鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的防災(zāi)分析

摘 要：接觸網(wǎng)在鐵路領(lǐng)域的牽引供電體系中屬于十分重要的一個(gè)組成部分。但在接觸網(wǎng)中卻常常由于性能特點(diǎn)上的原因，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)發(fā)生螺栓松動(dòng)、腐蝕、磨耗、絕緣不良等方面的問(wèn)題，所以必須認(rèn)真分析接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)防災(zāi)情況?；诖?，本文從鐵路出發(fā)，概述了牽引供電系統(tǒng)與接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且展開(kāi)了相應(yīng)的防災(zāi)分析。

關(guān)鍵詞：鐵路牽引;接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu);供電系統(tǒng);防災(zāi)

信息時(shí)代下，伴隨微電子工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力鐵路機(jī)車逐步實(shí)現(xiàn)了故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)遙測(cè)、駕駛等目標(biāo)，同時(shí)，在牽引供電體系，也全面實(shí)現(xiàn)了信息化與自動(dòng)化，并且大幅提升了運(yùn)行效率與整體效益。但體系中的接觸網(wǎng)卻頻頻出現(xiàn)災(zāi)害問(wèn)題，迫切需要分析并提出有效的改進(jìn)措施，提高電機(jī)車運(yùn)行的整體安全平穩(wěn)性。

一、相關(guān)概述

1、鐵路牽引供電系統(tǒng)

在鐵路領(lǐng)域的牽引供電體系，指的是電力機(jī)車自身的牽引供電系統(tǒng)，其中包含變電所與牽引接觸網(wǎng)。在牽引變電所，經(jīng)由髙壓輸電線輸送過(guò)來(lái)的三相交流電，直接變換成為與電力機(jī)車相適應(yīng)的電流及電壓，然后向接觸網(wǎng)輸送，并從接觸網(wǎng)供電給機(jī)車。根據(jù)機(jī)車電流制，可以劃分成直流、交流模式。其中在直流制中，接觸網(wǎng)往往具有低電壓（1500V、3000V），而且難以再提升，每間隔10？30km，在沿線上必須規(guī)劃一個(gè)變電所。而在交流制中，又存在單相工、低頻交流制。我國(guó)主要使用單相25kV、50Hz的工頻交流制。伴隨交流網(wǎng)壓的不斷提升與接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益簡(jiǎn)化，變電所的間距也逐步擴(kuò)大到30？70km。

2、接觸網(wǎng)

在現(xiàn)代鐵路上，接觸網(wǎng)就是沿鋼軌“之”形結(jié)構(gòu)所架設(shè)的高壓輸電線。在鐵路工程中，接觸網(wǎng)屬于主構(gòu)架，主要用于供給電力機(jī)車能量。在接觸網(wǎng)中，導(dǎo)線常常用于向電力機(jī)車傳輸電流。所以，接觸網(wǎng)的狀態(tài)與電氣鐵路的整體運(yùn)行直接相關(guān)。雖然接觸網(wǎng)布置方便、受網(wǎng)關(guān)系好、誤差要求低、穩(wěn)定、散熱性能優(yōu)異，但是具體的作業(yè)環(huán)境卻相當(dāng)惡劣，在風(fēng)、雨、雪、冰等種種不利天氣條件的影響下，出現(xiàn)事故或者故障后，勢(shì)必會(huì)影響到整條鐵路的實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量，故此防災(zāi)可靠性的分析也至關(guān)重要。

二、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的防災(zāi)分析

1、創(chuàng)建有限元模型

按支撐懸掛體系下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適當(dāng)簡(jiǎn)化原結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)基于梁、管、桿等單元的有限元模型。在本研究中，創(chuàng)建接觸網(wǎng)懸掛體系下兩檔間有65m跨度的模型，且以中間柱作為正定位。為了便捷地描述計(jì)算結(jié)果，就標(biāo)記了各節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，賦予建立單元一定的特點(diǎn)與實(shí)常數(shù)，并且在絕緣子及棒式支座上，通過(guò)臂腕、定位環(huán)等，來(lái)耦合設(shè)定條件，以連貫傳遞力、運(yùn)動(dòng)等。在約束邊界條件方面，能全約束有限元模型中的上、下支座左端，通過(guò)承力索、接觸線兩端來(lái)約束固接，且控制承力索、接觸線張力分別為23kN 、30kN。

2、工況載荷

（1）覆冰載荷

在導(dǎo)線模型中，覆冰段上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)承受的力，能分解成為以下廣義力：y方向（垂直方向）的力、z方向（導(dǎo)線徑向方向）的扭轉(zhuǎn)力。針對(duì)純覆冰下單個(gè)導(dǎo)線段節(jié)點(diǎn)，具體的受力值如此：

Fy=一migl;Mz=—migl？Lcosθ

其中，l—單元導(dǎo)線長(zhǎng);L—從覆冰質(zhì)心一直至導(dǎo)線中心之間的距離，且L=1/2D+SI，而SI—冰厚;θ—凝冰角，大小為45°;mi—單位覆冰長(zhǎng)的質(zhì)量，厚度依次為10、20、30mm，密度—900kg/m3，且mi=1/2πSI2ρ冰。在覆冰等效載荷節(jié)點(diǎn)力方面，可獲得導(dǎo)線上不同節(jié)點(diǎn)下的載荷值。

