高速鐵路概論 第2版 課件 項目三 任務2高速鐵路接觸網

項目三

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)

高速鐵路概論【項目描述】

高速鐵路上運行的動車組本身不帶能源，必須依靠外部裝置提供電能，專門給動車組供給電能的裝置稱作牽引供電系統(tǒng)。本項目主要介紹高速鐵路牽引供電系統(tǒng)組成、高速鐵路供電安全及高速電氣化鐵路作業(yè)安全。

通過本項目的學習，培養(yǎng)學生守正創(chuàng)新，將責任與安全刻入心間，做供電安全的守護神。任務2高速鐵路接觸網系統(tǒng)【能力目標】

能識別高速鐵路接觸網的組成及各部分作用?！局R目標】

掌握高速鐵路接觸網的組成；掌握高速鐵路對接觸網和受電弓的基本要求?！鞠嚓P知識】

接觸網是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，牽引變電所通過接觸網向列車（動車組）供電，而列車（動車組）通過受電弓從接觸網取電，高速鐵路采用架空柔性接觸網。

一、高速鐵路接觸網的基本組成

接觸網一般由接觸懸掛、支持和定位裝置、支柱與基礎等部分組成，接觸網還安裝防雷、接地、標識、保安等設備和設施。接觸網通過支柱及軟橫跨、硬橫跨，以一定的懸掛形式將接觸線直接架設在鐵路的上方。為了保證接觸網的電氣安全、提高接觸網供電的靈活性，接觸網中還架設有如供電線、保護線、接地線等架空電線。

接觸網結構如圖3-2-1所示。圖3-2-1接觸網結構示意

（一）接觸懸掛結構

1.接觸懸掛

接觸懸掛是接觸網的接觸線、吊弦、承力索、中心錨結、補償裝置以及連接零件的總稱。通過支持裝置架設在支柱上，將電能輸送給動車組列車，接觸懸掛應具備良好的機電性能。

接觸懸掛如圖3-2-2所示。圖3-2-2接觸懸掛

2.錨段及錨段關節(jié)

（1）錨段

接觸網按一定規(guī)律分成若干一定長度且相互獨立的段落，這種段落稱作錨段。錨段是接觸網的基本機電單元。將接觸網分段主要是為了實現(xiàn)接觸網的機械分段和電氣分段，安裝張力補償裝置或其他輔助電氣設備，提高接觸網供電靈活性，縮小事故范圍，保證吊弦及定位器的偏移不超出規(guī)定值。

錨段的長度取決于接觸網的實際工作環(huán)境，如最高溫度、最低溫度、最大風速、線路狀況以及下錨處至中心錨結處的張力差、下錨形式及補償器的有效工作范圍、錨段關節(jié)內兩組懸掛間的絕緣間隙允許偏差等。高速鐵路接觸網一個錨段包括若干個跨距，錨段一般長度為1500m左右，困難情況不超過2000m。

（2）錨段關節(jié)

錨段關節(jié)是指錨段與錨段之間的銜接部分。高速鐵路接觸網常用的錨段關節(jié)形式有四跨非絕緣錨段關節(jié)、四跨絕緣錨段關節(jié)、五跨非絕緣錨段關節(jié)、五跨絕緣錨段關節(jié)。非絕緣錨段關節(jié)從電氣上不能將兩個錨段分開，僅起機械分段的作用，組成錨段關節(jié)的兩組懸掛彼此間通過電連接直接從電氣上連通，空氣間隙較小。絕緣錨段關節(jié)既起機械分段的作用，也起電氣分段的作用，組成錨段關節(jié)的兩組懸掛彼此間通過隔離開關實現(xiàn)電氣通斷，空氣絕緣間隙應滿足高速接觸網電氣絕緣要求。

3.中心錨結

由于氣溫、風雪、線路坡道、受電弓等的作用，接觸懸掛存在來回竄動的可能。當承力索或接觸線斷線時，錨段懸掛受到影響，嚴重時甚至造成塌網。為防止發(fā)生以上事故、縮小事故范圍、減少溫度變化引起的線索張力差、增加懸掛彈性均勻性，應在錨段中部適當位置設置中心錨結。中心錨結如圖3-2-3所示。圖3-2-3中心錨結

