓轮廓电气需求最高速度时的电流静止状态下的电流动态需求接触压力的限制接触线最大抬升量保证安全可靠运营载流量寿命与安全三者间是相互联系的SWJTUOCS2006.11.2Page6几何需求弓网系统的核心问题(3)车辆限界及性能对接触线高度的限制受电弓的摆动受电弓几何尺寸接触线偏离受电弓中心的限制建筑限界隧道和桥梁站台面和房屋SWJTUOCS2006.11.2Page7电气需求弓网系统的核心问题(4)线索及零部件温度接触网系统载流量接触网系统短路载流量接触网电压变电所出口电压供电臂末端电压供电灵活性电分相电分段绝缘与接地谐波与杂散电流SWJTUOCS2006.11.2Page8动态需求弓网系统的核心问题(5)弓网间的接触力接触线的抬高保证功率传输的可靠性保证系统的使用寿命减少对周围环境的干扰避免对系统的损伤SWJTUOCS2006.11.2Page9接触网的振动特性(1)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、列车车体的振动以及风力等因素均参与作用SWJTUOCS2006.11.2Page10接触网的振动特性(2)与接触网振动有关的因素静态因素接触网的弹性（弹性——单位垂直作用力弓起接触线的抬升，与跨距成正比，与接触网的张力和成反比）接触网的弹性不均匀程度（弹性沿跨距的一致性）弹性及弹性不均匀度与接触线截面、接触线抗拉应力、接触网跨距、结构高度、预弛度及有无弹性吊索有关，与接触网的施工精度有关动态因素受电弓的跟随特性受电弓的空气动力特性与受电弓工作高度有关与受电弓数量及间距有关SWJTUOCS2006.11.2Page11DBSNCF基础限界4800动态包络线的车辆限界4700电气绝缘距离215220安装误差3030接触线向下的运动5550额外负载产生的弛度(冰等)9080在线路坡度小于12‰情况下的腕臂运动10最小高度52005080轨道高度变化储备100标准高度53005080接触线高度接触网的振动特性(3)SWJTUOCS2006.11.2Page12接触网施工精度接触网的振动特性(4)单位Re200Re250接触线高度mm±100±30定位点之间mm未定20吊弦之间mm2010接触线的拉出值mm±30±30接触线坡度11:10001:3000SWJTUOCS2006.11.2Page13接触网的弹性接触网的振动特性(5)SWJTUOCS2006.11.2Page140.30.40.50.60.7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%接触网的振动特性(6)SWJTUOCS2006.11.2Page15接触网的弹性比较反定位装置正定位装置跨距中心接触网的振动特性(7)SWJTUOCS2006.11.2Page16接触网的振动传播波动传播速度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运行方向xFlyv恒力F作用在接触线上并以速度v移动，接触线抬升y)sin(sinsin1)(2),(12222ltCnCvlvlnlxnnvCmFltxyppnp接触网的振动特性(8)SWJTUOCS2006.11.2Page17jjpgTC*6.3Tj–接触线的水平张力Ngj–接触线的质量常数kg/mcv7.0maxRe200Cu10010kNCp=376km/hvmax=263km/hRe250CuAg12015kNCp=427km/hvmax=299km/hRe330CuMg12027kNCp=572km/hvmax=400km/hEAC-350CuMg15031.5kNCp=553km/hvmax=387km/h运行速度无论如何不应超过波传播速度的70%，因此最大运行速度还是与波的传播速度有关波动传播速度接触网的振动特性(9)SWJTUOCS2006.11.2Page18DSA250型受电弓1——底架组装2——阻尼器3——升弓装置4——下臂5——托架6——下导杆7——上臂8——上导杆9——弓头10——碳滑板11——绝缘子受电弓及其与接触网的相互作用(1)SWJTUOCS2006.11.2Page191绝缘子纵向安装尺寸800±1mm2绝缘子横向安装尺寸1100±1mm3最低处折叠长度约1423mm4绝缘子高度约400mm5落弓位高度（包括绝缘子）682+5/-10mm6升弓高度（包括绝缘子）3090+100/-25mm7最低工作高度约982mm8最大工作高度约2890mm9碳滑板约1250mm10滑板总长约1576mm11弓头长度约1950mm12弓头宽广580±2mm13折叠长度约2561mm14绝缘距离约310mmDSA250型受电弓受电弓及其与接触网的相互作用(2)SWJTUOCS2006.11.2Page20设计速度350km/h电压/电流25kV/1000A静态抬升力50～140N可调传动气压升降传动受电弓滑板碳滑板寿命Re250接触网10万km总质量109kg材料主架为不锈钢，其它部件为铝合金DSA350型受电弓受电弓及其与接触网的相互作用(3)SWJTUOCS2006.11.2Page21对受电弓的