客运专线弓网关系及武广客运专线弓网受流分析

吴树伟

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司,天津 300250)

武广客运专线是国家“十一五”重点建设项目,设计最高时速350 km。目前该线已投入运营,显示了良好的社会和经济效益,并验证了我国高速铁路技术的可靠性。其中可靠供电是客运专线安全、平稳、高速运行的重要保证,而供电质量的好坏取决于高速运行状态下接触网与受电弓的相互作用,所以,高速弓网关系是客运专线关键技术之一,在武广客运专线联调联试阶段,弓网关系即是重要检测内容之一。在此,本文将就高速运行状态下弓网关系并结合武广客运专线联调联试中弓网受流情况进行一些浅析。

1 接触网受流分析

弓网关系的实质就是要保证机车在高速运行中通过受电弓获取持续稳定的电流。供电可靠性、供电质量及弓网系统的运行寿命主要依赖于受电弓和接触网的设计方案和大量参数的选取。

1.1 接触线的波动速度

接触线的波动速度是控制运行速度的重要条件。

接触线的波动传播速度为

式中Cp——波动传播速度，km/h；

Tj——接触线的水平张力，N；

gj——接触线的质量常数，kg/m。

在研究接触线的波动传播速度的时候,一般还引入另外一个概念：无量纲速度β

式中v——实际运行最高速度，km/h；

Cp——波动传播速度，km/h。

各国的理论研究及实践均证明,实际最高运行速度不应超过波动传播速度的70%,即vmax≤0.7Cp,当运行速度大于波动传播速度的0.7倍,甚至达到或接近波动速度(β≈1)时,受流质量就会严重恶化。

武广客运专线接触线张力选用为30 kN,接触线的线密度为1.35 kg/m,代入上述公式可知,接触线的波动速度为540 km/h,本线最高速度为350 km/h,即无量纲速度β为0.64,由此可见,本线接触网系统满足接触线波动速度的要求。

1.2 接触悬挂的弹性

接触网的弹性是评价链型接触悬挂静态特性的重要指标参数,它是借助弹性e和弹性不均匀度u来衡量评价的。弹性e是接触线在受电弓抬升力作用下所具有的抬高性能(单位为mm/N),在每个跨距中,总会有一个弹性最大值和一个弹性最小值,所以弹性不均匀度就由下式来表示

根据时速大于300 km安装弹性吊弦的接触网系统相关国际标准,本线对接触网弹性和不均匀度要求为

弹性最大值：emax<0.39 mm/N；

不平衡度最大值：u<10%。

1.3 受电弓特性

要想取得满意的弓网受流质量、实现高速运营的目标,不但要求接触网应具有优越的性能,而且还应要求与之匹配的受电弓也应具有优越的性能。

武广客运专线目前测试用受电弓有2种,一种是DSA380D型受电弓,此受电弓类型可运行于380 km/h的速度,在德国的ICE3动车组以及运行速度350 km/h的西班牙EMU Talgo350上正在使用；另一种受电弓为SSS400+型,此受电弓类型可运行于400 km/h的速度,在运行速度350 km/h的西班牙Velaro动车组上正在使用。

另外,在联调联试的最后阶段还采用了Cx有源受电弓。该型受电弓为单臂结构,可通过电子卡调整受电弓压力。

1.4 弓网受流评判标准

日本、德国、法国等国家高速铁路根据本国国情,均制定了相应的弓网受流评判标准,3国的评价标准(包括评价项目、指标等)各不相同,具体内容见表1。

由于欧洲铁路联盟标准不是拘于某一个国家制定而是欧洲各国在总结高速接触网运营经验的基础上达成的共识,因此可以认为采用欧洲铁路联盟关于弓网受流质量的评价标准更具有权威性和公正性。

表1 高速铁路各国弓网受流评标标准

武广客运专线弓网受流标准即是依据欧洲铁路联盟标准EN50317《受电弓/接触网系统动态相互测量系统评价标准》、EN50318《欧洲受电弓/接触网系统动态相互作用仿真评价标准》、EN50367《欧洲铁路弓网受流技术规范》等文件制定。

2 武广客运专线弓网关系分析

2.1 接触网设计参数

武广客运专线接触网采用弹性链型悬挂,它是基于西班牙马德里—巴塞罗那高速铁路EAC-350系统,并根据我国国情进行了适当修改。

接触线采用截面为150 mm2的铜镁合金接触线(CTMH-150),张力为30 kN；承力索采用截面为120 mm2的铜镁合金承力索(JTMH120),张力为21 kN。