中心錨結的位置取決于線路條件，應盡量使中心錨結兩側半錨段產生的張力差相等，具體位置應通過張力差計算確定?？缇唷㈠^段、錨段關節(jié)、中心錨結如圖3-2-4所示。圖3-2-4跨距、錨段、錨段關節(jié)、中心錨結示意圖

4.下錨及補償裝置

接觸網每個錨段都需要固定，稱為下錨，下錨有硬錨和補償裝置下錨兩種形式。高速鐵路接觸網采用的是張力補償裝置下錨方式，承力索和接觸網均通過補償裝置下錨，稱為全補償。

補償裝置有滑輪、棘輪、鼓輪、彈簧等多種形式。

滑輪補償裝置由補償滑輪組、不銹鋼補償繩、補償墜砣串、墜砣桿及其連接零件組成（如圖3-2-5所示）。圖3-2-5滑輪補償裝置示意圖

棘輪補償裝置由棘輪、棘輪底座、棘輪連接架、補償繩、平衡輪及雙耳楔形線夾等組成（如圖3-2-6所示）。

補償下錨可調節(jié)和控制因溫度變化引起的線索張力和弛度變化，使張力和弛度保持在一定技術范圍內，提高接觸網的機械穩(wěn)定性。在高速鐵路接觸網中，為提高接觸網（主要是接觸線）的波動速度，承力索和接觸線均加有較大的補償張力。圖3-2-6棘輪補償裝置

（二）接觸網的支柱裝配

1.支柱與基礎

支柱與基礎用以承受接觸懸掛、支持裝置和定位裝置的全部負荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。接觸網支柱按使用材質可分為鋼筋混凝土支柱和鋼柱（高速鐵路普遍使用）兩大類。

1.鋼筋混凝土支柱

鋼筋混凝土支柱采用高強度的鋼筋，在制造時預先使鋼筋產生拉力，具有節(jié)省鋼材、強度大、支柱輕等優(yōu)點。

2.鋼柱

鋼柱是以角鋼焊成的架結構，具有支柱較輕、強度高、抗碰撞、安裝運輸方便等優(yōu)點。根據安裝使用地點不同，鋼柱的型號規(guī)格及外形結構也不同。橋梁（上承橋）通常采用鋼柱，其基礎在橋墩上預留。

支柱上還裝有接地裝置，與鋼軌回路接通，起到保護作用。下錨支柱上還裝有補償裝置，并設拉線裝置。

2.支持裝置

支持裝置用以支持接觸懸掛并將其負荷傳給支柱或其他建筑物，其結構隨線路情況而變化。區(qū)間主要為腕臂結構；站場則視股道數量、線路情況、支柱所在位置等因素而選用軟橫跨、硬橫跨或腕臂結構。

腕臂支持裝置安裝在腕臂柱、硬橫梁及隧道內吊柱上，起到承載接觸懸掛荷重、固定承力索、固定定位裝置的作用，一般由平腕臂、斜腕臂、套管座、承力索座、腕臂支撐、套管單耳、管帽等組成，如圖3-2-7所示。圖3-2-7腕臂支持裝置

支持裝置應有足夠的機械強度、重量輕、結構簡潔、防腐性能好、便于安裝和維護。

3.定位裝置

定位裝置由定位管、定位器等零部件組成，安裝在支持裝置之上，完成接觸線的空間定位，保證接觸線相對于軌道平面的高度（導高）和軌道線路中心的偏離距離滿足受電弓高速滑行的需要，對定位裝置的要求是簡潔、穩(wěn)定，安全、可靠，零件少、質量輕，防腐性能好，便于裝配和調整，定位裝置如圖3-2-8所示.

圖3-2-8支持和定位裝置的組成及零件

（三）接觸網設備

1.接觸網隔離開關

隔離開關是用于接觸網無負荷情況下切斷或閉合供電回路的電氣設備，可實現(xiàn)接觸網的電分段在電氣上的互相接通與斷開，從而提高供電的可靠性和靈活性。由于高速鐵路封閉管理，搶修人員到達現(xiàn)場的距離長，故沿線負荷開關和電動隔離開關納入遠動控制后，可準確判斷故障，通過遠動方便快捷倒閘作業(yè)，壓縮故障停時（如圖3-2-9所示）。圖3-2-9高速鐵路接觸網隔離開關

