帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器仿真分析及其應(yīng)用

韓月明，王秋實，鄧雪明，高金山，劉正盛，魯 堯，嚴(yán)小賓，方 怡，楊 輝，蔣 佩，黃 帥，陶治杰

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展、城市化進(jìn)程日益加快，我國在軌道交通技術(shù)創(chuàng)新上取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。國內(nèi)首個架空剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)自2003年6月投入運營以來，其運營實踐已取得良好的運行效果。在交流25 kV系統(tǒng)制式上，架空剛性接觸網(wǎng)也成功應(yīng)用于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等多個標(biāo)志性鐵路工程中。

在剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓經(jīng)過分段絕緣器時會引起弓網(wǎng)接觸力的波動，在一定程度上影響弓網(wǎng)關(guān)系，因此分段絕緣器是剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的一個相對薄弱環(huán)節(jié)[1]。尤其當(dāng)受電弓以120 km/h及以上速度運行時，受電弓對電分段處分段裝置的機(jī)械強(qiáng)度和平順度要求更高[2]。為此引入輔助絕緣滑靴的設(shè)計理念，使得受電弓以全接觸方式通過分段絕緣器時平順良好接觸，無撞弓、鉆弓等故障隱患，確保運營安全，提高了分段絕緣器設(shè)備本體的安全性和可靠性[3]。

1 帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器

帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器，其設(shè)計理念最早起源于瑞士Furrer+Frey公司，并且在國外多個隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)中已有使用。多年的運行表明，其機(jī)械性能和電氣性能完全滿足剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)運行要求，設(shè)備運行情況良好。

帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器結(jié)構(gòu)主要由連接匯流排、連接金具、長滑道、短滑道、銅滑道橫撐、輔助絕緣滑靴和絕緣棒等組成，如圖1所示。絕緣棒兩端分別通過連接金具與兩個連接匯流排連接；長、短滑道在設(shè)備兩側(cè)交錯布置；輔助絕緣滑靴同樣布置在設(shè)備兩側(cè)，并與連接金具連接；輔助絕緣滑靴底部與長、短滑道底部共同構(gòu)成水平平面，可更好地保證受電弓經(jīng)過時良好的平順性和穩(wěn)定性。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

2 弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系仿真分析

利用ANSYS軟件，對帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器在DC 1 500 V剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行弓網(wǎng)動態(tài)有限元仿真分析[4，5]。篇幅所限，本文不展示帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器在交流供電系統(tǒng)中的仿真結(jié)果。

受電弓型號采用TSG23E，定位線夾采用非彈性線夾，懸掛方式為門型結(jié)構(gòu)，布置形式為類“之”字型[6]，其他仿真參數(shù)見表1[7]。

表1 仿真參數(shù)

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)規(guī)范[8，9]、標(biāo)準(zhǔn)[10，11]的規(guī)定（如EN 50367—2020、EN 50119—2020等），具體評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 弓網(wǎng)接觸力評價標(biāo)準(zhǔn) N

當(dāng)所有指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)[12]時，以弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差為優(yōu)選依據(jù)。

2.2 構(gòu)建仿真模型

利用有限元仿真分析軟件ANSYS構(gòu)建剛性接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真模型，充分考慮各項仿真參數(shù)，將匯流排等效為梁單元，帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器等效為由各個不同截面組成的梁單元組合。帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器動力學(xué)仿真模型如圖2所示。

圖2 帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器動力學(xué)仿真模型

2.3 仿真方案及仿真結(jié)果

2.3.1 不同跨距對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響

設(shè)置跨距為3 m和3.5 m、靜態(tài)接觸力均為120 N的動力學(xué)仿真模型，模擬受電弓以120 km/h的運行速度通過剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)過弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析，得到弓網(wǎng)接觸力仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 受電弓以時速120 km通過不同跨距剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)分段絕緣器時接觸力波形