接触线悬挂点距轨面的高度一般为5 300 mm,最低点高度不小于5 150 mm。为保证良好的弓网受流质量,高速正线接触线工作部分不允许有坡度。

本线接触网结构高度一般为1 600 mm。当受跨线建筑物净空限制时,结构高度可酌情降低,但宜保证最短吊弦长度不宜小于500 mm。

拉出值是±300 mm。在横向风吹情况下的导线最大允许风偏小于500 mm。

正线路基区段标准跨距一般为50 m,桥上跨距一般为48 m。相邻跨距之差不大于10 m。

腕臂系统采用铝合金结构,定位器采用铝合金限位定位器,最大限位抬升量为225 mm。

2.2 受电弓基本参数

受电弓尺寸：弓头总宽度为1 950 mm,弓头工作区为450 mm,弓头轮廓符合UIC-608VE附件4a规定。

受电弓静抬升力为60～100 N；

正线受电弓动态工作范围：直线区段水平晃动250 mm；曲线区段水平晃动350 mm,最大动态抬升量150 mm。

2.3 接触网施工允许误差

施工误差是影响弓网受流关系的重要因素,施工误差包括支柱的垂直度、腕臂的装配、吊弦的安装、接触线的平直度等,武广客运专线对接触网安装的要求如表2所示。

表2 接触网施工允许误差

表2数值为施工最终控制误差范围,整个施工过程中造成误差原因很多,主要有人、机、料、法、环等五大要素,在每一要素中均应提出控制施工误差的减小和叠加的措施,以此来保证误差范围满足要求,满足高速运行状态下的弓网受流质量。

2.4 弓网受流评价标准

武广客运专线接触网系统由德国BB公司技术总负责,其中联调联试中对接触网系统的测试和评估也由BB公司负责完成。弓网受流标准采用即是依据欧洲铁路联盟标准EN50317《受电弓/接触网系统动态相互测量系统评价标准》,EN50318《欧洲受电弓/接触网系统动态相互作用仿真评价标准》,EN50367《欧洲铁路弓网受流技术规范》以及《对欧洲铁路供电子系统兼容的技术解释性文件》(简称“供电TSI”)等文件制定。

2.4.1 接触网静态几何尺寸

对接触线导高、拉出值、定位器静态、支柱侧面限界等进行检测,以确认接触网静态尺寸是否符合设计文件要求。

2.4.2 接触网静态弹性

弹性最大值:emax<0.39 mm/N；

不平衡度最大值:u<10%。

2.4.3 定位器抬升量

定位器在悬挂点的抬升量应符合德铁DS997.9113的规定。根据基本设计文件中弓网模拟报告,定位器在悬挂点的最大抬升量的仿真模拟值为110 mm,悬挂点处自由抬升量的设计范围至少是仿真模拟量的2倍，但最大抬升量不得小于150 mm。

2.4.4 弓网动态接触力

根据“供电TSI”及EN50317的规定,弓网动态接触力一般采用平均接触力(FM)、最大接触力(Fmax)、最小接触力(Fmin)、标准偏差(δ)等参数来表示。各参数具体评判标准如下

Fm=0.000 97×v2+70(N) (v—运行速度，km/h)

Fmax=FM+3δ(N)

Fmin=FM-3δ(N)

δ≤0.3FM

3 武广客运专线弓网关系检测

2009年7月5日至7月20日,以及2009年8月7日至8月15日期间,武广客运专线接触网系统进行了测试行驶,测试的主要目的是检测接触网的几何数据位置、弓网动态接触力及标准偏差,测试速度最快达到353 km/h。

3.1 检测方式

接触网系统的检测采用铁科测试车CRH2-061(图1),该车受电弓为SSS400+(受电弓-6号),还配备了接触力测量系统和无接触光学测量系统。此外,该受电弓上还安装了用于动态测试的录像设备。

图1 检测列车运行方向示意

在对几何数据位置进行测量时,要求降下6号受电弓,升起4号受电弓,检测列车的行驶方向如箭头所示,这样4号受电弓处导线的抬升不会对6号受电弓处光学测试结果有影响；在测量动态量(接触力等)时,要求降下4号受电弓,升起6号受电弓,此时,列车前后两个方向均能行驶测量。

3.2 检测内容

接触网检测分为静态检测、动态检测、联调联试3个阶段,在每个阶段,均有相应的检测内容与之相对应。

静态检测主要是对接触网几何安装尺寸进行的检测,一个是安装阶段,采用激光检测仪,水平尺,梯车等工具,另一个是完工之后检测车低速检测,采用无接触光学测量系统。主要内容包括导高、拉出值、定位器坡度、限界、动态包络线等。

