電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧抑制措施

電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧抑制措施

1弓網(wǎng)電弧的運(yùn)行狀態(tài)隨著中國(guó)多項(xiàng)高速鐵路客運(yùn)線的開(kāi)通，引導(dǎo)供電安全運(yùn)行的要求也越來(lái)越高。作為牽引供電系統(tǒng)中重要組成部分的受電弓-接觸網(wǎng)關(guān)系對(duì)電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)起著極其重要的作用。弓網(wǎng)關(guān)系的理想運(yùn)行狀態(tài)是弓網(wǎng)可靠接觸,無(wú)離線,無(wú)火花,機(jī)車(chē)不間斷地從接觸網(wǎng)上獲得電能。其中,弓網(wǎng)電弧在功率因素、受電弓滑板和接觸網(wǎng)線使用壽命、電磁輻射和干擾等方面均產(chǎn)生不良影響,因此,抑制弓網(wǎng)系統(tǒng)中的電弧對(duì)促進(jìn)高速鐵路的發(fā)展具有重要的意義。在國(guó)外,特別是在歐洲,高速鐵路起步早,弓網(wǎng)系統(tǒng)不但具備較完善的理論體系,而且對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)估的要求也極其嚴(yán)格。本文通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)和國(guó)外成熟的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范,從設(shè)計(jì)、施工和測(cè)試等方面來(lái)闡述接觸網(wǎng)電弧的抑制措施。2混凝土網(wǎng)格弧的產(chǎn)生和影響2.1弓網(wǎng)電弧的測(cè)量在正常狀態(tài)下,空氣是良好的絕緣體,但如果在氣體兩端加設(shè)足夠大的電壓,將出現(xiàn)空氣間隙被擊穿,導(dǎo)致氣體兩端的電流導(dǎo)通,這種現(xiàn)象稱為氣體放電。當(dāng)受電弓在接觸網(wǎng)上滑動(dòng)受電時(shí),由于接觸導(dǎo)線的不平順、接觸網(wǎng)懸掛設(shè)備的硬點(diǎn)、受電弓運(yùn)行時(shí)的弓頭振動(dòng)和接觸網(wǎng)波動(dòng)、軌道的平順度等多種因素影響,導(dǎo)致弓網(wǎng)分離而產(chǎn)生的氣體放電現(xiàn)象稱為弓網(wǎng)電弧。電力機(jī)車(chē)速度越高,弓網(wǎng)電弧越容易產(chǎn)生。在歐標(biāo)EN50317《受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)弓網(wǎng)電弧做出定義:“電弧Arcs,arcing:電流通過(guò)一個(gè)滑板和一支接觸線之間的空氣間隙的流動(dòng),通常伴有強(qiáng)光產(chǎn)生。”弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧不可能模擬,測(cè)量已經(jīng)表明不可能重現(xiàn)試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果。利用電弧作為評(píng)價(jià)指標(biāo)有一定的局限性。但是在列車(chē)一定的運(yùn)行速度和受電子弓取流量均一定的情況下,利用弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧的次數(shù)和持續(xù)的時(shí)間評(píng)價(jià)弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸特性還是可行的。因此引入離線率的概念,歐標(biāo)EN50317對(duì)離線率(NQ)的計(jì)算做出定義:離線率NQ:按式(1)計(jì)算式中:tarc———持續(xù)大于1ms的電弧的持續(xù)時(shí)間;ttotal———測(cè)量電流超過(guò)30%額定電流的時(shí)間。歐標(biāo)EN50367《鐵路弓網(wǎng)受流技術(shù)規(guī)范》對(duì)弓網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了定義,其中交流接觸網(wǎng)系統(tǒng)在行車(chē)速度小于250km/h時(shí),要求平均接觸力小于132N,NQ小于0.1%。在我國(guó)TB10621-2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》中對(duì)離線率提出明確的要求:“高速接觸網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)的高速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能匹配的仿真評(píng)估,仿真計(jì)算離線率不應(yīng)大于1%”。2.2電池生產(chǎn)2.2.1電流特性的影響受電弓運(yùn)行過(guò)程中滑板與接觸線并非完全耦合接觸,而是少數(shù)的點(diǎn)(小面)發(fā)生了真正的接觸,如圖1所示。由接觸線流向滑板的電流在該處發(fā)生收縮,電流流過(guò)的路徑增加,有效導(dǎo)電面積減小,形成接觸電阻。當(dāng)電流流經(jīng)接觸電阻,弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸點(diǎn)局部區(qū)域溫度升高,嚴(yán)重時(shí)溫升可達(dá)到滑板和接觸線材料的軟化點(diǎn)、熔化點(diǎn),甚至形成電火花。接觸網(wǎng)的溫升與滑板及接觸線材料的電阻率、導(dǎo)電點(diǎn)數(shù)目、接觸硬度、接觸力大小有關(guān)。接觸線電阻率依次增加,受電弓劃過(guò)時(shí)產(chǎn)生電火花的幾率也依次增加。2.2.2弓網(wǎng)振動(dòng)不匹配電力機(jī)車(chē)高速運(yùn)行過(guò)程中,接觸網(wǎng)和受電弓形成了一對(duì)動(dòng)態(tài)振動(dòng)系統(tǒng),2個(gè)子系統(tǒng)既相互激勵(lì),又有各自固有振動(dòng)參數(shù)。