接触网零部件运行稳定性分析研究

陈根柱 上海铁路局徐州供电段（中国铁道科学研究院）

接触网零部件运行稳定性分析研究

陈根柱 上海铁路局徐州供电段（中国铁道科学研究院）

接触网零部件的运行可靠关乎供电可靠和铁路运输安全，通过对以往设备故障的分析和整治，吸取运行经验教训，学习国内外供电领域的研究和分析方法，提出造成接触网零部件损坏的因素，以指导接触网运行维护工作。

接触网；零部件；分析；研究

在电气化铁路系统中，接触网是电力机车、电力动车组的动力来源，其各个组件的相互连接形成了接触网的主要结构，接触网重要的组成部分之一就是接触网零部件，在保证供电安全性方面起着关键作用，是我们关注的重点，所有的检修、检查工作都是为了保证其可以稳定、良好的运行，保证接触网供电可靠。为了更好的进行分析和研究，本文对典型故障进行收集、整理，对零部件做重要度分析，对零部件损坏原因进行分析，得出危及其运行稳定性的相关因素，针对性的提出预防措施和办法，指导一线站段的接触网运行维护工作。

1 概况

1.1 运行现状

接触网零部件在国家标准、铁路（电力）行业标准以及相关规范、文件、行业规程中在材质、制造质量、机械性能、电气性能、防腐蚀、紧固等方面都有明确的标准和要求，运行状态下要保证接触网零部件选型合理，制造工艺达标，施工质量达标，安装牢固，螺母紧固到位，受力均匀，在温度变化时不应出现弯曲变形、位移，防疲劳、腐蚀等。虽然如此，从运行过程来看，每条线路依旧不断地出现零部件断裂、缺失、腐蚀、松脱、卡滞等问题。

1.2 重要性分析

我国作为铁路大国，不仅在电气化铁路总里程上遥遥领先，而且在某些产品制造和标准运用上走在世界的前列，拥有丰富的铁路设计、制造、施工、运营经验，高速铁路更是迅猛发展。但也是由于其发展速度较快，相当一部分的高新技术还没有得到消化和吸收，接触网在材料科学领域、工艺制造、维护管理方面的技术水平都还需要我们加快脚步细细钻研，以求在接触网领域形成成熟和稳定的体系。接触网零部件是供电系统的基础，金字塔的底层，每一个螺栓都有各自固定的位置，零部件的牢固和稳定与否直接影响到整个体系。

2 零部件重要度分析

接触网零部件种类繁多，结构多种多样，全部研究起来费时费力，不符合实际。本文引用重要度分析方法，找出哪些零部件对运行安全更加重要。基于测试数据的零部件重要度分析，是通过稳定性测试获得接触网动态测试数据，进行分析处理、等效载荷及其应力测试分析，得出影响运行可靠性的零部件重要度分析。从高速铁路的重要度分析结果来看，结合实际运行经验，重要度排序为：腕臂结构、定位结构、绝缘部件以及连接部件，而与现场实际经验对比，故障也多发在此类位置，以下重点对此类部件进行分析研究。

3 影响因素分析

3.1 自身因素

3.1.1 设计

接触网的设计在某种程度上决定了接触网的运行稳定和可靠，设计不合理会直接造成接触网带“硬伤”运行，并给检修带来难以消除的隐患。一方面表现在零部件设计，结构不合理，几何参数不达标，相关试验不合格等，例如某高铁线路的补偿坠砣限制架，由于结构设计不合理，限制架角钢易发生偏斜，限制管在冬季宜发生结冰堵塞，加之坠砣上下窜动造成限制管脱出，曾多次发生侵入铁路限界险情。另一方面表现在接触网设计中，未考虑相关影响因素（如张力、外部环境等），造成选用设备不适用，例如某高铁线路正馈线采用的QBJX-25/70Q绝缘子，其构造长度500 mm，瓷质长度330 mm，不能满足高铁外部环境的运行需要，造成多次闪络跳闸。因此设计是零部件稳定性能力强弱的前提。