动态检测是在完成静态检测及相应接触网缺陷整改的基础上进行。采用接触力测量系统,主要检测内容为弓网间动态接触力、接触力标准偏差及定位器的抬升值等。

静态检测设备主要采用无接触光学测量系统,动态检测设备采用接触力测量系统,这两套设备均由德铁提供。

3.3 检测步骤

接触网检测必须按照一定的步骤进行,以便不断的发现缺陷,进行整改,再进行下一步的检测。一般要求的检测步骤如下。

(1)不升测量受电弓(即,降6号受电弓,升4号受电弓),使用光学测量设备,以时速60 km进行检验,检验内容为接触网静态数据。

(2)对检测结果进行评估,存在缺陷提交施工部门进行整改。

(3)缺陷整改之后,重复步骤一,以便对已经发生变化了的静态数据再次进行检验。

(4)再次对更新后的测试结果进行评估,存在缺陷再次提交施工部门整改。

(5)只有在完成了第4步骤之后,才会对弓网接触力和接触线动态抬升量进行检验。这需要在测试车上利用接触力测试系统和光学测量系统同时进行测量。

测试时,应按照渐进原则,逐步提高至最高350 km/h速度进行。

(6)在完成了以上的各个步骤之后,可对整个检测地段弓网关系进行总体测评。

4 弓网关系测试结果

4.1 静态几何参数

2009年7月14日以时速60 km,对武汉—广州下行线的几何数据进行了测量。测试结果以图表形式表示,图2所示为里程约K1410处接触网拉出值及导高数据图表。

图2 接触网拉出值及导高检测数据

曲线1：带边界值的拉出值(+/-300 mm)

曲线2：带边界值的导高(5 330 mm/5 270 mm)

通过对带边界值的图表解读,可以清晰的判读存在超出误差范围的位置及存在的问题,之后将缺陷报告提交给施工部门进行整改,进行整改之后,根据流程,再次测试,再次测设结果可以与前一次测量结果相对照。

经过反复测试、调整,接触网的静态几何数据得到了很大的改善,静态数据均符合高速测试要求。

4.2 接触网弹性

为了测量接触网的弹性,在郴州—耒阳区间任意选定的两跨内(支柱46,48,50),使用定义为200 N的力对接触网的抬升进行测量,测量结果如图3所示。

图3 接触网弹性数据

从上图中可以得出结论。

支柱上的弹性：emin=0.26 mm/N；

跨中的弹性：emax=0.31～0.32 mm/N；

不同类型接触网的不平衡度：u=(emax-emin)/(emax+emin)×100%。即u=8.8%～10%

由上述数值可知,满足高速接触网弹性要求。

4.3 定位器抬升值

定位器的抬升值可以通过两种方式来评估,一种是通过测量仪器生成的图表来判读定位器动态抬升,另一种是通过时速350 km的视频图片预测近似值,这两种方式可以互相印证。

测试结果表明,在时速350 km的时候,定位器最大动态抬升为100 mm,满足基本设计文件中抬升量要求。

4.4 弓网动态接触力

在测试中,静态接触压力设定为100 N,所允许的接触力边界值也相应的进行了调整,根据2.4.4弓网动态接触力评价标准,接触力边界值如下：

Fm=218.8 N；

Fmax=FM+3δ=415.8 N；

Fmin=FM-3δ=21.9 N。

图4表示速度为350 km/h时的平均标准偏差σ,从图中可以判定出其范围为50 N。

图4 接触力标准偏差数据

图5为对动态接触力的统计值以及同TSI标准的边界需求进行的对比。

图5 接触力波动范围边界

从图中可知,动态接触力的最大值及最小值分别为Fmax=415.8 N、Fmin=21.9 N,均在接触网评价标准之内。

最小值均大于零,与很少出现电火花现象较为吻合。

动态接触力范围波动相对较大,是因为在测试过程中,受电弓的空气动力明显不够协调,导致受电弓两个碳滑板接触力的比值过大所致。

5 结论

经过接触网静动态检测、消缺、调整、接触网再检测一系列工作等,武广客运专线弓网关系达到了良好的状态,保障了动车组达到350 km/h的运行速度。通过武广客运专线弓网关系检测可以得出以下的结论。

(1)在弓网关系评价中，采用以静态几何参数及弓网动态接触力、标准偏差为主要评判标准的接触网弓网评价标准体系是合适的,我国的弓网评价标准可在上述标准的基础上进一步优化。

(2)受电弓参数及空气动力性能对弓网关系影响很大。应通过调整受电弓导流翼片等方式优化空气动力性能,使受电弓两个碳滑板上接触力比值范围处于0.8～1.2；或更换更高性能受电弓,如法国Cx受电弓,其可自动调整受电弓压力。

(3)施工误差也是影响弓网受流关系的重要因素,施工误差包括支柱的垂直度、腕臂的装配、吊弦的安装、接触线的平直度等,其中吊弦的安装及接触线的平直度对弓网受流影响最大,因此对于吊弦安装精度以及接触线的放线工艺是施工控制的关键要点。

(4)应以武广客运专线建设为契机,尽快建立于我国客运专线接触网/受电弓系统相适应的仿真、设计、施工、检测、运营等一系列标准,为我国客运专线的建设提供坚实基础。

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