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)受電弓以 120 km/h的運行速度分別通過3 m和3.5 m跨距剛性懸掛的分段絕緣器時，接觸力均有一處明顯的波動極值，但其能夠很快穩(wěn)定下來。

為進(jìn)一步比較跨距對弓網(wǎng)關(guān)系的影響，整理受 電弓通過分段絕緣器時的接觸力情況，如表3所示。

表3 受電弓分別通過3 m和3.5 m跨距剛性懸掛分段絕緣器時的接觸力

由表3可知：當(dāng)受電弓以120 km/h的運行速度分別通過3 m和3.5 m跨距剛性懸掛的分段絕緣器時，接觸力F均滿足0＜F≤300 N的要求；平均接觸力Fm均滿足86.128≤Fm≤153.968 N；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ均滿足σ≤0.3Fm的要求。

分析3 m跨距和3.5 m跨距的兩組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3 m跨距條件下的接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較小，弓網(wǎng)關(guān)系更好。因此，對使用帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器的剛性接觸網(wǎng)，其跨距推薦采用3 m。

2.3.2 不同運行速度對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響

設(shè)置3 m跨距、靜態(tài)接觸力均為120 N的弓網(wǎng)動力學(xué)仿真模型，模擬受電弓以80～160 km/h的運行速度通過剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)過弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析，得到弓網(wǎng)接觸力仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 受電弓以不同時速通過分段絕緣器時接觸力波形

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)受電弓分別以不同運行速度通過3 m跨距剛性懸掛的分段絕緣器時，接觸力均有一處明顯的波動極值，但其能夠很快穩(wěn)定下來。同時可以明顯看到，隨著運行速度的提高，接觸力數(shù)值的波動范圍也進(jìn)一步增大。

為了進(jìn)一步分析80～160 km/h的運行速度對弓網(wǎng)關(guān)系的影響，整理受電弓通過分段絕緣器時的接觸力情況，如表4所示。

表4 受電弓以80～160 km/h的運行速度通過3 m跨距剛性懸掛分段絕緣器時接觸力

由表4可知：當(dāng)受電弓分別以80、100、120、140、160 km/h的運行速度通過3 m跨距剛性懸掛的分段絕緣器時，接觸力F的波動范圍均滿足0＜F≤300 N的要求；平均接觸力Fm分別滿足各速度等級下的要求；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ均滿足σ≤0.3Fm的要求。

分析在5種不同運行速度下的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著運行速度的提高，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ逐漸增大，說明隨著運行速度的提高，弓網(wǎng)振動逐漸加劇，弓網(wǎng)關(guān)系逐漸變差。分析運行速度為160 km/h下的數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ與0.3Fm的差值為17.648 N，說明此款帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器的通過速度仍然可以進(jìn)一步提高。

2.3.3 導(dǎo)高隨機(jī)偏差對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響

設(shè)置120 N靜態(tài)接觸力、3 m跨距、附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的弓網(wǎng)動力學(xué)仿真模型，模擬受電弓以120 km/h的運行速度通過剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)過弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析，得到弓網(wǎng)接觸力仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 受電弓以120 km/h速度通過分段絕緣器（導(dǎo)高隨機(jī)偏差±4 mm）時接觸力波形

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)受電弓以 120 km/h速度通過附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的分段絕緣器時，接觸力有一處明顯的波動極值，并且能夠很快穩(wěn)定下來。為了進(jìn)一步分析導(dǎo)高隨機(jī)偏差對弓網(wǎng)關(guān)系的影響，整理受電弓通過分段絕緣器時的接觸力情況如表5所示。

表5 受電弓以120 km/h速度通過附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的分段絕緣器時接觸力

由表5可知：當(dāng)受電弓以120 km/h速度通過3 m跨距、附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的分段絕緣器時，接觸力F均滿足0＜F≤300 N的要求；平均接觸力Fm均滿足86.128≤Fm≤153.968 N；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ滿足σ≤0.3Fm的要求。

