浅谈影响高速铁路接触网零部件运行稳定性的因素

陈 杰



浅谈影响高速铁路接触网零部件运行稳定性的因素

陈 杰

南昌铁路局厦门供电段

为了保证高速铁路接触网安全可靠和经济高效运行，该文结合现阶段我国高铁运行实际情况及日常运营维护时遇到的问题进行系统分析，探讨影响接触网零部件运行稳定性的因素。

高速铁路 接触网 零部件 稳定性

我国接触网发源于前苏联，在引进他国先进技术后，经过多年的电气化铁路运营和高速铁路的研究、发展，目前在高速铁路产品制造和标准应用上引领世界。但因为发展速度较快，有些高新技术在消化吸收再创造方面还不够深入，特别是接触网零部件的制造和施工工艺、维护水平等。接触网零部件涉及材料、力学、电气、热学、环境学等，有的甚至涉及多个学科交叉，且运用复杂，各部件的配合需要默契和牢固，每一个螺栓都有各自固定的位置。接触网零部件是牵引供电系统的基础，零部件的牢靠和稳定与否将直接影响弓网系统，与高速铁路的运行安全息息相关。影响高铁接触网零部件运行稳定性的因素主要有以下几方面。

1 主观因素

主观因素是指自身产品及质量、施工安装工艺等对接触网零部件运行性能的影响，可以通过前期进行规范、要求和完善改进。

1.1 设计因素

接触网零部件的设计必须满足接触网结构、机械性能的要求，且要满足运行可靠性和方便安装等要求。从某种程度来说，设计直接决定接触网安装、运行后的稳定、可靠和安全。设计不合理，会直接造成接触网“硬伤”和带“病”运行，在实际现场运行维护中，此类问题经常出现。一方面，零件组织结构不合理，各部件不匹配，满足不了力学或电气方面的要求。例如某高速铁路使用的隧道内补偿坠砣限制架，由于升降滑轮与框架间隙在安装过程中容易卡滞，且后期调整难度极大，给后续的运行维护带来困难，需要改变结构和安装形式才能消除此类隐患。另一方面，接触网设计中未考虑外部环境等相关影响因素，选用设备不适用。例如某沿海高铁跨海大桥上的接触网硬横梁桥钢柱因选型不当，未充分考虑极端天气情况下的载荷，在2016年“莫兰蒂”17级台风正面登陆袭击时，200多根硬横梁桥钢柱全部扭曲变形，接触网大面积塌网，中断正常运输秩序，造成了极大的经济损失。由此可见，设计是需要最周全考虑的一个环节，必须综合相关的各种因素，以保证每个零部件选型、制造、安装乃至接触网系统的稳定。

1.2 设备质量和生产工艺

目前，各运营维护管理单位遇到的绝大部分设备问题和故障原因，都集中在设备质量和生产工艺上。主要原因有：一是由于国内相关生产企业较多，水平也参差不齐，目前国内行业监管力度还不强，对生产制造环节是否应使用满足条件的锻造、冶炼、处理设备没有严格规定，工业化程度也难保证，检验环节还大部分是企业标准，高铁入围的产品对大部件、重要件实行的是抽样检验，没有针对小部件如螺栓、螺帽、开口销等进行检验，个别生产企业会将小部件（如螺栓、螺帽、穿钉等）产品从标准不严、工艺较差的小企业进行采购、组装，给接触网运行带来安全隐患。二是虽然国内企业在技术上引进国外，但技术监管、操作工艺、管理手段等还不够成熟，未掌握核心技术，且工人素质不达标，以致部分不合格产品流入市场。三是我国在材料的组合、加工、形成所需要的材质方面还存在不足，材质上的缺陷是产品不合格的主要原因，现场表现为以次充好，产品中金属、非金属成分含量不达标等，没有达到接触网运行安全所需要的耐压、耐疲劳等技术条件，在长期动态工作环境（如冲击、振动、拉伸、压缩等）中损坏、变形、松脱、腐蚀等，造成故障。

1.3 施工安装工艺

高铁接触网施工多集中在工程后期，受工期影响大，容易出现“松、脱、卡、断、磨、几何参数、安全距离”问题，加上施工人员业务素质不一，施工质量差强人意。施工或安装工艺不达标等会造成接触网个别部位长期运行后在结构和受力方面发生变化。

