國(guó)外AC 25 kV高速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試分析

王 田，王 宏，王北維，羅雁康，嚴(yán)小賓

0 引言

近年來(lái)，剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)以其零部件少、凈空要求低、載流量大、可靠性高、維修便捷等優(yōu)點(diǎn)[1]，在我國(guó)軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。自2003年6月我國(guó)首個(gè)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在廣州地鐵2號(hào)線投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明其運(yùn)行效果良好[2]，并在國(guó)內(nèi)蘭武二線烏鞘嶺隧道、青藏鐵路新關(guān)角隧道、南疆鐵路中天山隧道的鐵路工程中有所應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)最高運(yùn)行速度為160 km/h，尚無(wú)160 km/h以上速度等級(jí)的運(yùn)行案例或測(cè)試記錄[3]。

1 S tanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)介紹

Stanton隧道位于英國(guó)萊仕特郡（Leicestershire），隧道形式為單洞雙線隧道，軌道基礎(chǔ)采用有砟道床，電壓等級(jí)AC 25 kV，其剛性懸掛段長(zhǎng)度1.2 km，是英國(guó)第一條采用高速剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的線路。Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)采用7.5 m跨距布置，CR4（四代）匯流排，鉸鏈?zhǔn)剿綉冶?，定位點(diǎn)為彈性定位，設(shè)計(jì)時(shí)速220 km，運(yùn)營(yíng)時(shí)速200 km，于2016年6月14—16日進(jìn)行了145～200 km/h速度的弓網(wǎng)測(cè)試，驗(yàn)證Stanton隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的適用性和可靠性。

2 弓網(wǎng)測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC 62486-2017標(biāo)準(zhǔn)和歐盟TSI（Technical Specification for Interoperability）鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范[4]，AC 25 kV剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如表1所示。

由弓網(wǎng)接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，在最小接觸力Fmin和最大接觸力Fmax處于0～350 N的情況下，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)受流質(zhì)量可以用平均接觸力Fm與接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系來(lái)衡量，這也是對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的普適性方法。為了驗(yàn)證本次弓網(wǎng)測(cè)試完全符合上述標(biāo)準(zhǔn)，增加本次弓網(wǎng)測(cè)試獲得的接觸力數(shù)據(jù)可信度，以更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求對(duì)已獲取弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，本次弓網(wǎng)測(cè)試中，對(duì)于平均接觸力Fm與接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系，在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的前提下采用一種更加嚴(yán)格的考量標(biāo)準(zhǔn)：①σ/Fm＜0.25；②Fm- 3σ＞25 N；③Fm-3σ＞0.3Fm。采用該弓網(wǎng)受流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和弓網(wǎng)適應(yīng)性提出了更高的要求，進(jìn)一步確保剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行下安全可靠。

表1 AC 25 kV剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 弓網(wǎng)測(cè)試設(shè)備與受電弓布置

（1）車輛：使用2組（每組5列編組）且每組帶有一個(gè)受電弓的Hitachi Class 800 units測(cè)試車輛，以此構(gòu)成雙弓牽引的取流制式，受電弓型號(hào)為Brecknell Willis HSX 250型，前弓靜態(tài)接觸力70 N，后弓靜態(tài)接觸力90 N。

（2）受電弓布置：測(cè)試列車采用雙弓牽引，2組列車每組各配備一個(gè)受電弓，受電弓間距為200 m，前車順弓后車逆弓的布置形式（圖1），測(cè)試速度范圍為145～200 km/h。

圖1 測(cè)試列車雙弓牽引弓間距200 m布置形式

（3）設(shè)備：弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)采用DB System Technik公司（德國(guó)鐵路系統(tǒng)技術(shù)公司，簡(jiǎn)稱DBST）的遙測(cè)設(shè)備進(jìn)行收集。該設(shè)備在歐洲境內(nèi)的鐵路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其測(cè)試精度經(jīng)過(guò)了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證并遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317的規(guī)定，測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后可進(jìn)行可視化展示，并可以文件、視頻影像等形式輸出。

4 弓網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

基于以上測(cè)試車輛、受電弓布置以及相關(guān)測(cè)試設(shè)備，針對(duì)Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)區(qū)間（K186+581.8～K187+786.4）進(jìn)行了為期3天的弓網(wǎng)檢測(cè)，按照速度145、160、175、190、200 km/h共5個(gè)速度等級(jí)進(jìn)行測(cè)試，收集并整理了在弓間距為200 m布置下各個(gè)速度等級(jí)下弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試接觸力波形圖、接觸力指標(biāo)特征值以及接觸力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖。

