接触网张力影响因素分析与监测装置设计研究

白明慧

0 引言

兰新线地处河西走廊西段及天山山脉，自然环境恶劣，线路多处地段属于半沙漠和沙漠地区，多处线路处于风口，其中兰新线途经百里分区、安西风区、达板城风区等多处铁路也经常面临大风的威胁，大风经常会引起接触网震荡，造成弓网故障。

气流形成的强风对接触网的作用首先表现在对接触网张力的影响上。为保证良好的电力机车取流质量和正常运行，需要接触网有足够的张力。张力补偿装置根据接触网的动态情况，实时自动补偿和调节接触网的张力，是控制接触网的张力保持在一定范围的重要器件。张力补偿装置的状态变化在一定程度上反映了接触网的状态和安全情况。接触网的日常维护可通过检测张力补偿装置的状态变化来判断接触网的状态，为及时排除接触网故障隐患提供重要的依据。因此，对接触网张力的分析和监测，对掌握接触网的状态，及时发现强风对接触网的影响以及运行中出现的问题，保证接触网运行的安全性有重要的意义。

1 接触网张力影响因素分析

为保证电力机车的受电弓在运行中取流平稳，要求接触线的导高、拉出值等参数满足一定范围。 因此，正常状态下的接触网具有足够的张力才能保持接触网的稳定性和为电力机车提供良好的受流条件。

1.1 风速对接触网的影响

接触网架设在铁路上方，通常距离轨平面6 m左右。地表面的空气流形成风，根据《铁路电力牵引供电设计规范》规定，基本风速与风压的关系为

式中，W0为基本风压，kN/m2；v 为风偏设计风速，m/s。

式中，Wx为线索单位风载荷标准值，kN/m；d 为线索直径或高度，m；us为线索风载负荷体型系数，取值1.2；uz为风压高度变化系数，取值1。

据此接触网线索受风风力与线索单位风载荷的关系为

式中，l 为线索长度，m；F风为线索单位风载荷标准值，N。

按照上述计算公式，可以计算得到风速对接触网线索张力的影响，其对应的变化曲线如图1所示。

图1 风速对接触网张力的影响曲线图

由图1可以看到：随着风速的增大，线索张力增大，但并不是线性关系。由于有吊弦的拉力作用，承力索的张力变化比接触线的大。当风速超过 40 m/s 时，接触线张力变化值会超过大约1 500 N，承力索张力变化值会接近2 000 N，接触网的平均张力变化可接近或超过接触网运行安全控制的10%变化范围。特别需要指出的是：如果风速的频率和接触网结构的自振频率相近时，接触网会发生共振现象，接触线和承力索都会大幅度的舞动，使接触网张力变化范围急剧增加，影响接触网的正常运行，严重时导致断线、倒杆，中断铁路运输。

1.2 覆冰对接触网的影响

西北地区气候变化大，在气温较低或大雾天气及下冻雨之后，会在接触网线索与悬挂设备上形成覆冰。覆冰不仅影响接触线导高等静态参数，还将影响接触线的动态力学参数，改变接触网力学性能，从而导致接触网的波动性能发生变化，受电弓与接触网的耦合关系恶化，受电弓的滑动不平稳，受电弓离线，产生电弧，烧损接触线。另外，受电弓的滑动受到阻力，会发生打弓现象，影响弓网的机械寿命和电气寿命。

导线表面覆冰的模型如图2所示，导线半径为r，覆冰厚度为d，导线的作用力可以等效作用于质心，与重力重合，方向垂直向下。

图2 线索覆冰模型示意图

根据相关物理推导，可以得到覆冰重力的计算式为

综上，本研究结果显示，老年患者虽在糖尿病、心脏病、呼吸系统疾病、高血压病等一般状态显著劣于年轻组，但ERAS方案依从率、吻合口瘘率、再手术率、再住院率、术后30 d内死亡率差异均无统计学意义，表明ERAS方案对老年患者具有可行性且安全性可接受，无需调整。

式中，Q 为线索覆冰的重力，N；v 为覆冰的体积，m3；ρ冰为冰的体密度，取值900 kg/m3；g 为重力加速度，取值9.8 m/m2。

按照以上计算方法，可以得到不同覆冰厚度对线索张力的影响，其变化情况如图3所示。

图3 导线表面覆冰厚度对导线张力的影响曲线图

由图3可以看出：导线表面的覆冰厚度增大，会导致作用其上的张力随之增大，且随着覆冰厚度的增大而迅速增大。如果覆冰厚度超过20 mm，接触线的张力变化值就会超过1 000 N，承力索的张力变化值也会超过2 000 N，接触网的平均张力变化也会接近或超过接触网运行安全控制的10%变化范围。

1.3 风与冰共同对接触网的影响

由于接触网的特殊工作环境，风、覆冰2 种影响因素有可能会同时存在，共同作用于接触网。将2 种情况的影响进行叠加，可得到在覆冰厚度为 10 mm 时，不同风速对线索张力的影响，如图4所示。利用同样的方法也可以得到在同一风速条件下不同覆冰厚度对线索张力的影响情况。

