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高速铁路设备系列介绍之九——电力接触网与受电弓
时间:2015-07-10  点击量:

 
现代高速铁路绝大多数都采用电力牵引方式,作为牵引供电系统的主体接触网, 是与高速电气化铁路运营最为直接相关的架空设备,其工作环境恶劣,沿线架设且无备用,是整个牵引供电系统最为薄弱的环节。其性能的优劣直接决定着电力机车受电弓的受流质量,最终影响列车的运行速度与安全。受电弓滑板与接触网导线是一对比较特殊的摩擦副, (就是相接触的两个物体产生摩擦而组成的一个摩擦体系称为摩擦副。)其工况条件有其显著的特点,摩擦磨损的形成机理较复杂,是机械作用、电气作用以及化学或电化学作用的综合结果。因此,接触网与受电弓的磨合,相互耦合, 相互作用历来被视为高速技术的主要难点。集中反映了新型牵引动力上。
 
高速列车其新型牵引动力,是通过受电弓从接触网上取得电能的,受电弓与接触导线的稳定接触是列车获得良好受流的重要条件。然而,随着列车速度的提高,弓网间接触力会发生变化,系统产生自激振动,振动幅度过大会造成受电弓滑板与接触网导线分离出现离线现象,离线对电力机车牵引供电非常有害,不仅会引起机车受流不良,造成机车运行不稳定,加速接触网和受电弓滑板的磨损,产生无线电信号干,损坏机车电气川,严重时会造成巨大经济损失。
 
接触网由接触悬挂(包括接触线、吊弦和承力索、中心锚结、补偿装置等)、支持装置(包括可动腕臂、硬、软横跨、隧道内各种不同支持物)、支柱与基础构成。
 
受电弓安装在车顶盖上,工作时其滑板和接触网的接触导线相接触,将电流引入机车或动车内。高速受电弓和普通受电弓一样,是由集电头(即弓头)、框架、底架和传动机构四个部分组成。
 
受电弓集电头和接触网间流通负荷电流的流畅程度,称受流质量。其取决于受电弓和接触网之间的相互作用。为保证能流通一定的负荷电流,受电弓和接触网之间必须有一定的接触压力。受电弓升弓系统施加予集电头,使之向上的垂直力为静态接触压力。接触网沿线各点的刚度不同,使接触导线在受到受电弓接触压力作用时产生不同程度的上升,从而使受电弓在机车运行中产生上下振动。因此,受电弓附加承受一个受其本身归算质量和接触网刚度所影响的上下交变的动态接触压力。在运行中气流对受电弓产生一个随速度增加而迅速增加的气动力,使接触压力增加。上述三种作用力的合力,如果太小则受流质量不佳,如果太大则会增加接触导线和集电头接触板的磨损。为保证受电弓具有可靠的受流质量,应尽量减小受电弓的归算质量和集电头的质量,尤其是在高速运行的时候。采用橡胶元件和阻尼装置可以减少框架和集电头的振动,抑制动态接触压力变化幅值。采用适当的框架结构形式可以提高受电弓的受流质量。
 
据有关专业人士介绍,目前国际上高速铁路接触网大体有三种悬挂类型:以日本为代表的复链型悬挂受流质量最好,其接触网张力大(绷得紧),弹性均匀,抗风稳定性好。但由于结构复杂,使其造价高,维护费用也较高。同时,与下面要说的弹性链形悬挂和简单链形悬挂比起来,复链形悬挂单位长度的重量更大,这就限制了它的波动(当列车行进时,接触线随受电弓的推进而产生波动)速度的提升,从而也就限制了列车速度的提升。以德国为代表的弹性链型悬挂优势在于其结构相对于复链型悬挂就简单多了,它没有辅助承力素,造价也更便宜;同时它对悬挂定位点处弹性进行改善,使得整个接触网的弹性更加均匀,受流性能更好。但弹性链型悬挂也有缺点,即弹性吊索本身的长度和张力是随着温度发生变化的,要想保证它在各种温度条件下不使附近的接触网变形,是一件相当困难的事情。同时其调整维修比较复杂,对定位器的安装坡度要求比较严格。法国在上世纪80年代建成的巴黎-里昂东南新干线采用弹性链型悬挂。但是在正式运营的三个月内,发生了两次重大事故,造成导线拉断、接触网损坏。以法国为代表的简单链型悬挂结构,简单链形悬挂与弹性链形悬挂的主要区别就在于,它没有弹性吊索。因此,简单链形悬挂是三种悬挂方式中结构最简单,造价最低,安装维修最方便,且能满足列车高速运行的一种悬挂方式。不足之处是,其定位点处的弹性与两跨柱当中的弹性不均匀,在定位点处易形成相对硬点,受电弓通过该点时,会产生较大的火花,使导线腐蚀和磨耗加剧,弓网磨耗大,缩短使用寿命。目前,上述三种悬挂方式在世界高速铁路中都有实际应用,但没有某种悬挂方式一统天下,为什么呢?有技术发展的原因,也有国情的原因,还有线路速度等级不同的原因等等。目前我国在350 km/h高速电气化铁路工程建设中都采用弹性链型悬挂,京沪高铁也是如此。由于接触网是一个重量和弹性都不均匀的弹性系统,其接触导线的高度也不是恒定的,而运行中受电弓底架又不断地受到机车和轮轨传来的机械振动作用,除此之外,还有风和高速气流的空气动力作用,所以,在运行中受电弓滑板和接触导线之间的在200-250 km/h速度区间,适合采用设有预弛度的简单链型悬挂接触网,也可考虑采用弹性链型悬挂方式。300 km/h以上时,宜采用不设预弛度的弹性链型悬挂。

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