電氣化鐵道接觸網(wǎng)故障類型分析及防治措施

郝海峰/朔黃鐵路有限公司

電氣化鐵道接觸網(wǎng)故障類型分析及防治措施

郝海峰/朔黃鐵路有限公司

接觸網(wǎng)故障直接導(dǎo)致行車中斷，為了加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的管理，提高牽引供電的可靠性，有必要對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)的故障進(jìn)行監(jiān)控和管理。本文通過對(duì)朔黃線近幾年接觸網(wǎng)故障的統(tǒng)計(jì)分析，分別從故障類型、故障原因等方面進(jìn)行了分類，提出了故障的主要原因，并給出了防治措施。

接觸網(wǎng)；絕緣子；接觸網(wǎng)；弓網(wǎng)故障

引言

牽引供電系統(tǒng)通過接觸網(wǎng)向列車提供電能，是電氣化鐵路的重要組成部分[1]。目前我國(guó)電氣化鐵路采用的是交流供電制式，牽引變電所連接地方電網(wǎng)，將220kV或110kV輸電線路傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)變?yōu)?5kV(AT供電方式)或27.5kV(直供方式)后，通過接觸網(wǎng)向列車供電。由于受鐵路凈空及取流的限制，接觸網(wǎng)直接暴露于曠野中，受雨、雪等自然氣候的侵蝕，且沒有備用系統(tǒng)。一旦接觸網(wǎng)發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致行車中斷，影響運(yùn)輸效率，降低企業(yè)的效益。嚴(yán)重時(shí)可能危及設(shè)備、檢修人員及列車的安全。因此，我國(guó)專業(yè)人員對(duì)接觸網(wǎng)故障開展了大量的研究，包括對(duì)弓網(wǎng)故障的分析、接觸網(wǎng)故障的測(cè)距等。本文將根據(jù)朔黃線接觸網(wǎng)近幾年運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)接觸網(wǎng)故障進(jìn)行分類，研究給出每一類型故障發(fā)生的主要原因，并提出防治措施。

1.接觸網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，圖1為直供方式下的接觸網(wǎng)。為了保證列車能在高速下正常取得電能，接觸網(wǎng)與列車受電弓接觸處要求平滑且有彈性，因此接觸網(wǎng)導(dǎo)線分為承力索與接觸線。接觸線為與列車受電弓接觸的導(dǎo)線，如圖1中2所示。

圖1 接觸網(wǎng)示意圖

圖1中4為定位器，用于保證接觸線呈“之”分布，讓受電弓磨損均勻。

圖2為AT供電方式的接觸網(wǎng)，與直供方式相比，AT供電方式為2*27.5kV，但列車運(yùn)行電壓為27.5kV，因此圖中支柱的田野側(cè)多了一條負(fù)饋線，該導(dǎo)線對(duì)鋼軌的電壓為27.5kV，承力索和接觸線與鋼軌的電壓也為27.5kV，但二者的相位相差180度。

圖2 AT供電方式下的接觸網(wǎng)示意圖

由于每一個(gè)牽引變電所供電距離有限，因此一條鐵路線路有數(shù)十個(gè)變電所供電，為了分隔各個(gè)變電站的供電區(qū)間及相位，接觸網(wǎng)還需要進(jìn)行分相和分段，在站場(chǎng)的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜，如圖3所示。復(fù)雜的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以及接觸網(wǎng)與列車受電弓之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)非常容易發(fā)生故障。

圖3 黃驊港站的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.接觸網(wǎng)故障類型分析

為了探明接觸網(wǎng)故障的主要原因，現(xiàn)將朔黃線近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示：近4年發(fā)生的牽引供電系統(tǒng)障礙、故障以及事故共計(jì)77次，其中自動(dòng)降弓共計(jì)11次（機(jī)車受電弓加裝自動(dòng)放風(fēng)降弓裝置后再無弓網(wǎng)故障），占總次數(shù)的14.3%以上。絕緣子污閃及絕緣間隙擊穿59次，占總次數(shù)的76.6%左右，不明原因引起跳閘7次，約為總數(shù)的10%。下文將重點(diǎn)對(duì)弓網(wǎng)故障及絕緣故障進(jìn)行分析。