图4 风速和覆冰共同对接触网张力的影响曲线图

由图4可以看出：接触网同时受到风和覆冰作用时，承力索的张力变化值要比接触线的变化大，例如，当风速为40 m/s 时，接触线的张力变化值约增大2 600 N，承力索的张力变化值增大接近4 000 N，两者的张力变化都超过了接触网运行安全控制的10%变化范围。与风力单独作用的情况（图2）或者覆冰单独作用的情况（图3）进行比较，还可以发现：风力和覆冰共同对接触网的影响，明显比风力单独作用或覆冰单独作用的影响大。

2 接触网张力监测装置设计

为了实时掌握风力造成接触网的张力变化，设计了一种新型的接触网张力监控装置。

2.1 接触网张力监测原理

本文所设计的接触网张力监测装置，是以广泛应用的滑轮加坠砣形式的张力补偿器为对象。接触网滑轮结构如图5所示，当接触网处于稳定平衡状态时，补偿结构中的坠砣相对静止，如果某种因素导致接触网的张力发生变化时，坠砣的位置就会发生变化。通过安装在立柱上的位置传感器采集坠砣位移变化信息，监控器对数据处理和分析，就可以给出坠砣位置的变化特性，如果接触网张力的变化较大，超过接触网运行安全控制的范围时，必然也会导致坠砣位移发生很大变化，根据监控器内置的专家系统判定，并给出报警，提醒有关部门和人员进行接触网检修，将接触网故障及时消除，从而保证接触网状态良好，确保行车安全。

图5 接触网张力监测装置示意图

接触网张力监测装置的结构框图如图6所示，串口通信接口RS-485 将数据处理单元获得的张力状态有效信息送入已经成功开发的“GSM 大风监测系统”，利用GSM 无线公共网络，现场接触网的状态信息就可实现远程无线传输，调度通过系统的上报信息显示，及时了解和掌握接触网张力状态。

图6 接触网张力监测模块框图

2.2 信号采集单元

接触网张力监测的信号采集，主要由位移传感器对坠砣的位置监控来获取。采用器件为ZLDS10X 激光位移传感器，其具有数字化集成一体化结构，0.01%高分辨率，0.1%高线性度，9.4 kHz高响应、IP67 高防护等级和可同步等高性能，工作温度范围宽，量程最小2 mm，最大1 250 mm；支持多个传感器同步采集；针对串口，提供了运行应用的DLL 开发库，方便用户开发应用软件；非接触位移精密测量。

为满足传感器与数据采集及处理的信号协调性，需要对采集到的信号进行调理，设计的信号调理电路如图7所示。

图7 信号调理电路图

监测的信号在进行数模转换前，需要对模拟信号进行滤波处理，常用的滤波器有RC 滤波器、高通滤波器、低通滤波器等，考虑坠砣的变化速度不快，该装置设计了一个四阶的低通滤波器，电路如图8所示。

图8 低通信号滤波电路图

2.3 数据处理单元

接触网张力监测装置的核心是数据处理。信号经过调理滤波后，进入AD 转换单元进行模数转换，数据处理单元对模数转换的结果进行计算分析处理，ARM 管理模块接收来自DSP 处理单元的数据，并进行分类显示、存储、上传等处理。设计中的微处理器采用的是目前安全监控领域广泛使用的高性能处理器TMS320F28335，它具有精度高、速度快和集成度高的特点。TMS320F28335 是一款32 位浮点DSP 芯片，可以在一个周期内完成32×32 位或2 个16×16 位的乘法累加运算，实现高精度的数据处理任务。

2.4 实验

按照上述方法设计的接触网张力监控装置，已经在实验室里完成了模拟实验。实验显示：对坠砣位移分辨的监控精度达到了0.1 mm；与激光测试仪对坠砣位移进行检测的检测结果进行比较，张力监控装置的监测结果相对误差小于千分之一，能够满足现场应用需要。

3 结论

本文通过分析风力、覆冰及其风力覆冰共同作用对接触网的影响，可以得到：当风速超过40 m/s时，或者覆冰厚度超过20 mm 时，接触网的平均张力变化可超过接触网运行安全控制的10%变化范围；当风力和覆冰共同作用接触网时，其产生的影响明显比风力单独作用或覆冰单独作用时大。

对接触网张力的变化，可以通过检测坠砣的位移进行监控。模拟实验显示：张力监控装置对坠砣位移分辨的监控精度达到0.1 mm，监测结果相对误差小于千分之一。接触网的张力监测，可以对接触网状态进行报警，提示有关部门和人员对接触网及时进行检修，将接触网隐患消除，保证行车安全。

[1]吴积钦.受电弓与接触网系统.ISBN978-7-5643-1005-9 [M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2]张莉娜，邓斌.受电弓作用下接触网动态响应分析[J].电气化铁道，2013（2）：26-28.

[3]王玉环，田志军.强风区接触网腕臂支持结构方案探讨[J].铁道标准设计，2010，（1）：140-143.

[4]尚玉冰.大风情况下接触网-受电弓故障浅析[J].电气化铁道，2003，（1）：23-25.

[5]甄磊.浅析接触网覆冰现象的危害以及应对措施[J].电气化铁道，2011（3）：30-32.

[6]王国梁.接触网融冰防病问题的分析研究[J].铁道工程学报，2009（8）：93-95.

[7]武昌博，周洪.接触网应力实时检测及断线事故预警系统[J].微计算机信息，2009，25（7）：102-104.

[8]梁启权.基于TMS320F28335 电能质量监测装置的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2011.

[9]TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].