一種柱頂新型高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)

王京保

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

接觸網(wǎng)正饋線、供電線是電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。沿線分布的牽引變電所、開閉所、分區(qū)所均有數(shù)公里的供電線，在供電臂較長(zhǎng)、坡度大、彎道迂回較多的線路上設(shè)有并聯(lián)線和加強(qiáng)線，AT供電方式區(qū)段均設(shè)有正饋線[1-2]。

目前，正饋線、供電線、加強(qiáng)線主要通過絕緣子或絕緣子串與鋼肩架相連，以保證附加線和接觸網(wǎng)支柱之間不發(fā)生閃絡(luò)。但隨著所需絕緣距離的增大，絕緣片數(shù)增多，絕緣子串或絕緣子長(zhǎng)度變大，其對(duì)跨線建筑物、其余附加導(dǎo)線的安全距離也必然增加。且線夾容易發(fā)生晃動(dòng)，對(duì)附加線的限位作用不好，附加線的擺動(dòng)大；同時(shí)其工程成本較高[3-5]，因此，有必要對(duì)懸掛方式進(jìn)行研究改進(jìn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的正饋線、供電線懸掛方式是采用導(dǎo)線與線夾鋼性固定，線夾與絕緣子串連接后懸掛在鋼肩架上，下錨處硬錨固(無補(bǔ)償下錨)的方式[6-7]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)這種懸掛方式的主要研究方向?yàn)閺睦碚摲治觥?shí)驗(yàn)研究、有限元數(shù)值模擬幾個(gè)方面對(duì)特殊氣象條件下或特殊地段的懸掛方式進(jìn)行改進(jìn)。

新型復(fù)合材料主要由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂材料組成，通過纖維纏繞、拉擠、真空灌注等工藝使其成形。新型的復(fù)合材料因材料及工藝不同性能也不同，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)供配電部分的新型復(fù)合材料，研究主要集中在絕緣子材質(zhì)、桿塔及橫擔(dān)材質(zhì)上，尤其近幾年，隨著復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究的逐漸深入，應(yīng)用復(fù)合材料制造輸電線路桿塔及橫擔(dān)成為研究熱點(diǎn)。

2 主要研究?jī)?nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

絕緣子是供電線路中使用最廣泛的基礎(chǔ)原件，用于懸掛導(dǎo)線并起絕緣作用，目前常用的主要有懸式絕緣子和棒式絕緣子。絕緣子的機(jī)械性能包括抗拉、抗壓、抗彎、抗機(jī)械沖擊以及彩玉強(qiáng)度。絕緣子的絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣材料在電場(chǎng)作用下不被擊穿的耐受電壓和能力，稱為絕緣強(qiáng)度。隨著所需絕緣距離的增大，絕緣片數(shù)的增多，絕緣子串或絕緣子長(zhǎng)度的變大，絕緣子對(duì)地及跨線建筑物以及其余附加導(dǎo)線的安全距離必然增加[8-9]。

本文在分析目前國(guó)內(nèi)電氣化鐵路正饋線、供電線、加強(qiáng)線懸掛系統(tǒng)形式的基礎(chǔ)上，尋求一種新型的復(fù)合絕緣材料應(yīng)用于正饋線、供電線、加強(qiáng)線肩架，使其肩架本身滿足絕緣距離要求。去除現(xiàn)有懸掛系統(tǒng)中的絕緣子串，以減少正饋線、供電線、加強(qiáng)線安裝所需空間，主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1)高速鐵路附加線系統(tǒng)采用新型復(fù)合材料懸掛裝置可行性分析。

(2)新型復(fù)合材料零配件的工藝選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)新型復(fù)合材料肩架與導(dǎo)線間懸掛方式的設(shè)計(jì)。

(4)新型復(fù)合材料高壓絕緣研究及測(cè)試。

(5)新型復(fù)合材料制品的表面處理及老化分析。

(6)對(duì)新型復(fù)合材料懸掛裝置進(jìn)行力學(xué)分析。

(7)新型復(fù)合材料懸掛裝置可靠性、維修性和經(jīng)濟(jì)性的綜合權(quán)衡。

(8)新型復(fù)合材料懸掛裝置實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

(9)新型復(fù)合材料肩架維護(hù)處理方式的研究。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述技術(shù)問題，提供一種高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)，包括肩架、接觸網(wǎng)支柱與線夾。其中，肩架包括橫臂與底座，橫臂由加強(qiáng)絕緣及雙絕緣復(fù)合材料制成。橫臂的第一端與底座固定連接，底座與接觸網(wǎng)支柱的頂部固定連接，橫臂的第二端與線夾固定連接，線夾用于固定附加線。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1)完整高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(2)新型復(fù)合絕緣肩架及其配套零配件的設(shè)計(jì)。