基本要求不可能为了特定接触网单纯设计受电弓受电弓的基本特性应适合于规定的应用范围——两个运行方向的平均接触压力应该相等且只随速度变化略有增加，平均接触压力的目标值为Fm——静态接触压力应该满足静态取流要求（AC系统：60～90N、DC1.5kV系统：70～110N）——滑板的质量应尽可能低，以便实现最佳的动态特性——设置自动降弓装置，使受电弓在故障时落下受电弓及其与接触网的相互作用(4)04080120160200240280km/h36004080120160200NSpeedFmF=0,00097*+70(1)Vm2(1)inkm/hVSWJTUOCS2006.11.2Page22受电弓滑板特性接触电阻要小熔点高导热性良好质量小抗压强度高弹性好与铜接触线之间的摩擦系数小受电弓及其与接触网的相互作用(5)SWJTUOCS2006.11.2Page23接触压力——受电弓滑板与接触网之间的接触力，包括以下分力静态接触压力——因受电弓驱动，受电弓滑板施加在接触线上的力动态接触压力分力——由垂直振动引起的惯性分力空气动力分力——气流对受电弓的抬升力空气动力接触压力动态接触压力=接触压力+=+=受电弓及其与接触网的相互作用(6)SWJTUOCS2006.11.2Page24静态接触压力：停车时受电弓滑板对接触网施加的力根据TSI能量，静态接触压力：AC15kV和AC25kV为60～90N；DC3kV为100～120N；DC1.5kV为70～110N受电弓及其与接触网的相互作用(7)SWJTUOCS2006.11.2Page25空气动力接触压力：高速运行的受电弓受气流影响产生，垂直向上。在高速范围内，相对于速度来说，空气动力接触压力的增加相对较慢受电弓的空气动力阻力必须区别于空气动力接触压力。它是由与运行方向相反的风施加的。空气动力阻力主要发生在弓头上单臂受电弓还受到空气的阻力受电弓及其与接触网的相互作用(8)SWJTUOCS2006.11.2Page26空气动力分力：由空气流作用在受电弓上、向上的分力机翼上部气体流速快，静压力较小，下部气体流速慢，静压力较大，机翼会被向上推受电弓及其与接触网的相互作用(9)SWJTUOCS2006.11.2Page27空气动力阻力：由与运行方向相反的风施加的1正在运行的DSA350S型受电弓的空气动力阻力和功率损耗与速度的关系1-空气动力阻力2-功率损耗受电弓及其与接触网的相互作用(10)SWJTUOCS2006.11.2Page28由振动引起的惯性力：当受电弓高速运行时，弓头上下振动，根据牛顿第二定律，受电弓弓头归算质量与弓头上下振动的加速度之积为惯性力。它主要取决于速度、架空接触网和受电弓的动态特性及其数量和间隔，还取决于牵引车辆的运行状态和线路质量所谓受电弓的归算质量，就是把整个活架式的受电弓归算到接触线高度的一个质量，它与受电弓弓头具有相等的垂直加速度。归算质量不是一个常数，与受电弓的升高程度有关受电弓及其与接触网的相互作用(11)SWJTUOCS2006.11.2Page29弓网接触压力与运行速度的关系曲线受电弓及其与接触网的相互作用(12)SWJTUOCS2006.11.2Page30接触压力的限制DB测量系统Fmin40NFmax200N(当V250km/h时，Fmax250N)σ24N（双弓时为27N）EN50119交流系统接触压力Fmin0NFmax300N(当V200km/h时，Fmax350N)受电弓及其与接触网的相互作用(13)SWJTUOCS2006.11.2Page31在悬挂点安全抬升的几何关系受电弓及其与接触网的相互作用(14)SWJTUOCS2006.11.2Page32接触线与滑板的匹配接触线和滑板的使用寿命取决于:受电弓作用在接触线上的接触压力制作受电弓和滑板的材料滑板的数量和制作尺寸通过接触点的电流牵引车辆的速度线路处于隧道或区间的环境系数受电弓及其与接触网的相互作用(15)SWJTUOCS2006.11.2Page33纯铜和铜合金（纯铜、银铜合金、镁铜合金等）已成为接触线的主要材料，这也决定了接触网成本比较高钢、铜合金、石墨和金属碳已经用作滑板材料受电弓及其与接触网的相互作用(16)接触线与滑板的匹配SWJTUOCS2006.11.2Page34受电弓及其与接触网的相互作用(17)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℃碳合金150A150℃铜-钢1500A200℃铜合金1500A525℃*单根接触线SWJTUOCS2006.11.2Page35受电弓及其与接触网的相互作用(18)接触线材料机构强度与温度的关系SWJTUOCS2006.11.2Page36电气磨耗通过滑动接触实现电能传输实际的表面接触结构接触线与受电弓滑板的特点接触线受电弓滑板F机械磨耗接触线与滑板的磨耗受电弓及其与接触网的相互作用(19)SWJTUOCS2006.11.2Page37评价原则弓网关系评价参数与评价标准(1)目标定义评价因素安全电弧运营可靠运营寿命影响脱弓保护、受电弓无障碍运行传输需用功率接触线与滑板最低磨耗降低功能方面的干扰材料配置、接触面接触压力、电流、电弧接触线相对于受电弓中心