当动车组速度进一步提高，接触网弹性薄弱环节直接表现在接触网零部件上，由于弓网压力加大和波动性能的加强，各部螺栓在没有达标工作要求的情况下，更容易受到振动、脱落引起故障。有数据显示，在含螺栓的大部分零部件中，螺栓预紧力产生的安装应力占较大比重，工作应力相对较小。对这些零部件而言（这些零件在腕臂结构内占大多数，如各部螺栓、线岔），如果紧固力矩过当，在施工安装过程中就对其造成损伤，进而逐步失效。

2 腐蚀作用

腐蚀是指物质因化学作用而逐渐消损破坏，现场运行表现为化学腐蚀、应力腐蚀和电腐蚀。

2.1 化学腐蚀

化学腐蚀是指金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程，化学腐蚀可分为直接化学腐蚀和电化学腐蚀。电化学腐蚀区别于直接化学腐蚀的直接现象是，发生电化学腐蚀时在金属表面存在微电池，在隔离的阴极与阳极之间有微小的电流。在现场实际运用中，都可以发现这两种腐蚀的存在，其危害性均不容忽视。它们往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，速度快，危害更重。

直接化学腐蚀是指接触网零部件直接接触化学物质，一般表现在周围环境化学污染，空气中存有大量化学物质，对接触网及其零部件进行直接腐蚀。例如某供电段管内接触网处于海盐气候条件下，周边存在化工厂，在海盐和化学污物共同的影响下，腕臂、吊弦、绝缘部件、线索、线夹等遭到腐蚀，产生大面积铜锈和斑点，瓷质绝缘子表面出现密集型腐蚀斑点，线索和线夹出现了铜锈，对绝缘性能产生了很大影响，在每一年雾季、雨季会出现绝缘闪络，严重影响运输。

电化学腐蚀是指金属接触电解质溶液时发生原电池反应，金属失去电子，如生铁在潮湿的空气中生锈。金属的腐蚀原理有多种，电化学腐蚀较为普遍。在电、氧、水汽等的综合作用下，在不同材质间进行了物质转化。电化学腐蚀一方面在短期内使金属表面遭到大面积腐蚀，另一方面，腐蚀后金属表面会产生沉积物，加剧金属垢的形成，运行热量也迅速增加，容易烧损设备或线夹。铜铝过度线夹或垫片随之产生，接触网在上网点、开关、吸上线等处所会涉及到铝线与铜线连接问题，铜和铝直接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避免电化学腐蚀，消除设备运行隐患。

2.2 应力腐蚀

应力的大小及分布是零件、材料是否失效的重要判定准则，主要分为四类：①最大拉应力理论，发生断裂由最大拉应力引起；②最大拉应变理论，发生断裂由最大拉应变力引起；③最大切应力理论，发生屈服由最大切应力引起；④畸变能理论，发生屈服由最大切应力畸变能引起。

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。在没有任何明显外观变形条件下发生，表现为脆性断裂、开裂，目前尚无有效的监测手段。例如，CuNiZSi合金锻件内如果存在残余应力,在潮湿大气特别是含氮盐的大气环境中会引起应力腐蚀开裂。应力腐蚀的过程见图1。

图1

高铁运行中，许多接触网零部件是因为零件中存在应力，形成了难以发现的内在微小裂纹，经过受电弓冲击和压力、外部环境综合作用，最终出现失效、腐蚀断裂。在日常的运营维护中，应力腐蚀须引起重视，发现难度较大，必须在施工、采购前期环节加强监管，在制造过程中提高锻造工艺。

2.3 电腐蚀

在接触网运行维护过程中，经常出现因局部电位差、过电压、电弧、电磁感应等造成的电烧损问题，俗称为“电腐蚀” 现象。现场表现为在关节式分相的中性段、大型站场岔区、交叉线索、绝缘锚段转换柱等处所存在电位差，站场软横跨处电流分流不畅，连接线夹安装不密贴等。这些处所在通过大电流时由于电位差、主导电回路不畅等原因会容易造成电腐蚀，烧损零部件。2017年1月17日,北京局管内京津联络线下行线接触网五跨绝缘锚段关节电分段处，因锚段关节两侧馈线负荷不平衡，关节断口处存在较大电压差，加之五跨绝缘锚段关节非工作支接触线抬高缓慢，受电弓通过时，关节断口处拉弧严重，持续燃弧烧伤接触线，在张力作用下导致接触网断线。