分析在有/無附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差下的兩組數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大，說明導(dǎo)高隨機(jī)偏差將使得弓網(wǎng)振動加劇，弓網(wǎng)關(guān)系將會變差。

2.3.4 靜態(tài)接觸力對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響

EN 50367—2020中對DC 1 500 V、運行速度不大于200 km/h的情況，規(guī)定靜態(tài)接觸力的最大值為140 N。為進(jìn)一步比較靜態(tài)接觸力對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響，現(xiàn)設(shè)置一組靜態(tài)接觸力為140 N、3 m跨距、無附加導(dǎo)高隨機(jī)偏差的弓網(wǎng)動力學(xué)仿真模型，模擬受電弓以120 km/h的速度通過剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)。經(jīng)過弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析，得到弓網(wǎng)接觸力仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 受電弓以120 km/h速度通過分段絕緣器（靜態(tài)接觸力為140 N）時接觸力波形

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)受電弓以 120 km/h的速度通過靜態(tài)接觸力為140 N的分段絕緣器時，接觸力有一處明顯的波動極值，并且能夠很快地穩(wěn)定下來。為了進(jìn)一步分析靜態(tài)接觸力對弓網(wǎng)關(guān)系的影響，整理受電弓通過分段絕緣器時的接觸力情況如表6所示。

表6 受電弓以不同靜態(tài)接觸力通過分段絕緣器時接觸力

由表6可知：當(dāng)受電弓分別以不同靜態(tài)接觸力通過3 m跨距剛性懸掛的分段絕緣器時，接觸力F均滿足0＜F≤300 N的要求；平均接觸力Fm均滿足86.128≤Fm≤153.968 N；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ均滿足σ≤0.3Fm的要求。

分析不同靜態(tài)接觸力下的兩組數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)接觸力為140 N時的接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大，說明此時的弓網(wǎng)振動將加劇，弓網(wǎng)關(guān)系將會變差，因此推薦靜態(tài)接觸力采用120 N。

3 帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器工程應(yīng)用

帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器系列產(chǎn)品因其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)良的弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系，被應(yīng)用于多個工程項目中。AC 25 kV系列帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器產(chǎn)品已在多年前成功用于南疆鐵路土—庫二線中天山隧道段、青藏鐵路西-格關(guān)角隧道段、天津西站至天津站地下直徑線、香港沙中線等項目中。DC 1 500 V系列帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器產(chǎn)品亦相繼用于南寧、重慶、深圳、蘇州等多個城市的軌道交通項目。所有設(shè)備運行良好，獲得各方的一致好評。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS仿真軟件，根據(jù)線路實際需要，構(gòu)建符合實際工況的弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系仿真模型，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）相比3.5 m的剛性懸掛跨距，3 m跨距條件下的接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較小，弓網(wǎng)關(guān)系更好。對使用帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器的剛性接觸網(wǎng)，推薦其采用3 m跨距。

（2）當(dāng)運行速度由80 km/h逐漸提高到160 km/h時，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ逐漸增大，弓網(wǎng)振動逐漸加劇，弓網(wǎng)關(guān)系逐漸變差。運行速度為 160 km/h時的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，此款帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器的通過速度可以進(jìn)一步提高。

（3）即使存在導(dǎo)高隨機(jī)偏差，帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器仍能滿足運行速度為120 km/h的線路需要。但有導(dǎo)高隨機(jī)偏差時，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大，弓網(wǎng)振動加劇，弓網(wǎng)關(guān)系變差。

（4）無論靜態(tài)接觸力為120 N或是140 N，帶輔助絕緣滑靴的分段絕緣器均能滿足運行速度為120 km/h的線路需要。相比140 N時的靜態(tài)接觸力，靜態(tài)接觸力為120 N時的接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較小，弓網(wǎng)振動較小，弓網(wǎng)關(guān)系較好。