2.接觸網線岔

在線路道岔區(qū)，列車會從一股道過渡到另一股道，與其對應，在道岔區(qū)上空，必須采取一定技術手段確保受電弓從一組懸掛平穩(wěn)安全的過渡到另一組懸掛，完成這一功能的接觸網結構就是接觸網線岔，接觸網線岔分為交叉和無交叉兩大類。無交叉線岔如圖3-2-10所示。圖3-2-10三組懸掛無交叉線岔

3.避雷器

避雷器是對接觸網進行防雷擊保護的裝置。安裝在接觸網支柱上，與接觸懸掛相連接，發(fā)生大氣過電壓時，避雷器內部和外部間隙首先被擊穿而接地，保護接觸網設備。避雷器如圖3-2-11所示。圖3-2-11避雷器

二、接觸網的分段、分相設置

接觸網的分段、分相設置應考慮檢修停電方便和縮小故障停電范圍，并充分考慮電力動車組正常運行和調車作業(yè)的需要。分相的位置應避免設在進出站和變坡點區(qū)段。雙線電氣化區(qū)段應具備反方向行車條件。負荷開關和電動隔離開關應納入遠動控制。接觸網不得引接非牽引負荷。

（一）電分段

為增加接觸網供電靈活性和安全性，縮小停電事故范圍，滿足供電、檢修以及其他特殊需要，對同相接觸網進行的電氣絕緣分段稱作接觸網電分段。

電分段的形式有空氣式（絕緣錨段關節(jié)）和器件式（分段絕緣器、絕緣子）。器件式電分段一般用于空間有限或不便設絕緣關節(jié)的地點，如上下行正線間。

電分段的類型有縱向和橫向之分，順線路方向進行的電分段為縱向電分段，如區(qū)間接觸網和站場接觸網之間的電分段；站場各股道接觸懸掛間進行的電分段為橫向電分段，如站場上下行接觸網之間的電分段。

電分段的設置涉及變電所（分區(qū)亭）饋線分布、接觸網運營檢修的安全性和靈活性、站內及相應地段的作業(yè)安全，應根據車站或站場的分布、變電所（分區(qū)亭）饋線的分布、接觸網檢修作業(yè)需求、上下行線路行車供電方式、機車行車進路等有關信息進行反復推敲，得出最優(yōu)方案。

（二）電分相

電分相是兩個不同相供電臂之間的分段裝置。電氣化鐵路采用工頻25kV的單相交流電，對于三相電力系統(tǒng)而言，各牽引變電所需輪換相序向接觸網供電，因此，接觸網上有三相交流電存在，就必須采取分相措施。

高速鐵路接觸網均采用帶中性段的錨段關節(jié)式電分相，一般由位于兩相接觸網之間的一個中性錨段（俗稱小錨段）和帶電的兩相接觸網組成兩個絕緣錨段關節(jié)，通過受電弓在錨段關節(jié)和中性段上的轉換實現(xiàn)換相。

中性段長度由列車編組情況，如動力集中或動力分散、升弓數量、受電弓間距、受電弓之間的電氣連接情況以及最高運行速度等因素確定。當列車采用多弓運行時，若各弓間用高壓母線連接，則兩最遠端受電弓之間的距離應小于電分相無電區(qū)的長度D1，如圖3-2-12(a)所示；若各弓間無高壓母線連接，則任意兩弓之間的距離應小于無電區(qū)長度D1或大于中性段長度D2，如圖3-2-12（b）所示。高速鐵路列車每秒運行達80~100m，幾分鐘就會通過一個接觸網電分相區(qū)，靠司機手動操作過電分相區(qū)存在嚴重的安全問題，高速鐵路接觸網采用列車自動過分相技術。圖3-2-12D1、D2、L關系示意圖

1.車載設備自動過分相

車載自動過分相是通過列車與地面信號的配合，在列車上通過列車控制系統(tǒng)模擬司機手動過分相，即自動斷輔助電路、斷主斷路器、合主斷路器、合輔助電路等一系列操作過程。該過分相方式的最大特點是列車過分相時需斷電，列車靠慣性通過中性段。如圖3-2-13所示，系統(tǒng)由安裝于電分相區(qū)的四個地面磁性感應器和安裝于動車上的地面感應信號接收器、控制系統(tǒng)、信號指示系統(tǒng)4個部分組成。