當(dāng)弓網(wǎng)振動(dòng)不匹配,接觸壓力為零時(shí),造成受電弓滑板脫離接觸導(dǎo)線。此外,因施工精度引起接觸導(dǎo)線的不平順;吊弦間隔接觸線高低不平;接觸線大硬彎、大質(zhì)量的零部件等造成硬點(diǎn)等均會(huì)引起弓網(wǎng)離線電弧。2.2.3通過(guò)上升電弓和下降電池受電弓滑板接觸或脫離接觸線的瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧。2.3電弧消失,接觸線減弱受電弓滑行過(guò)程中出現(xiàn)連續(xù)電弧,容易產(chǎn)生如下不良影響:(1)電弧熄滅瞬間產(chǎn)生一個(gè)幅值很高的過(guò)電壓,影響電力機(jī)車(chē)安全運(yùn)行。(2)燒蝕受電弓滑板和接觸導(dǎo)線,縮短使用壽命。嚴(yán)重情況將導(dǎo)致接觸線斷線,造成行車(chē)事故。(3)產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾。3問(wèn)題的研究現(xiàn)狀弓網(wǎng)電弧是一個(gè)復(fù)雜的研究對(duì)象,到目前為止,還很少見(jiàn)到對(duì)弓網(wǎng)電弧問(wèn)題進(jìn)行專門(mén)研究報(bào)道。筆者通過(guò)研究電弧的產(chǎn)生原理和影響,可以通過(guò)優(yōu)化接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格遵守材料及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、提高施工精度、強(qiáng)化測(cè)試要求、改善受電弓性能、改善車(chē)載變壓器5項(xiàng)措施來(lái)減少弓網(wǎng)電弧。3.1改進(jìn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施可以采用降低接觸線電阻和改進(jìn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。接觸線電阻越大,電弧的幾率也越大。接觸線有銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金3種,電阻率按順序依次增大。在抗拉強(qiáng)度允許的條件下宜選擇電阻率小的銅銀合金接觸線。改進(jìn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu),可以通過(guò)改變接觸網(wǎng)懸掛方式、調(diào)整跨距、調(diào)整吊弦間距、調(diào)整預(yù)馳度等措施來(lái)提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的高速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能匹配。當(dāng)前對(duì)受電弓-接觸網(wǎng)模型研究活躍,其中弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真憑借重復(fù)性好、代價(jià)低的特點(diǎn),已成為優(yōu)化弓網(wǎng)模型的重要研究方法。通過(guò)設(shè)置合適的模型參數(shù),評(píng)價(jià)模型仿真后的平均接觸力、最大(小)接觸力、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù),確定最優(yōu)的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)。國(guó)際上較為通行仿真的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有:國(guó)際鐵路聯(lián)盟制定的UIC794《弓網(wǎng)受流規(guī)范》、歐標(biāo)EN50317《受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、EN50318《受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、EN50367《鐵路弓網(wǎng)受流技術(shù)規(guī)范》等。3.2接觸網(wǎng)材料及設(shè)備規(guī)范嚴(yán)格遵守材料及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),主要是接觸線、吊弦、線夾、定位器等。接觸線表面光滑度、平直度、剛度和均勻度等因素均會(huì)影響電弧的產(chǎn)生。減少接觸線和受電弓系統(tǒng)內(nèi)零部件的材料電阻率,增加零部件的熱導(dǎo)率等,推遲弓線表面到達(dá)熔純、氣化溫度的時(shí)間,可以減少電弧的產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)材料及設(shè)備的規(guī)范較為全面,主要有TB/T2809-2005《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》、TB/T2075.1~2075.23-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》、TB/T2074-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》、TB/T2073-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》等。國(guó)外較為通用的標(biāo)準(zhǔn)中,IEC60913《電力牽引架空線》、UIC870《接觸線技術(shù)規(guī)格》、EN50119《接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)》、EN50149《銅及銅合金溝槽接觸線》等均對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)材料進(jìn)行了規(guī)定。3.3接觸網(wǎng)調(diào)整及吊弦長(zhǎng)度當(dāng)前對(duì)提高施工精度的研究也很多,在接觸網(wǎng)施工過(guò)程中,必須嚴(yán)格按規(guī)范中的程序操作并遵守施工工藝要求。吊弦線夾和電連接線夾應(yīng)安裝端正、牢固,避免出現(xiàn)硬點(diǎn)。