3.1.2 设备质量和生产工艺

目前故障原因反映最多的就是设备质量和生产工艺问题，一是由于国内生产企业较多，水平参差不齐，再加上行业监管力度不强，个别生产企业往往将螺栓等产品分包给标准不严的小型企业进行生产，质量得不到保障；二是有些国内企业在引进国外技术时，技术质量监管不力，标准不严，加之国内生产企业员工专业素质不高，部分不合格产品流入市场；三是材质上的缺陷也是质量不合格的重要原因，多表现在以次充好，产品成分含量不足等。由于产品质量不合格（如图1所示螺栓、图2所示绝缘子），没有达到耐压、耐疲劳等技术条件，零件在长期动态工作（冲击、振动、受压、受拉等）过程中容易损坏，发生变形、松脱等，造成故障。

图1 腕臂底座螺栓断裂

图2 绝缘子串质量不达标炸裂

3.1.3 施工、安装工艺

由于施工或安装工艺不达标等原因，接触网个别部位长期运行会在结构和受力方面发生变化，出现“松、脱、卡、断、磨、几何参数、安全距离”问题。如某高铁线路电连接线夹压接工艺不达标（如图3所示），线夹脱落后打坏受电弓，造成弓网故障。另随着车速的提高，接触网零部件成为弹性的薄弱环节，由于弓网压力加大，其各部螺栓更容易振动脱落引起故障，根据计算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓预紧力产生的安装应力占较大比重，而工作应力相对较小，对这些零部件而言，如果采用的紧固力矩过当，有可能在施工安装过程中就对其造成损伤，进而逐步失效，如某线路支柱定位管支撑螺栓紧固力矩不达标（如图4所示）造成螺栓、支撑脱落等此类问题，均有力说明了施工和安装工艺的重要性。

图3 电连接压接错误

图4 紧固不到位，套管单耳松脱滑移

3.2 腐蚀作用

3.2.1 应力腐蚀

应力腐蚀往往是在没有任何明显外观变形条件下发生的脆性断裂，破坏性较大，且目前没有有效的监测手段。应力腐蚀断裂是指零件在应力（残余应力或工作应力）和特定的腐蚀环境共同作用下发生的一种局部腐蚀破坏，破坏形态是腐蚀裂纹扩展断裂。应力腐蚀常出现在铜合金、高强度铝合金和不锈钢中，过程为：开始发生于腐蚀引起腐蚀敏感部位形成微小蚀坑或裂纹核，再由蚀坑或裂纹核达到极限应力值为止，从裂纹扩展到零件断裂。在接触网运行过程中，许多零部件由于最初的内在微小裂纹或者创伤，最终在受电弓冲击和压力、外部环境综合作用下，出现失效、腐蚀断裂。2006年~ 2013年间某供电段管内共发生10件定位线夹断裂、2件电连接线夹断裂事件，值得我们在今后的运行和维护工作中加以重视，特别是应力腐蚀发现难度较大。

3.2.2 化学腐蚀

化学腐蚀主要表现在两方面，即直接的化学腐蚀和电化学腐蚀，其危害性均不容忽视。

一是直接化学腐蚀。表现在外部环境空气中的化学成分对接触网零部件的直接腐蚀，例如某地区接触网在海盐气候条件以及周边的化学工厂排污的影响下，绝缘子、接触线、腕臂、吊弦等部件及连接线夹遭到腐蚀（如图5所示），瓷质绝缘子表面出现密集型腐蚀斑点（如图6所示），接触线和承力索上出现了铜锈，每年在冬季多雾、雨季时期，频繁出现绝缘闪络，给铁路运输造成了严重影响。

图5 化学腐蚀的接触线、吊弦

图6 化学腐蚀的瓷质绝缘子

二是电化学腐蚀。金属的腐蚀原理有多种，其中电化学腐蚀是最为普遍的一种。在不同的材质（如铜、铝）在电、氧、水汽等的综合作用下在接触表面发生的化学置换现象。危害性非常大，一方面，它会在短期内使金属表面遭到大面积腐蚀；另一方面，腐蚀在金属表面产生沉积物，加剧铁垢的形成，也加剧了运行热量的增加，易烧损设备。例如接触网铜铝连接会产生电化学反应，实际应用中一般用铜铝过渡设备线夹或垫片来消除隐患。

