鐵道電氣化接觸網(wǎng)硬點(diǎn)原因和改進(jìn)方法

胡安曉

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，江西 吉安 343009）

作為電氣化鐵路的重要組成部分，接觸網(wǎng)是確保電力機(jī)車高速運(yùn)行的重要保證。高速運(yùn)行的電力機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)處獲得電力，保證電力機(jī)車所需的電能。在理想情況下，接觸網(wǎng)與電力機(jī)車受電弓之間應(yīng)該是一個(gè)恒定的接觸壓力，受電弓在接觸線端勻速前進(jìn)的過程中獲得穩(wěn)定的電壓。但是，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，受電弓與接觸線之間的壓力并不完全均勻，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)離線的現(xiàn)象，導(dǎo)致電力機(jī)車的正常工作受到影響。這時(shí)，如何確保受電弓與接觸網(wǎng)絡(luò)具有良好的弓網(wǎng)關(guān)系成為了鐵道電氣化接觸網(wǎng)的重點(diǎn)研究方向。

1 鐵道電氣化接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的危害

硬點(diǎn)是指導(dǎo)致受電弓的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)改變的因素的總和，這些因素來自多個(gè)方面，諸如線路、空氣流等，對(duì)弓網(wǎng)狀態(tài)有直接影響。接觸硬點(diǎn)的危害可以分為機(jī)械損傷以及電弧傷害兩個(gè)方面。

1.1 機(jī)械損傷

在電力機(jī)車高速通過接觸網(wǎng)時(shí)，受電弓在經(jīng)過線路中的硬點(diǎn)時(shí)都或多或少的出現(xiàn)不正常的升降，這種不正常的升降過程將導(dǎo)致接觸導(dǎo)線和受電弓滑板造成撞擊性的損傷以及實(shí)常的磨擦損耗。當(dāng)硬點(diǎn)出現(xiàn)在元件式分相、分段接頭、電連接線夾或者是跨距兩端的定位點(diǎn)等位置時(shí)，容易造成“打弓”現(xiàn)象，將對(duì)設(shè)備造成損害。

1.2 電弧傷害

當(dāng)受電弓經(jīng)過硬點(diǎn)時(shí)，容易出現(xiàn)與接觸網(wǎng)相分離的現(xiàn)象，這不但對(duì)電力機(jī)車的正常取流造成影響，還會(huì)還會(huì)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生火花，給接觸網(wǎng)和受電弓造成損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龜嘟佑|網(wǎng)，對(duì)行車安全造成嚴(yán)重影響。

2 鐵道電氣化接觸網(wǎng)硬點(diǎn)產(chǎn)生的原因

2.1 設(shè)計(jì)原因

接觸網(wǎng)彈性的均勻程度是對(duì)接觸懸掛方式質(zhì)量的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之時(shí)，在絕緣錨段的關(guān)節(jié)和分相絕緣錨段關(guān)節(jié)中采用的定位器件具有較大的重量，容易造成重量的集中，導(dǎo)致接觸網(wǎng)在定位器出出現(xiàn)嚴(yán)重的重量集中現(xiàn)象，造成該處彈性下降。而且在分段接頭以及設(shè)備元件分相等地方，隔離開關(guān)、避雷設(shè)備以及上網(wǎng)連線等的重量都較大，使得接觸網(wǎng)線彈性的均勻程度不夠，容易引發(fā)受電弓在接觸的過程中出現(xiàn)較大的接觸力突變，進(jìn)而在這些地方形成較大的沖擊硬點(diǎn)。

2.2 接觸網(wǎng)懸掛形式的選用

由于受到機(jī)車運(yùn)行、線路以及懸掛形式等多個(gè)方面的影響，接觸網(wǎng)的懸掛形式應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。在使用半補(bǔ)償?shù)暮唵温?lián)形懸掛方式時(shí)，在一些特殊的條件下，將導(dǎo)致接觸線與錨段中部以及下部出現(xiàn)較大的張力差，使得接觸網(wǎng)的彈性及張力不夠均勻，尤其是在支點(diǎn)處容易出現(xiàn)硬點(diǎn)。同時(shí)，由于三跨錨段關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)換接觸線存在著一個(gè)從負(fù)坡度向正坡度的過渡點(diǎn)，這時(shí)對(duì)受電弓的沖擊也較大。因此，應(yīng)該根據(jù)線路和環(huán)境等多方面的因素，考慮接觸網(wǎng)的懸掛方式。