4.1 接觸力測(cè)試波形圖

Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在5個(gè)速度等級(jí)下的弓網(wǎng)接觸力波形見(jiàn)圖2。由于篇幅原因，本文只展示在Stanton隧道K186+581.8～K187+786.4剛性接觸網(wǎng)區(qū)間內(nèi)300 m長(zhǎng)度區(qū)段的弓網(wǎng)接觸力測(cè)試波形。

圖2 S tanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)前后弓接觸力測(cè)試波形

4.2 接觸力指標(biāo)特征值統(tǒng)計(jì)

將Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在速度145、160、175、190、200 km/h共5個(gè)速度等級(jí)下，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好，具體見(jiàn)表2。

表2 S tanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力指標(biāo)特征值統(tǒng)計(jì)

4.3 接觸力指標(biāo)曲線圖

基于以上測(cè)試數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的速度等級(jí)繪制Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力特征值統(tǒng)計(jì)圖，如圖3所示。

圖3 S tanton隧道不同速度等級(jí)弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)

5 弓網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

（1）受電弓在空氣介質(zhì)中運(yùn)行會(huì)受到氣動(dòng)作用力，且隨著速度的提高將會(huì)在弓網(wǎng)系統(tǒng)中形成不穩(wěn)定性氣流[5]。由表2可以看出，在145～200 km/h的速度范圍內(nèi)，弓網(wǎng)接觸力平均值Fm和接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ隨著速度的增加而增大，表明受電弓上下空氣壓差將會(huì)增大，進(jìn)而增加受電弓豎向升力，導(dǎo)致弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性變差。

（2）速度為190和200 km/h時(shí)的接觸力波形圖中，在K186+735～K186+935的測(cè)試區(qū)間內(nèi)，前弓與后弓接觸力出現(xiàn)突變的趨勢(shì)，并且后弓最小接觸力為0 N，出現(xiàn)了弓網(wǎng)離線的情況，這是由于在該區(qū)間內(nèi)存在接觸線接頭續(xù)接的情況，導(dǎo)致接觸力出現(xiàn)突變和弓網(wǎng)離線。

（3）由以上接觸力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖（圖3）可以看出，隨著速度的提高，F(xiàn)m- 3σ的值呈現(xiàn)下降的漸變趨勢(shì)，在各個(gè)速度等級(jí)下弓網(wǎng)最大接觸力不超過(guò)220 N，弓網(wǎng)最小接觸力除上述第（2）條情況以外大部分在10 N以上，由于后弓施加的靜態(tài)抬升力比前弓要大，所以后弓動(dòng)態(tài)接觸力相比于前弓要大，且前弓振動(dòng)引起的接觸線振波對(duì)后弓存在一定影響[6]，后弓受流穩(wěn)定性比前弓略差。

（4）在隧道里程K187+478.6第2個(gè)錨段膨脹接頭附近（由于篇幅原因未顯示其波形圖）接觸力出現(xiàn)峰值的趨勢(shì)，且出現(xiàn)后弓最大接觸力接近220 N的情況，比第1個(gè)錨段的膨脹接頭附近的接觸力峰值大，這是由于膨脹接頭安裝精度差異導(dǎo)致。

6 結(jié)論

（1）Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)弓網(wǎng)測(cè)試過(guò)程中，接觸線接頭附近出現(xiàn)接觸力為0 N的情況，可以推測(cè)接觸線放線時(shí)其續(xù)接工藝和安裝精度不達(dá)標(biāo)，可能存在兩接觸線接頭間隙過(guò)大，或接觸線出現(xiàn)扭擰，需要深入現(xiàn)場(chǎng)排查并采取整治措施。

（2）Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)弓網(wǎng)測(cè)試為剛性接觸網(wǎng)中接觸力硬點(diǎn)的分布提供了定位和查找依據(jù)，從弓網(wǎng)接觸力波形圖中能夠直觀地反映接觸力突變情況，為Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)修制定提供數(shù)據(jù)支持。

（3）剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響弓網(wǎng)受流的因素還包括軌道幾何質(zhì)量、隧道通風(fēng)井處氣動(dòng)效應(yīng)、滲漏水對(duì)道床影響等，以上因素可對(duì)受電弓運(yùn)行平穩(wěn)性和跟隨性造成一定影響，應(yīng)進(jìn)行綜合分析和判斷。

（4）對(duì)Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了145～200 km/h共5個(gè)速度等級(jí)的弓網(wǎng)測(cè)試，采用Brecknell Willis HSX 250型受電弓，且在弓間距為200 m情況下，弓網(wǎng)測(cè)試接觸力統(tǒng)計(jì)特征值關(guān)系滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，表明Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)以時(shí)速200 km運(yùn)行具備適應(yīng)性和可行性。