3.2.3 电腐蚀

除了电化学腐蚀，还存在着电位差、过电压、电弧、电磁感应等造成的电腐蚀问题，如关节式分相的中性段，大型站场接触网局部电位差，交叉线索处所的电位差，绝缘锚段两侧供电臂在线索处形成电位差，站场软横跨处电流分流不畅，连接线夹安装不密贴等造成的放电腐蚀现象。上述类似处所在通过大电流时容易造成电腐蚀，烧损零部件。例如在2013年某车站发生了一件软索式硬横跨定位环、定位器烧熔断裂故障（如图7所示），最终造成定位器脱落、打弓故障，正是由于高速铁路大型站场软横跨处电流分流不畅造成的。

图7 软横跨定位环、定位器烧熔断裂

3.3 疲劳、寿命因素

接触网具有机电复合特性，除满足电气强度、牵引功率、电压水平、绝缘安全等电气方面的技术要求外，还必须满足机械强度、波动特性、空间位置、动静态弹性等方面的技术要求，各部零件在运行中，承受机电复合作用，容易产生运行疲劳，从而影响使用寿命。

3.4 外部因素

接触网为露天架设，运行工作受到外部环境影响较大，外部因素对零部件的运行稳定性有着巨大干扰，常出现铁路旁边的违规建筑物、树木、鸟巢、风筝异物等造成的安全距离不足放电，内燃机车的油污染，站房雨棚构件脱落（如图8所示），污染（如化学、粉尘等），雨雪雾天（如图9所示）等等，都造成过零部件烧伤、断线故障，在故障原因中的所占比例也较高。

图8 车站雨棚扣件脱落

图9 雾闪

3.5 维护管理水平

在国内大多数的运行站段中，还存在着老一辈敲敲打打的维修手法，已经不适应现代铁路设备运行要求，特别是高速铁路接触网几何参数及误差已经精确到了毫米级别，线索坡度及变化率更加精细，对我们的维修手段和方法提出了更高要求。例如最基本的螺栓紧固力矩，各路局均提出了使用力矩扳手进行标准紧固的要求，但是由于职工素质不高以及运行要求不严等因素，未能得到很好的落实，在运行过程中，出现诸多螺栓紧固过紧造成线夹断裂，过松造成零件脱落的问题。

4 结论及建议

经过分析和研究，影响接触网零部件运行稳定性的因素有很多，是接触网复杂的学科特性决定的，其涉及学术专业较多，零部件也是如此，要保证其运行稳定，必须考虑诸多相关因素，例如环境、材料、动力学、化学、电等等因素。因此，我们只有对这些诸多因素进行再研究、再考量，不断地完善接触网零部件的设计实验、生产制造、安装验收、维护等工作，才能保证其运行稳定，延长使用寿命。通过研究，提出以下几点建议供参考。

（1）深入对接触网零部件材料选用的研究，制造出耐腐蚀、强度高、导电性能好、具有良好的疲劳特性的零部件。

（2）加强行业监管，对生产厂家进行严格监督，满足国家规定的技术条件和试验方法，保证生产质量，做好研发和制造的质量控制。同时抓好行业准入和责任追究，杜绝不合格产品流入市场。

（3）进一步深入研究采用高效、全面的防腐技术，增加应力腐蚀检验，如对铜合金零件及不锈钢螺栓进行应力腐蚀抽样检验，以确保零件在使用期内不产生断裂和其它危及使用的缺陷。

（4）提高接触网设计水平，不断完善仿真模拟和实验技术，使其更贴近真实、运行的接触网，以促进零部件的正确选用。

（5）强化管理水平。做到标准化作业，规范使用维修工具，编制作业指导书，规范作业内容和标准；建立零部件管理档案，从出厂、施工、验收、运行维护等多层次、系统化管理零部件，做到有据可查，管理到位。

（6）加大对外部环境的整治力度，联合地方政府，对沿线化工企业、煤炭、水泥等污染企业进行清理整顿，减少其对接触网的腐蚀、污染。

（7）加大新产品的审核鉴定工作，杜绝违规、不合理的产品流入铁路建设和运行管理中。

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责任编辑：王华 张萼辉

来稿日期：2015-05-22