當列車接收到1號（反方向為4號）地面感應器的預備信號時，控制裝置根據列車實際運行時速計算延時動作時間，一直延時到執(zhí)行自動過電分相的系列動作開始。為保證感應器在可靠接收到1號（反方向為4號）地面感應器信號之后和接收到2號地面感應器信號之前，控制裝置靠分斷主斷路器，應合理選擇1號、2號地面感應器之間的距離。

2號（反方向為3號）地面感應器是過電分相時的強迫分斷主斷路器信號，同時也是反向運行時的合閘信號，它還可對過電分相預備信號丟失起到應有的保護作用。當列車收到該信號時，控制裝置立即執(zhí)行自動過電分相的全部動作。圖3-2-13車載自動過分相系統(tǒng)示意圖（虛線內為車內裝置）

2.地面自動過電分相

地面自動過分相，是通過地面開關設備與列車位置信號配合，通過開關分相處兩端的供電臂電壓切換到中性段上。列車通過中性段時，不斷電，列車不需要做切換動作，僅由地面開關完成。地面自動過分相方式實現(xiàn)了列車運行過程中不斷電，可避免高速列車過分相時的速度損失，有益于高速列車的持續(xù)高速運行。地面開關式自動過分相如圖3-2-14所示。圖3-2-14地面開關式自動過分相示意圖

三、弓網系統(tǒng)

接觸網是牽引供電系統(tǒng)的主動脈，其功能是通過與受電弓在運行中的良好接觸將電能傳給動車組。受電弓是安裝在動車組上從接觸網上獲取電能的裝置。由受電弓和接觸網組成的電力系統(tǒng)就叫弓網系統(tǒng)。弓網系統(tǒng)通過不間斷的機械、電氣接觸向動車組供電。弓網關系示意如圖3-2-15所示。圖3-2-15弓網關系示意為了使動車組連續(xù)不斷地獲取電能，要求接觸線與受電弓在運行中接觸良好，包括弓網振動小、相互沖擊小、離線次數和時間少、導線和滑板磨耗小等。

（一）受電弓

1.受電弓的位置及結構

受電弓安裝在動車車頂上，通過與接觸導線的摩擦，將變電所的電能轉移給動車組。受電弓可分單臂弓和雙臂弓兩種，均由滑板、上框架、下臂桿、絕緣子、升弓與降弓機構等部件組成，如圖3-2-16所示。圖3-2-16受電弓結構

2.受電弓的工作原理

（1）升弓

壓縮空氣經電空閥均勻進入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉動，抬起上框架和滑板，受電弓勻速上升，在接近接觸線時有緩慢停滯，然后迅速接觸接觸線。

（2）降弓

傳動氣缸內壓縮空氣經受電弓緩沖閥迅速排向大氣，在降弓彈簧作用下，克服升弓彈簧的作用力，使受電弓迅速下降，脫離接觸網。

3.高速受電弓的要求

高速動車組受電弓應滿足以下基本要求。

（1）保持合適的接觸壓力

受電弓的結構應保證滑板與接觸導線在規(guī)定的工作高度范圍內保持合適的接觸壓力，以實現(xiàn)可靠的連續(xù)電接觸。

（2）減輕受電弓運動部分的重量

減輕受電弓運動部分的重量，以減小運動慣性力，從而使受電弓滑板迅速跟上接觸導線位置的變化，保證良好的電接觸。

（3）良好的結構設計

高速受電弓在結構設計上要充分考慮列車高速運行時的空氣動力學問題，力求使作用在滑板上的空氣動力由別的零件承擔，從而使受電弓滑板在其垂直工作范圍內始終保持水平位置，以減小甚至消除空氣動力對滑板與接觸導線間接觸壓力的影響。