圖4 自動(dòng)降弓、故障及事故原因分類

3.接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系分析

3.1 弓網(wǎng)障礙類型

列車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，受電弓滑板和接觸線處于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)接觸網(wǎng)或列車受電弓存在缺陷時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)將這些缺陷的影響擴(kuò)大，有可能導(dǎo)致受電弓拉翻或接觸網(wǎng)零件損壞，嚴(yán)重時(shí)可通拉斷接觸網(wǎng)導(dǎo)線，拉斷接觸網(wǎng)支柱。

弓網(wǎng)障礙是接觸網(wǎng)一種常見的故障類型，根據(jù)發(fā)生弓網(wǎng)故障的原因，可以分為以下幾類：

產(chǎn)品質(zhì)量問題引起的弓網(wǎng)障礙

由于接觸網(wǎng)零部件的質(zhì)量不合格，或者是零部件有施工或運(yùn)行過程中受到損傷，當(dāng)該零部件在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)工作過程中疲勞損壞，進(jìn)而形成弓網(wǎng)障礙。

如某站場(chǎng)接觸線斷線，其原因是接觸線斷裂處有￠3mm的氣泡和淺灰色銅層，由于材質(zhì)不合格造成接觸網(wǎng)故障。

因施工與檢修造成的弓網(wǎng)障礙

在施工與檢修過程中，如果未嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的規(guī)定，導(dǎo)致參數(shù)未達(dá)到要求，如之字值超標(biāo)、定位坡度不足，線岔不水平等，從而引起弓網(wǎng)故障。

如某次因跨越施工，導(dǎo)致導(dǎo)電體落到接觸網(wǎng)上引起接地，燒斷接觸網(wǎng)，列車通過時(shí)導(dǎo)致受電弓被打壞引起自動(dòng)降弓。

氣候變化引起的弓網(wǎng)故障

接觸網(wǎng)受氣候的影響較大，尤其是下錨支柱，當(dāng)氣溫發(fā)生改變時(shí)，接觸線與承力索發(fā)生熱脹冷縮，引起下錨偏移，造成接觸網(wǎng)支柱及接觸懸掛參數(shù)的變化等。

如某區(qū)間拉出值均為300左右，接觸線因有吊弦受力的作用，下降不大，未偏出電力機(jī)車受電弓的有效工作范圍，因此未形成鉆弓。但定位器懸掛在受電弓的有效工作范圍內(nèi)，并低于接觸線上方，再加上電力機(jī)車受電弓抬升力的作用，致使機(jī)車經(jīng)過時(shí)懸掛的定位器打壞受電弓自動(dòng)放風(fēng)角閥，引起自動(dòng)降弓。

3.2 弓網(wǎng)障礙的統(tǒng)計(jì)分析

引起弓網(wǎng)故障的原因很多，根據(jù)近幾年弓網(wǎng)故障的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由于零部件質(zhì)量原因的故障共有10次，超過了總共故障次數(shù)的91%。路外原因的故障共有1次，約為總次數(shù)的9%。

通過該統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，弓網(wǎng)故障中，占主體的是零部件因素，因此減少弓網(wǎng)故障的關(guān)鍵為：

①要確保使用的設(shè)備與零部件的材質(zhì)合格。

要確保使用的設(shè)備與零部件的材質(zhì)合格，首先必需把好材料進(jìn)料關(guān)，該做試驗(yàn)的必需做試驗(yàn)。

②加強(qiáng)維修與檢測(cè)管理。

除零部件質(zhì)量問題，檢修不到位是造成弓網(wǎng)故障的第二原因。要加強(qiáng)定位點(diǎn)與線岔的檢修與維護(hù)工作，如：定位器坡度、電聯(lián)接線及線夾的狀態(tài)、拉出值、線岔的投影點(diǎn)、等高、抬高、吊弦及吊弦線夾、設(shè)備銹蝕等等。特別是新建線路與大修后的線路，可能存在大量施工遺留的問題，必需加強(qiáng)檢測(cè)與管理。