(3)對(duì)新型復(fù)合材料懸掛裝置進(jìn)行力學(xué)分析。

(4)新型復(fù)合材料懸掛裝置實(shí)際應(yīng)用測(cè)試方法的確定。

2.3 研究方法

對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，全面深入了解國(guó)內(nèi)外正饋線、供電線、加強(qiáng)線懸掛裝置及新型復(fù)合材料應(yīng)用于電力系統(tǒng)的最新技術(shù)和動(dòng)態(tài)，并按照以下思路開展工作：新型的材料確定→系統(tǒng)設(shè)計(jì)→力學(xué)特性分析及絕緣間隙分析→建立模型→仿真分析→得出數(shù)據(jù)→試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先對(duì)既有懸掛裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得出懸掛裝置的靜力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為復(fù)合材料懸掛裝置的設(shè)計(jì)提供參考。其次在現(xiàn)有的各種復(fù)合材料中尋找一種絕緣距離滿足要求的材料，依據(jù)計(jì)算對(duì)復(fù)合材料肩架及其配套零部件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)和絕緣設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料懸掛裝置進(jìn)行力學(xué)分析。然后建立各個(gè)零部件可靠度計(jì)算模型，定量計(jì)算出各個(gè)零部件的可靠度值。最后，對(duì)整個(gè)新型復(fù)合材料懸掛系統(tǒng)的維修性和經(jīng)濟(jì)性加以分析、研究，并對(duì)其可靠性、維修性和經(jīng)濟(jì)性作綜合權(quán)衡分析，使復(fù)合材料懸掛裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

(2)系統(tǒng)建模、計(jì)算機(jī)仿真

采用三維建模軟件建立復(fù)合材料懸掛裝置的實(shí)體模型。根據(jù)肩架及零配件分析得出零部件的受力狀態(tài)，對(duì)復(fù)合材料選裝裝置中受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)直至得到滿足絕緣距離要求、受力最合理、最節(jié)約空間的懸掛裝置。對(duì)現(xiàn)行的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，對(duì)新設(shè)計(jì)的復(fù)合懸掛裝置與現(xiàn)行懸掛系統(tǒng)在絕緣、受力、空間三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

一種高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，肩架的結(jié)構(gòu)示意如圖2、圖3所示。

圖1 附加線懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 附加線懸掛系統(tǒng)肩架結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 附加線懸掛系統(tǒng)肩架結(jié)構(gòu)示意圖

3 安裝方式

本文提供的一種高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)，包括肩架、接觸網(wǎng)支柱1與線夾2。

肩架包括橫臂3與底座4，橫臂3由加強(qiáng)絕緣及雙絕緣復(fù)合材料制成；橫臂3的第一端與底座4固定連接，底座4與接觸網(wǎng)支柱1的頂部固定連接，橫臂3的第二端與線夾2固定連接，線夾2用于固定附加線。

橫臂3為工型結(jié)構(gòu)還沒有加強(qiáng)筋板，有效增強(qiáng)其力學(xué)性能，避免在大風(fēng)等極端情況下，橫臂3發(fā)生斷裂或與底座4斷開連接。

加強(qiáng)絕緣及雙絕緣復(fù)合材料包括玻璃纖維和不飽和聚酯樹脂材料，通過纖維纏繞、拉擠與真空灌注等工藝即可完成橫臂3的成型，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕和電絕緣性能好，且其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，制造成本較低。

橫臂3與水平面的夾角為0°～30°，在保持附加線與接觸網(wǎng)支柱1之間安全距離的情況下，能有效降低橫臂3的長(zhǎng)度。

底座4包括底板6和設(shè)于底板6上的工型立柱。底板6與接觸網(wǎng)支柱1連接，工型立柱與橫臂3連接。工型立柱上設(shè)有加強(qiáng)鋼板8能有效承載橫臂3與附加線對(duì)其產(chǎn)生的作用力。工型立柱腹板為鏤空結(jié)構(gòu)，在保持工型立柱良好的受力強(qiáng)度下，能有效降低重量，便于安裝，且成本低。

工型立柱背側(cè)翼緣板5為S型結(jié)構(gòu)，其抗拉伸的性能高，可避免在大風(fēng)等極端情況下，底座4與接觸網(wǎng)支柱1斷開。

接觸網(wǎng)支柱1的內(nèi)側(cè)通過豎向連接板7與底板6螺栓連接，接觸網(wǎng)支柱1的背側(cè)通過L型連接板9與底板6螺栓連接，增強(qiáng)了接觸網(wǎng)支柱1與底板6之間連接性能，豎向連接板7與底板6為一體結(jié)構(gòu)，安裝方便快捷。