（2）風(fēng)壓載荷

按伯努利方程可得風(fēng)一壓關(guān)系，其中風(fēng)的動(dòng)壓P=0.5ρv2。其中，P—風(fēng)壓，單位kN/m2;v—風(fēng)速，單位m/s;ρ—空氣密度，單位kg/m3。

而ρ與重度r之間又有關(guān)系r=ρg，所以，ρ=r/g，所以得出風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)公式P=1/2rv2/g。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，有1.013×105Pa的氣壓、15℃的溫度、0.01225kN/m3的空氣重度。而在45°的緯度下， g=9.8m/s2，故此，P=v2/1600。

在平行于直支持架腕臂且垂直于接觸線方向上，風(fēng)壓被等效為均布施加載荷。據(jù)風(fēng)壓-時(shí)間歷程顯示，載荷穩(wěn)定值：在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)風(fēng)速下，P1= 0.86kN/m2;在設(shè)計(jì)風(fēng)偏風(fēng)速下，P2= 0.56kN/m2。

3、結(jié)果與分析

（1）瞬態(tài)風(fēng)災(zāi)下動(dòng)力學(xué)

在風(fēng)災(zāi)發(fā)生中，會(huì)形成風(fēng)載荷。在求解分析中，懸掛接觸網(wǎng)體系下的支持架D點(diǎn)與Q點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)著最大應(yīng)力與最大位移的地方，且以P點(diǎn)具有最大的應(yīng)力。在部分接觸線上，105節(jié)點(diǎn)位置具有順風(fēng)方向下的最大位移。

（2）瞬態(tài)風(fēng)、冰災(zāi)下的動(dòng)力學(xué)

基于風(fēng)、冰災(zāi)的共同作用，具體的受力情況屬于線性疊加風(fēng)、冰載荷而形成的。同時(shí)，就導(dǎo)線覆冰后發(fā)生的質(zhì)量增大現(xiàn)狀，并且模擬了添加單元的質(zhì)量。隨機(jī)選取支持架的D點(diǎn)與內(nèi)部的上掛點(diǎn)P，來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析。同時(shí)，選取接觸線上的節(jié)點(diǎn)114、115及Q下掛點(diǎn)，來(lái)沿方向x、y上進(jìn)行位移分析。這些關(guān)鍵點(diǎn)在給定的兩種風(fēng)冰災(zāi)下，形成了各自的歷程圖。

4、防災(zāi)分析

在冰災(zāi)基礎(chǔ)條件下，在101節(jié)點(diǎn)位置（與P點(diǎn)相距8.3m的節(jié)點(diǎn)）出現(xiàn)了最大應(yīng)力值。這個(gè)應(yīng)力值較小，但可以達(dá)到強(qiáng)度要求。然而，在形變分析環(huán)節(jié)卻顯示，當(dāng)覆冰條件為20mm、30mm時(shí)，接觸線出現(xiàn)了較大的形變。而最大位移值則發(fā)生在冰厚條件為30mm的情況下，具體為125mm?？紤]到偏移量較大，故此在較厚覆冰的條件下，需要進(jìn)行除冰，并且適當(dāng)限速或者停運(yùn)。

在風(fēng)災(zāi)情況下，應(yīng)力與位移發(fā)生的最大值均在風(fēng)速為37m/s情況下出現(xiàn)。在支持架上，最大應(yīng)力值86.9MPa，并且在斜腕臂D點(diǎn)出現(xiàn)。針對(duì)接觸線，最大應(yīng)力值為承力索接觸直腕臂的P點(diǎn)，也就是12.8MPa，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都可以達(dá)到需要。在承力索掛柱頂點(diǎn)，發(fā)生了0.12mm的最大水平位移，并且滿足柱頂處與線路方向垂直的水平撓度在5/100支柱高度以下的規(guī)定要求。在接觸線水平上，偏移最大量324.3mm，且撓度限值均在規(guī)定范圍。但是，這時(shí)發(fā)生的偏移量與330mm十分接近。所以，在這樣的風(fēng)速條件下，機(jī)車往往屬于高危行駛，需要視情況停運(yùn)機(jī)車。在同步風(fēng)、冰災(zāi)的條件下，最大應(yīng)力值與最大位移值均發(fā)生在冰厚為20mm、風(fēng)速+30m/s的條件下，且整個(gè)支持架上的D點(diǎn)仍然是最大應(yīng)力值的地方，具體是56.7MPa。而承力索接觸直腕臂點(diǎn)的地方，最大應(yīng)力值32.7MPa，并且可以達(dá)到強(qiáng)度需要。因?yàn)楦脖龃罅藢?dǎo)線質(zhì)量，而最大接觸線水平偏移量小于風(fēng)災(zāi)30m/s下的最大值，具體是98.5mm，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度也能達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)大力發(fā)展交通事業(yè)，極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。其中的鐵路部分，事關(guān)國(guó)計(jì)民生，并且影響著國(guó)內(nèi)交通事業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展，而相應(yīng)的牽引供電系統(tǒng)也引起了廣泛的關(guān)注?？紤]到接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)故障災(zāi)害很常見(jiàn)，故此很有必要認(rèn)真分析防災(zāi)問(wèn)題，及時(shí)提出有效的故障防范措施，使鐵路供電整體系統(tǒng)得以穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

韓明新（1987—），男，青海西寧人，工程師，本科，畢業(yè)于青海大學(xué)昆侖學(xué)院，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事鐵路電氣化建設(shè)接觸網(wǎng)工程施工工作。