2.3 日常檢修原因

針對(duì)日常接觸網(wǎng)進(jìn)行的檢修過程中，由于分相或者是分段絕緣設(shè)備與接觸線之間的連線過渡不夠平滑、或者是間隙太大以及定位點(diǎn)處所設(shè)置的設(shè)備的臨時(shí)調(diào)整使得受電弓的抬升量不足，導(dǎo)致硬點(diǎn)的出現(xiàn)。在進(jìn)行日常例行檢查的過程中，由于測(cè)量工具自身或者是測(cè)量方法的不恰當(dāng)，都有可能導(dǎo)致接觸網(wǎng)線在跨距之內(nèi)發(fā)生較為明顯的變化，導(dǎo)致電力機(jī)車的受電弓在高速通過的過程中形成過大的接觸沖擊，在接觸網(wǎng)上形成硬點(diǎn)。加之，在檢修的過程中由于對(duì)檢修人員的培訓(xùn)等較為欠缺，沒有根據(jù)檢修規(guī)文制度來進(jìn)行嚴(yán)格的檢修，在作業(yè)過程中直接踩踏接觸網(wǎng)線，對(duì)接觸線的平直度造成影響，引發(fā)線面扭曲等問題，形成硬點(diǎn)。

2.4 接觸線材質(zhì)的原因

高速鐵路的提速增加了人們對(duì)接觸網(wǎng)線材質(zhì)的要求，人們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中需要通過對(duì)傳統(tǒng)材質(zhì)的改變來降低接觸材質(zhì)對(duì)接觸網(wǎng)線硬點(diǎn)產(chǎn)生的影響程度。例如，某客運(yùn)專線的高速列車在試車的過程中，其最初采用的鎂銅接觸網(wǎng)線在試車的過程中出現(xiàn)了連續(xù)火花的現(xiàn)象。在通過相關(guān)單位的研究和分析試驗(yàn)之后，結(jié)合持續(xù)增加接觸導(dǎo)線張力的試驗(yàn)方式，發(fā)現(xiàn)連續(xù)火花的現(xiàn)象依然存在。之后，在實(shí)驗(yàn)室中通過采用鎂銅接觸線與銀銅接觸線兩種材質(zhì)，在對(duì)受電弓加載垂向力和縱向加速度來分別模擬硬點(diǎn)與沖擊之后，發(fā)現(xiàn)兩者的接觸信號(hào)以及波形存在著較大的差別。圖1為分別采用鎂銅接觸線和銀銅接觸線交界處的硬點(diǎn)與沖擊時(shí)檢測(cè)到的波形。

圖1 采用鎂銅接觸線和銀銅接觸線交界處硬點(diǎn)與沖擊信號(hào)波形

從該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得到接觸材質(zhì)的不同在對(duì)弓網(wǎng)振動(dòng)方面具有對(duì)應(yīng)的影響，試驗(yàn)采用的接觸網(wǎng)材質(zhì)存在著不匹配的問題，因此在弓網(wǎng)材質(zhì)方面應(yīng)該有所選擇。同時(shí)，在選擇定位器時(shí)，也應(yīng)該做到科學(xué)合理，避免由于定位器質(zhì)量過重而導(dǎo)致接觸網(wǎng)的質(zhì)量集中，形成硬點(diǎn)。

2.5 線路質(zhì)量的原因

當(dāng)線路路基，尤其是橋頭、隧道口、鋼軌的接頭、道床翻漿或者是三角坑處等地方，都會(huì)對(duì)形成線路的質(zhì)量造成影響，給接觸網(wǎng)的參數(shù)帶來變化。同時(shí)線路晃車也是導(dǎo)致接觸網(wǎng)線出現(xiàn)硬點(diǎn)的一個(gè)重要原因。在一些地勢(shì)不夠平緩的地區(qū)，由于線路可能直接從正坡變?yōu)樨?fù)坡，這時(shí)將在弓網(wǎng)上表現(xiàn)出一個(gè)明顯的變坡點(diǎn)。若假設(shè)接觸導(dǎo)線處于一個(gè)變坡點(diǎn)上，這時(shí)將在接觸網(wǎng)線上形成一個(gè)強(qiáng)烈的硬點(diǎn)。再次，線路道床的鋪設(shè)質(zhì)量以及施工方式等都對(duì)接觸網(wǎng)造成重大的影響，尤其是道床的振動(dòng)周期、彈性系數(shù)以及其他的病害等都將丟接觸力有一定的影響。加之硬點(diǎn)在線路上的分布也表現(xiàn)為一種隨機(jī)性，在現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)與作業(yè)過程中不容易把握。電力接車在高速運(yùn)行取流的過程中，架空網(wǎng)線與受電弓之間所作用的關(guān)系較為復(fù)雜，對(duì)動(dòng)、靜接觸壓力和受電弓振動(dòng)頻率等都有直接影響，這些因素都是硬點(diǎn)形成的原因。