橫臂3的第二端設(shè)有固定板，固定板上設(shè)有與螺栓配合的螺栓孔。線夾2通過螺栓與橫臂3的第二端固定連接。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

(1)安全可靠性高，維護(hù)工作小

新型懸掛裝置無需在線夾與肩架之間設(shè)置絕緣子串，減少了附加導(dǎo)線因絕緣子串引起的擺動(dòng)絕緣間隙，減小導(dǎo)線的擺動(dòng)量，緩解導(dǎo)線疲勞及連接零部件磨損，有效避免了附加導(dǎo)線擺幅過大造成的與其他設(shè)備、線材絕緣帶電體或接地體間的距離不足問題，使跳閘事故縮減最小化，提高了運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率。

(2)支柱及肩架高度低

新型懸掛裝置無需在線夾與肩架之間設(shè)置絕緣子串，使導(dǎo)線最大馳度處在滿足規(guī)范中附加導(dǎo)線對(duì)地面最小距離的前提下，可有效降低接觸網(wǎng)支柱高度及肩架高度。

(3)安裝間距需求小

新型懸掛裝置無需在線夾與肩架之間設(shè)置絕緣子串，使導(dǎo)線在滿足規(guī)范中附加導(dǎo)線相互間最小距離的前提下，可有效降低附加導(dǎo)線肩架之間的安裝間距需求，減少多線路并行區(qū)段的線間距需求，減少獨(dú)立供電線架設(shè)區(qū)段的用地界，降低投資。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝便捷

新型懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，節(jié)約了安裝空間，可有效減少人工安裝時(shí)間。

(5)橫臂強(qiáng)度高、重量輕

橫臂采用的新型絕緣復(fù)合材料主要由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂材料組成，通過纖維纏繞、拉擠、真空灌注等工藝使其成形。與同規(guī)格的瓷、玻璃絕緣相比，重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕和電絕緣性能好，且其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，便于安裝維護(hù)。

(6)橫臂污閃電壓高

橫臂傘裙護(hù)套材料為有機(jī)硅高分子材料，其內(nèi)聚能密度低，表面能也低，加上側(cè)鏈上烷基屏蔽子主鏈中親水的氧原子與烷基上的氫原子相互排斥，使水分子難以與親水的氧原子接近，絕緣復(fù)合材料表現(xiàn)出憎水性的特點(diǎn)。表面水珠凝聚成彼此分離的細(xì)小水珠，而不形成連續(xù)的水膜導(dǎo)電層，且憎水性有向表面遷移的特性，因而絕緣復(fù)合材料絕緣表面泄漏電流小，難以形成局部電弧，不易發(fā)生表面污穢閃絡(luò)。

在表面臟污程度和電導(dǎo)率相同的條件下，橫臂表面電阻比形狀系數(shù)小的瓷絕緣子竄高。絕緣子污閃電壓與表面電阻有直接關(guān)系，表面電阻大，泄漏電流小，相應(yīng)污閃電壓就高。在泄漏距離相同情況下，污閃電壓橫臂比瓷絕緣子高一倍以上。

(7)運(yùn)輸維護(hù)方便

由于耐污性能高，不必進(jìn)行污穢清掃，基本實(shí)現(xiàn)了少維護(hù)甚至免維護(hù)。不僅能節(jié)約維修費(fèi)用，同時(shí)也減輕了維修勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了輸電運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)論

接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線懸掛裝置作為受力部件，是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，其電氣性能、機(jī)械性能、材料性能品質(zhì)將直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀況，對(duì)行車影響較大。同時(shí)，該裝置也是接觸網(wǎng)系統(tǒng)使用頻率高、作用重要的子系統(tǒng)，不但承受接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線施加的作用力，還承受絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)產(chǎn)生的巨大電流。

本文提供了一種高速鐵路牽引供電附加線懸掛系統(tǒng)，適用于高速鐵路及普速鐵路的附加線懸掛要求，通過加強(qiáng)絕緣及雙絕緣復(fù)合材料制成肩架的橫臂，可取消在線夾與肩架之間設(shè)置絕緣子串，有效降低了接觸網(wǎng)支柱的高度及附加線之間的間距需求，同時(shí)減少了絕緣子串引起的擺動(dòng)絕緣間隙。新型懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，節(jié)約安裝空間，安全可靠性高，便于維護(hù)及運(yùn)營(yíng)管理。進(jìn)一步提高了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，保障了牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提升了系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。