3 疲劳和寿命因素

疲劳是指产品载荷的循环或变化所引起的失效。在实际运用中，疲劳往往不只因为单次的作用形成，外观表现为局部区域的塑性变形或裂纹。金属的疲劳是在交变应力的作用下，经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。接触网具有机电复合特性，除承受电压电流、导电等电气条件外，还要满足机械、波动、空间位置、动静态弹性等方面的技术要求，接触网的大部分零部件为金属材料，在运行中承受机电复合作用，特别是振动影响，存在疲劳隐患。

对于大多数设备，特别是机械设备和电气设备，其寿命在不同阶段会呈现不同的故障规律，即设备在寿命周期内故障的发展变化规律。这通常可用故障率曲线（又称为浴盆曲线）来描述，它描述了时间与故障率的关系，随着时间的增加，出现故障的概率变化曲线形似浴盆。从浴盆曲线（见图2）可以看出，设备在运行初期和后期的故障率较高，在稳定期的故障率较低，在三个阶段（初期、稳定期和后期）分别出现了初期缺陷、偶发故障和磨损故障，当设备达到后期磨损故障高发时（就是设备平均寿命时期），就应该更换设备或进行大修了。所以，设备都有一个固定寿命，接触网的故障规律除不可抗力外，也遵循这一规律，存在固定的使用年限。高速铁路接触网按照“定期检测、状态维修、寿命管理”的原则，通过周期性运行检测，分析判定接触网即将或基本达到寿命时，应进行更换。

图2 浴盆曲线

4 外部因素

接触网为露天架设且无备用，其运行稳定可靠性受外部环境及异物影响较大，主要表现为高铁沿线违规建筑物、危树、鸟巢、飘浮异物等。各运营单位每年在整治外部环境隐患上耗费了很多精力和财力。此外，在日常要更加关注和检查上跨线的悬挂状态、上跨桥的排水和净空安全距离、防抛网安装、桥下护套、附挂物安装，甚至于站房雨棚的结构等，避免导电、安全距离不足、物体跌落打击等问题发生。

大气污染、雨雪雾天等环境因素也是外部影响因素，主要影响绝缘部件的性能、降低空气绝缘，造成绝缘闪络，损坏设备及零部件，甚至发生烧断线故障，在冬季的大雾天和多雾地区，此类故障较多。

5 维护管理水平

高速铁路接触网安装工艺、几何参数及误差标准精确到了毫米级，要求我们有更先进的维修手段和方法。例如，标准规定了各部零件的紧固力矩，必须严格按标准使用力矩扳手紧固螺栓，避免在运行过程中出现螺栓紧固不到位或过紧造成线夹断裂，过松造成零件脱落等问题。由于现在维修管理的手段还不完善、比较落后，维护维修水平尚无法完全满足高铁运行的标准要求，分级、精细维修还未实施，精密的检测仪器还没有普及，功能也不全面，在现场实际运营维护中，往往还是靠较原始的扳手、水平尺结合经验进行检查和检修，会出现部分参数、指标检查不到位，个别设备、零部件重复检查问题。

铁路供电安全检测监测系统（6C系统）中的4C系统是指接触网悬挂状态检测监测装置，其主要功能是对接触网悬挂系统的零部件实施高精度成像检测，指导接触网故障隐患的消缺。但实际应用中，数据分析处理模块还不成熟，达不到图像分析功能，较难实现成像区域缺陷的自动识别，目前运营单位大部分还是通过后期人工观看分析，在技术方面还有较大的改进空间。

综上所述，在接触网零部件的运行条件下，其稳定性受设计、制造、施工、腐蚀、环境、维护等影响。实际运行过程中，也往往会由于一种或多种因素的共同作用，造成零部件失效或者性能下降，理论与实践都有力证实了这一点。

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