3 懸掛硬點(diǎn)的測(cè)量方式

1）受電弓在高速滑動(dòng)取流的過程中，受電弓會(huì)產(chǎn)生三個(gè)方向的振動(dòng)，包括上下、前后以及左右。其中，上下方向稱之為振動(dòng)，前后方向稱之為沖擊，左右方向則稱之為擺動(dòng)?；瑒?dòng)過程中若遇到懸掛硬點(diǎn)，將導(dǎo)致受電弓的加速度發(fā)生突變。

這時(shí)，在受電弓的弓頭部分設(shè)置了兩個(gè)方向不同的加速度傳感設(shè)備，用于測(cè)量機(jī)車運(yùn)行過程中在弓頭處產(chǎn)生的加速度與沖擊，然后根據(jù)測(cè)量得到了加速度變化來確定線路何處存在有硬點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況來看，即是導(dǎo)致硬點(diǎn)的因素完全相同，當(dāng)機(jī)車的行使速度不同時(shí)，硬點(diǎn)給受電弓造成的影響也是有差別的。所以，當(dāng)運(yùn)行工況相同的時(shí)候，電力機(jī)車的運(yùn)行速度越高，硬點(diǎn)對(duì)受電弓的影響也就越大、越明顯。因此，在檢測(cè)機(jī)車運(yùn)行的過程中還應(yīng)該對(duì)接車的運(yùn)行速度加以考慮。

2）車體振動(dòng)補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)。機(jī)車在運(yùn)行的過程中自然會(huì)產(chǎn)生多種多樣的振動(dòng)，各種各樣形式的振動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)車在運(yùn)行的過程中可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)線路中心的位移，或者是產(chǎn)生一個(gè)與軌道面垂直的位移，導(dǎo)致機(jī)車的受電弓與接觸網(wǎng)之間出現(xiàn)相對(duì)位置的明顯變化。這一點(diǎn)也表明機(jī)車的弓網(wǎng)接觸關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，是持續(xù)可變的。但是，由于所采用的檢測(cè)方式?jīng)Q定了檢測(cè)得到的屬于靜態(tài)值。這就導(dǎo)致靜態(tài)檢測(cè)值與動(dòng)態(tài)工況之間存在著固有的差別。這時(shí)，就需要將將車體的振動(dòng)位移量采用對(duì)應(yīng)的方式將之折算到受電弓上，保證對(duì)受電弓位移變化量的精確程度。其中，進(jìn)行車體振動(dòng)位移檢測(cè)的原理圖如圖2所示。

圖2 車體振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)原理圖

兩個(gè)激光雷達(dá)對(duì)稱的安裝在車體底盤，激光雷達(dá)的中心距離為l，激光雷達(dá)分別向下掃描兩側(cè)的鋼軌斷面輪廓，通過識(shí)別計(jì)算方法來確定兩側(cè)鋼軌內(nèi)沿點(diǎn)與激光雷達(dá)之間的距離分別為d1，d2，掃描的角度分別為α1,α2。這時(shí)，車體相對(duì)于軌道中心線發(fā)生的偏移為

車體相對(duì)于軌道平面的垂直位移為

假設(shè)動(dòng)態(tài)拉出值為a，接觸網(wǎng)的高度為h，激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備的安裝高度為h0，那么補(bǔ)償之后得到的靜態(tài)拉出值為

4 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的整治與改進(jìn)

基于上述對(duì)接觸網(wǎng)硬點(diǎn)原因的分析，當(dāng)前無法完全將接觸硬點(diǎn)予以消除，只能夠通過整治和改進(jìn)測(cè)量來將之減小到可接受的范圍。其整治與改進(jìn)策略包括下面這樣幾個(gè)方面：