3.3 減少弓網(wǎng)障礙的措施

（1）加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)參數(shù)的綜合監(jiān)測(cè)：除了日常巡視進(jìn)行的靜態(tài)檢測(cè)，還應(yīng)結(jié)合接觸網(wǎng)綜合檢測(cè)車進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)消除發(fā)現(xiàn)的問題。減少硬點(diǎn)對(duì)受電弓造成的影響，制定適當(dāng)?shù)臋z修周期，對(duì)導(dǎo)線接頭及時(shí)檢修，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)線導(dǎo)高，降低導(dǎo)線坡度，消除導(dǎo)線坡度對(duì)受電弓的影響。

（2）加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)各部零件的檢查：對(duì)螺栓、螺母、彈墊、防松墊片的平推、檢查，在設(shè)備投人時(shí)要對(duì)各部螺栓進(jìn)行平推緊固，在此基礎(chǔ)上通過抽查逐步摸索螺栓動(dòng)態(tài)松動(dòng)周期，及時(shí)進(jìn)行緊固，確保各部參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍。同時(shí)在有條件的情況下盡可能多地使用防松螺母及墊片。

（3）對(duì)不能適應(yīng)列車運(yùn)行條件的接觸網(wǎng)部件和處所進(jìn)行改造：如高速動(dòng)車組運(yùn)行區(qū)段的分段、分相和抬高受限處所。對(duì)容易脫落打弓的部件如“鄰線有電牌”進(jìn)行更換。

（4）嚴(yán)格按照溫度曲線安裝、調(diào)整設(shè)備：保證設(shè)備不致因溫度變化而產(chǎn)生卡滯、過緊、過松而使接觸網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化。

（5）加強(qiáng)設(shè)備抵抗外界干擾的能力：如給支柱修建護(hù)坡和設(shè)立防護(hù)樁等。

4.絕緣故障分析

4.1 絕緣類型分析

4.1.1 絕緣子閃烙。

引起絕緣子閃絡(luò)的主要原因分為污閃和雷擊閃絡(luò)兩種，絕緣子污閃是指當(dāng)絕緣子表面污穢較多時(shí)，在雨霧天氣，污穢吸水形成導(dǎo)電層，導(dǎo)至絕緣子閃絡(luò)。而雷擊閃絡(luò)主要是由于雷電過電壓的影響。此外，當(dāng)絕緣子的絕緣材料性能下降時(shí)，也可能造成絕緣子擊穿。

根據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，絕緣子雷擊閃絡(luò)位置與雷擊點(diǎn)有關(guān)，而絕緣子污閃主要發(fā)生在站場(chǎng)，尤其是貨物裝卸線路的絕緣子與開關(guān)容易發(fā)生閃絡(luò)。

圖5 絕緣子污閃

4.1.2 異物對(duì)絕緣的影響。

由于接觸網(wǎng)裸露在空中，受周圍環(huán)境影響交大，特別是大風(fēng)天氣或結(jié)構(gòu)物掉落，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)設(shè)備上懸掛異物或異物侵入設(shè)備限界，從而經(jīng)常造成事故跳閘，影響行車的安全。

4.1.3 鳥害對(duì)絕緣的影響。

鳥類引起的接觸網(wǎng)故障在總故障中僅次于異物與樹木侵限。圖6為鳥在支柱腕臂底坐上搭建的鳥巢，每年在春季的時(shí)候是鳥類筑巢的高峰期，由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，地勢(shì)處于開闊陽(yáng)光充足的位置，導(dǎo)致鳥類選擇棲息的首選地方，搭建鳥窩的材料一般是樹枝或者鐵絲，縮短對(duì)接觸網(wǎng)帶電部分的安全距離，導(dǎo)致接觸網(wǎng)放電或者跳閘。