（4）對滑板的要求

滑板的材料、形狀和尺寸應適應高速的要求，以保證良好的接觸狀態(tài)，提高耐磨性能。

（5）受電弓的升降

受電弓在升降弓時，初始動作應迅速，終了動作應較為緩慢，以確保在降弓時快速斷弧，并防止升降弓時受電弓對接觸網和底架有過大的沖擊荷載。

（6）空氣動力學設計

高速受電弓還應具有良好的空氣動力學性能，以減小高速運行時產生的噪聲。

（二）受流技術

受電弓從接觸線獲取電能的過程被稱為“受流”。

1.受流過程

列車的受流過程是一個動態(tài)過程，主要包括以下幾個方面。

（1）受電弓相對于接觸導線的滑動摩擦。

（2）受電弓上下振動。

（3）受電弓由于動車橫向擺動而形成的橫向振動。

（4）接觸網上下振動，并形成行波沿導線向前傳播。

（5）受電弓和接觸導線直接發(fā)生的水平和垂直方向的撞擊。

（6）弓網離線發(fā)生電弧，受電弓受流中，電流發(fā)生劇烈變化。

弓網受流隨列車速度的提高，上述各種運動加劇，維持弓網之間的良好接觸性能愈加困難，受流質量也隨之下降，當列車速度超過受流系統(tǒng)的允許

范圍時，受流質量將受到嚴重影響，影響列車取流和正常運行。

2.高速鐵路受流系統(tǒng)的要求

為了保證高速列車運行的安全、可靠，高速鐵路的受流系統(tǒng)必須滿足以下基本條件。

（1）保證功率傳輸的可靠性

在高速列車運行的全部接觸網區(qū)段，必須保證列車所需要的最低電壓；在高速鐵路所有可能的運營條件下，接觸網一受電弓系統(tǒng)的電流負荷能力必須保證高速列車的可靠運行。高速列車的電流負荷特征是：脈沖負荷占的比例大、電流大、持續(xù)時間短，由于列車速度快，啟動和加速獲得電流很大，因此，在弓網高速相對運動中，整個牽引供電系統(tǒng)均要適應高速列車對電壓水平和電流負荷的要求。

（2）受流系統(tǒng)的運行安全性

受流系統(tǒng)的安全運行是高速鐵路正常運營的保證。接觸網的幾何參數（拉出值、導線高度、定位器坡度）保證受電弓滑板沿接觸網安全地滑動。

接觸線在定位點處與受電弓滑板中心有一定距離，這個距離在直線區(qū)段叫作接觸線的之字值，在曲線區(qū)段稱作拉出值，一般用符號“a”表示。接觸網導線高度（導高）是指懸掛定位點處接觸線距軌面的垂直高度，如圖3-2-17所示。圖3-2-17導高和拉出值示意

（3）良好的受流質量

受流系統(tǒng)的理想運行狀態(tài)是弓網可靠接觸，動車不間斷地從接觸網上獲得電能。運行狀態(tài)的性能參數為無離線、無火花。實際線路中，離線率要盡量小，系統(tǒng)具有動態(tài)穩(wěn)定性。

（4）保證受流系統(tǒng)的使用壽命

受流系統(tǒng)中，涉及使用壽命的兩個主要因素是接觸導線的使用壽命和受電弓滑板的使用壽命。其壽命取決于它們之間的磨耗，磨耗量在一定速度和傳遞功率條件下，主要取決于弓網接觸力的大小，保持接觸力均勻，即控制接觸力的標準偏差以減少接觸導線的局部磨耗。接觸導線和受電弓滑板在材質上應具有一定的耐磨性能，另外，接觸導線應具有抗電化學腐蝕性能。

（5）減少對周圍環(huán)境的影響

受流過程中，產生的電弧會產生電磁干擾和噪聲，應采取措施減少對周圍環(huán)境的影響。

四、高速電氣化鐵路安全知識

為了防止觸電傷亡事故發(fā)生，凡在電氣化鐵路工作的從業(yè)人員，以及廣大旅客和沿線居民，必須熟知電氣化鐵路安全的有關規(guī)定，并且必須嚴格執(zhí)行。

1.安全電壓

安全電壓是指對人體不會引起生命危險的電壓，它是根據人體電阻確定的，人體電阻一般在800Ω-1MΩ之間，流經人體不致發(fā)生生命危險的電流一般不會超過50mA，按照歐姆定律可推知人體安全電壓應小于40V。我國規(guī)定36V以下為安全電壓，在某些特殊場合規(guī)定12V為安全電壓。

2.低壓和高壓

低壓指對地電壓在250V及以下，如380/220V三相四線制居民生活用電線路、直流220/110V電源等。高壓指對地電壓在250V以上，如10kV電力線路、接觸網線路等。

3.跨步電壓

跨步電壓是指電氣設備碰殼或電力系統(tǒng)一相發(fā)生接地短路時，電流從接地處四散流出，在地面上形成不同的