1）調(diào)整定位處，確保其良好的彈性

通過對(duì)定位處的調(diào)整，保證其良好的彈性，不會(huì)由于重量的集中而造成硬點(diǎn)的出現(xiàn)，保證高速電力機(jī)車的受電弓能夠順利的通過。在對(duì)接觸網(wǎng)線進(jìn)行調(diào)整時(shí)，限位定位器之間的間隙是限位定位器調(diào)整的關(guān)鍵。為了能夠有效的避免出現(xiàn)由于受電弓抬升過高造成的“打弓”現(xiàn)象，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采用限位定位器是十分必要的。而安裝過程中又應(yīng)該對(duì)限位的間隙及大小進(jìn)行選擇和確定，間隙過大將使得定位器的坡度過大，而過小則導(dǎo)致其坡度過小。而且云尋的提升量之內(nèi)限位功能同樣將起到限制作用。所以，過大和過小都將導(dǎo)致硬點(diǎn)的出現(xiàn)，但是可以通過合適的調(diào)整確保其具有足夠的彈性，盡量降低硬點(diǎn)的影響程度，減小弓網(wǎng)的磨損。

2）加強(qiáng)重點(diǎn)故障部位的檢測(cè)工作

對(duì)于檢測(cè)車檢測(cè)出的硬點(diǎn)數(shù)值大、存在數(shù)值突變、數(shù)據(jù)明顯疊加以及在一跨內(nèi)導(dǎo)線的高度差超過了150mm的地方要進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。以檢測(cè)車所提供的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在其范圍內(nèi)利用接觸網(wǎng)激光在檢測(cè)車檢測(cè)出硬點(diǎn)的公里標(biāo)志后進(jìn)行查找，尤其是在一跨之內(nèi)的各個(gè)定位點(diǎn)、吊弦點(diǎn)以及線夾等載荷集中處進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。

3）接觸網(wǎng)架設(shè)過程中年采用恒張力放線

恒張力布線可以很好的保證弓網(wǎng)取流的質(zhì)量，在進(jìn)行恒張力放線過程中，應(yīng)該根據(jù)事先設(shè)定的張力，以恒定的速度實(shí)施放線作業(yè)。其具體的技術(shù)要求如下。

（1）放線工必須接收過專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)，且工作態(tài)度要積極細(xì)致。

（2）操作過程必須以相關(guān)的規(guī)定為依據(jù)，嚴(yán)格予以執(zhí)行。

（3）預(yù)先清楚架線錨段之內(nèi)的施工障礙，對(duì)于特殊地段的支柱和腕臂等要進(jìn)行加固作業(yè)。

（4）根據(jù)接觸網(wǎng)線的材質(zhì)選取對(duì)應(yīng)的放線工具，諸如放線滑輪、S鉤等。

（5）架線所采用的張力應(yīng)該根據(jù)接觸線材質(zhì)的硬度、彈性以及線路的彎曲半徑等來進(jìn)行綜合選取。

（6）架線車的行走速度控制在3～5km/h的范圍為宜。

（7）為了避免沖擊對(duì)線路造成的破壞，緊線作業(yè)時(shí)應(yīng)該盡量采用均勻的力度。

進(jìn)行恒張力放線時(shí)施工設(shè)備的基本要求如下。

（1）放線車族的限界、制動(dòng)方式以及控制方式等項(xiàng)目都應(yīng)該與“鐵路技術(shù)管理規(guī)程”以及其他相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中的要求一致。

（2）放線過程中所采用的張力可以在3～30kN的范圍之內(nèi)加以選取，保證放線張力能夠滿足各種銅鋁合金的放線張力要求。放線過程中應(yīng)該盡量將靜態(tài)張力誤差控制在l%的范圍之內(nèi)，而盡量將動(dòng)態(tài)張力控制在5%的范圍之內(nèi)。

（3）所采用的放線車組維護(hù)周期應(yīng)該盡量長，日常維護(hù)較為簡單，零部件容易購買。

5 結(jié)論

接觸網(wǎng)的硬點(diǎn)問題雖然不能夠完全避免，但是可以采用對(duì)應(yīng)的方式盡量降低其對(duì)行車的影響。應(yīng)該從接觸網(wǎng)材質(zhì)、施工以及日常的檢修等方面著手，并逐步提高接觸網(wǎng)的運(yùn)行與管理水平。

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