圖6 鳥巢對(duì)線路絕緣子的影響

4.1.4 朔黃鐵路近年來絕緣類型故障造成的接觸網(wǎng)跳閘件數(shù)統(tǒng)計(jì)。

絕緣子閃絡(luò)(件) 異物搭接(件) 鳥害(件)2013年 23 3 2 2014年 7 1 2 2015年 7 1 1 2016年 5 3 4

4.2 絕緣故障原因分析

4.2.1 雷擊閃絡(luò)。

主要表現(xiàn)為絕緣子清掃周期過長(zhǎng)，周圍環(huán)境污染嚴(yán)重，使絕緣子表面形成導(dǎo)電層而放電擊穿。

4.2.2 外物侵限。

鐵路旁的樹木、建筑物受到自然因素的影響，導(dǎo)致對(duì)接觸網(wǎng)(含供電線)的安全距離變小，甚至接觸到接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，或者大風(fēng)天氣時(shí)異物侵入設(shè)備限界，經(jīng)常造成接觸網(wǎng)發(fā)生跳閘，另外鳥類打窩用的樹枝或者金屬物質(zhì)以及動(dòng)物本身也會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)發(fā)生放電或短路故障。

4.2.3 絕緣距離不足。

接觸網(wǎng)帶電部分由于受溫度變化使其空間幾何位置發(fā)生變化，當(dāng)對(duì)接地體的距離變小并小于全距離時(shí)即發(fā)生對(duì)地放電故障。

4.2.4 絕緣子的絕緣強(qiáng)度不足。

一些特殊的地方，外界環(huán)境影響較大，比如化工污染，霧霾的影響，也會(huì)導(dǎo)致絕緣子發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象。

4.3 減少絕緣故障的措施

4.3.1 加強(qiáng)對(duì)絕緣的清掃工作，對(duì)部分污染嚴(yán)重的區(qū)段人為縮短清掃周期。

4.3.2 對(duì)環(huán)境惡劣區(qū)段更換為抗污性能強(qiáng)的硅橡膠絕緣子。

4.3.3 對(duì)接觸網(wǎng)線索的調(diào)整要考慮其溫度變化的影響，保證在溫度變化時(shí)帶電部分距接地體保持足夠的安全距離。

4.3.4 對(duì)鐵路附近可能影響接觸網(wǎng)供電安全的危樹、建筑物及時(shí)做好防護(hù)措施，保證在外界狀態(tài)影響下，對(duì)接觸網(wǎng)能保證足夠的安全距離。

4.3.5 加強(qiáng)對(duì)上跨建筑物上積雪的清掃工作和鋼柱、橫梁上鳥巢的清理工作，防患于未然。

5.結(jié)論

接觸網(wǎng)是鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，接觸網(wǎng)故障將導(dǎo)致供電中斷，影響行車可靠性。本文通過對(duì)接觸網(wǎng)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到接觸網(wǎng)故障的主要特點(diǎn)為：弓網(wǎng)障礙、絕緣故障、以及其他原因。

弓網(wǎng)障礙的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，零部件質(zhì)量原因是造成弓網(wǎng)關(guān)系異常的主要原因。絕緣故障中絕緣子閃絡(luò)是造成接觸網(wǎng)絕緣故障的一個(gè)主要原因。此外，造成接觸網(wǎng)絕緣故障的原因包括異物侵限、樹木侵限和鳥害。在站場(chǎng)，貨物裝卸造成絕緣子污穢也是引發(fā)絕緣閃絡(luò)的一個(gè)重要原因。

根據(jù)以上結(jié)果果，要預(yù)防和減少接觸網(wǎng)故障，需要從減少弓網(wǎng)障礙和絕緣故障入手，加強(qiáng)零部件的質(zhì)量監(jiān)控關(guān)，加強(qiáng)日常的維修管理，保證接觸網(wǎng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

[1]吳積欽．受電弓——接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究[D].西南交通大學(xué) 2009.

[2]于成聚．高速電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

[3]梅桂明．受電弓——接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[D].西南交通大學(xué) 2011.