接觸網(wǎng)架線時(shí)嚴(yán)禁施工人員踩踏接觸導(dǎo)線。接觸導(dǎo)線放線應(yīng)使用恒張力放線作業(yè)車(chē),保證接觸導(dǎo)線的平順。在接觸網(wǎng)調(diào)整過(guò)程中,接觸導(dǎo)線需進(jìn)行超拉,保證導(dǎo)線的馳度。精確計(jì)算各吊弦的長(zhǎng)度,保證相鄰吊弦點(diǎn)的接觸線高度一致。在接觸線有坡度要求時(shí),吊弦點(diǎn)的接觸線高度應(yīng)均勻變化。國(guó)內(nèi)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有TB/T10421-2003《鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、TB/T10758-2010《高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、鐵建設(shè)241號(hào)《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》、TZ10208-2008《客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》和以上提到的歐標(biāo)EN50119等。3.4接觸網(wǎng)檢測(cè)指標(biāo)接觸網(wǎng)施工完成后,需要通過(guò)冷滑和熱滑試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試接觸懸掛的彈性,接觸線平滑度,吊弦線夾、定位線夾、接觸線接頭線夾等安裝狀態(tài),在受電弓-接觸線接觸的任何部位不允許有硬點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試保證弓網(wǎng)的良好受流,減少電弧的產(chǎn)生。當(dāng)前主要的標(biāo)準(zhǔn)有鐵建設(shè)241號(hào)、TZ10208-2008和EN50119等。接觸網(wǎng)檢測(cè)可分為動(dòng)態(tài)檢測(cè)和靜態(tài)檢測(cè)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)的主要參數(shù)為受電弓的接觸壓力(最大、最小和平均接觸壓力)、受電弓水平?jīng)_擊加速度和接觸導(dǎo)線的抬升量。靜態(tài)檢測(cè)的主要參數(shù)為接觸導(dǎo)線高度、跨中導(dǎo)線馳度、跨中偏移量、接觸網(wǎng)拉出值、接觸線磨耗、接觸網(wǎng)張力、硬點(diǎn)和錨段關(guān)節(jié)處兩導(dǎo)線間距等與接觸網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。主要標(biāo)準(zhǔn)有鐵運(yùn)10號(hào)《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修暫行規(guī)程》、EN50317和EN50367等。3.5靜態(tài)接觸壓力受電弓滑板與接觸線構(gòu)成一對(duì)機(jī)械與電氣耦合的摩擦副,這要求滑板材料具有良好耐拉弧性、抗沖擊性和導(dǎo)電性,主要滑板材料有粉末冶金、浸金屬碳以及碳纖維復(fù)合材料。由于在磨耗、抗沖擊和維護(hù)上各有優(yōu)劣,當(dāng)前滑板的發(fā)展趨勢(shì)是以碳纖維滑板、金屬纖維滑板、帶有潤(rùn)滑功能的金屬基復(fù)合材料滑板、具有自潤(rùn)滑功能的無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料滑板取代碳滑板、粉末冶金滑板。受電弓會(huì)因抬升力引起接觸線和滑板的磨損增加,因此要求受電弓在整個(gè)工作范圍內(nèi),保持一定的靜態(tài)壓力。根據(jù)TSIEnergySubsystem,建議25kV受電弓采用靜態(tài)接觸壓力為60~90N。靜態(tài)壓力、空氣動(dòng)力接觸壓力、動(dòng)態(tài)接觸壓力組成接觸力,該評(píng)價(jià)指標(biāo)在“優(yōu)化設(shè)計(jì)”中已進(jìn)行描述。國(guó)內(nèi)外對(duì)受電弓的規(guī)范比較全面,主要有GB/T21561.1-2008和GB/T21561.2-2008《軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛受電弓特性和試驗(yàn)》、TB/T1842.1-2002、TB/T1842.2-2002和TB/T1842.3-2008《電力機(jī)車(chē)受電弓滑板》、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)有UIC608《國(guó)際聯(lián)運(yùn)用電力機(jī)車(chē)和電力動(dòng)車(chē)受電弓應(yīng)遵循的條件》和TSIEnergySubsystem等。3.6弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生弓網(wǎng)分離產(chǎn)生的電弧來(lái)源為2部分,電源提供的能量,WL1和磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)在回路中的能量WL2。如果在車(chē)載變壓器高壓側(cè)并聯(lián)一個(gè)合適的電容(圖2),弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生時(shí),該電容能使負(fù)載兩端的電壓基本保持平衡,電源向電弧提供的能量很小WL1≈0。持續(xù)電弧因回路中的電流為0而熄滅,此時(shí)負(fù)載和電容、電壓達(dá)到最大值,原磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)的能量有WC轉(zhuǎn)移為電容的電場(chǎng)能。因此并聯(lián)電容后,電弧能量損耗減少了WL1+WC,該能量約占總能量的40%,且瞬時(shí)過(guò)電壓由原先無(wú)電容時(shí)的電源電壓1.8倍減少至1.1倍。由于電容的存在,有效抑制了弓網(wǎng)間過(guò)電壓,減少電弧的能量消耗,從而抑制弓網(wǎng)電弧。4弓網(wǎng)電弧的預(yù)防(1)接觸網(wǎng)電弧的產(chǎn)生是一個(gè)