城市軌道交通弓網系統的受流性能評估

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

城市軌道交通接觸網大多采用直流750 V、1.5 kV的電壓制式[1]，與干線鐵路多以單相交流25 kV的電壓制式相比有所區別，而且城市軌道交通受電弓與接觸網系統有架空柔性接觸網、架空剛性接觸網兩種形式。

城市軌道交通弓網系統的受流性能是影響城市軌道交通列車供電可靠性和供電質量的關鍵因素。評估城市軌道交通弓網系統受流性能需要通過測量一些參數并進行計算，檢測既有城市軌道交通弓網接觸特性可作為評估弓網受流性能的方法，同時也是一種檢測局部缺陷的途徑，以便消除缺陷[2]。

針對弓網系統受流性能標準的研究，李會杰[3]建議目前可暫時采用EN系列標準統一國內設計參數；陳絢[4]根據弓網自身特點，提出弓網間的接觸力等幾個弓網受流性能指標；方巖[5]詳細地介紹歐洲弓網系統的標準體系。鑒于國內尚無形成統一的城市軌道交通弓網受流性能標準，故本研究提出一種城市軌道交通弓網系統的評估方法。

1　城市軌道交通弓網系統的受流性能

受多種因素的影響，如受電弓的振動、城市軌道交通列車的振動以及隧道風等，弓網系統會產生復雜的振動，該振動為隨機振動，只能用數理統計的方法進行研究。

受電弓與接觸網屬于兩個相互獨立的振動子系統，這兩部分有各自的固有頻率，通過弓網接觸力耦合在一起。當接觸力過大時，勢必對接觸線產生較大的抬升量，在定位器附近或兩支接觸懸掛交叉處這種過大的抬升量可能使受電弓與城市軌道交通接觸網的金具產生沖突，誘發弓網故障。另外，較大的接觸壓力，加大弓網間的摩擦磨損，長期運行，也容易誘發弓網故障。當接觸力為零時，弓網離線，會產生穩定的電弧，電弧對接觸線或受電弓滑板有可能造成燒傷，減低接觸線或受電弓滑板強大，也會誘發弓網故障。為了避免這些故障，必須對弓網接觸力、接觸線抬升量加以限制。

評估弓網受流性能的核心指標為弓網接觸力，接觸線的抬升是弓網接觸力作用在接觸線上的效果，也是評價弓網受流性能的指標之一[6]。弓網接觸力的變化受多因素影響，除了弓網幾何參數，還受弓網材料參數、外部環境因素的影響，故弓網接觸力是一個隨機分布的函數，只能以概率統計的方法進行分析。

弓網接觸力是表征弓網受流性能的核心參數，其大小范圍必須保持在一定限度內，標準EN50119[7]對城市軌道交通弓網接觸力做了相關規定，見表1所示。

EN50119要求直流電氣化鐵道上的在小于200 km/h時，上限值規定為300 N；在大于200 km/h時，上限值規定為400 N。城市軌道交通交通的運行速度一般都控制在200 km/h以內，故城市軌道弓網接觸力動態范圍應為0～300 N。

EN50367給出城市軌道交通弓網接觸力的目標曲線，見圖1[8]。圖1中只給出直流1.5 kV的接觸力目標曲線，并未給出750 V的接觸力目標曲線，這一點須引起注意。

表1　EN50119規定的接觸力動態范圍

圖1　EN50367規定的接觸力目標曲線

2　城市軌道交通弓網受流性能參數的獲取

弓網接觸力和接觸線的抬升量需要定量評價弓網受流系能，這種定量的獲取，需要一定的方法或者途徑。獲取城市軌道交通弓網受流性能參數一般可通過兩種途徑得到，一種是弓網仿真，一種是弓網測量。

對弓網系統的受流性能進行計算機仿真，既能證明弓網系統中各種參數的作用，又能對不同弓網系統的動態相互作用性能進行評估與對比。測量既有弓網系統的受流性能參數可作為評估弓網系統性能的一個方法，也可作為一種對弓網系統進行技術診斷的途徑。

弓網仿真須通過EN50318確認，弓網測量須通過EN50317[9]確認，具體內容見相關標準。

3　城市軌道交通弓網受流性能評估方法

城市軌道交通弓網仿真可以得到弓網的接觸力與接觸線抬升量兩個參量，但測量弓網受流性能，除了可測量得到弓網接觸力和接觸線的抬升，另外還可以通過測量弓網電弧的辦法得到弓網離線的數據，間接反映出弓網的受流性能。

弓網接觸力屬于正態分布，這樣就可以分析這種分布的特征值，來評估弓網接觸力的優劣。一般，正態分布的均值和標準差是最簡單也是最有效的反映該分布的特征值。

算術平均值

標準偏差

式中xi——接觸壓力采樣值；

n——接觸壓力樣本數量。

這兩個特征值之間的關系見圖2。

圖2　接觸力動態范圍

圖2中68.3%的接觸力在Fm-s和Fm+s之間；95.5%的接觸力在Fm-2s和Fm+2s之間；99.7%的接觸力在Fm-3s和Fm+3s之間。

考慮大部分接觸力在3s以內，故城市軌道交通弓網接觸力的評估方法為：平均接觸力Fm減去3倍標準偏差s應當為正值(Fm-3s>0)，平均接觸力Fm加上3倍標準偏差s不應超過最大值(Fm+3s≤Fmax)。

另外，根據歐洲標準EN 50367，如果平均接觸力Fm乘以0.3大于標準偏差s，即0.3Fm>s，表明弓網接觸質量良好。

利用弓網接觸力的均值和標準差來評價一段城市軌道交通弓網受流性能的好壞，首先可以假設接觸網的參數不變的情況下，比較不同的受電弓，在相同的速度等級下，測試其弓網接觸力，均值較平穩，標準差較小的受電弓，說明與該段接觸網的匹配最好；接著對比不同速度等級下的弓網接觸力，弓網接觸力的標準差的變化越平穩，說明針對不同速度的弓網均得到很好的受流。

若在弓網接觸力測試時，發現有接觸力參數異常值，比如最大值超過動態范圍的值，須查明原因，避免弓網故障，可能的原因有接觸網的零部件松脫落等。所以城市軌道交通弓網系統須定期進行弓網檢測，通過采集的數據，對弓網受流性能的指標進行評估，發現并及時調整維修策略。

EN50367針對接觸線抬升的測量提出了相關要求。EN50119中規定非限位式接觸線定位裝置結構的抬升量至少應是接觸線定位點處抬升計算值或仿真值的2倍，限位式則是1.5倍。但對于剛性接觸網，標準并未給出接觸線抬升量的評價指標，還有待進一步完善。

EN50367中還給出弓網燃弧的測量要求。弓網燃弧是一個間接反映弓網受流性能的指標，這是由于弓網燃弧都是由于接觸力為零時產生的，由于城市軌道交通多數地鐵與地下運行，弓網燃弧現象觀察尤為方便，故通過測量弓網燃弧率，從一個側面能反映出該段接觸網的弓網關系。

燃弧率的計算公式

式中tarc——持續大于5 ms的電弧持續時間；

ttotal——測量電流超過30%標稱電流的時間。

燃弧率并不能代表弓網受流性能，偏大的接觸力會導致燃弧率降低，但偏大的接觸力對弓網磨耗是一個不利因素。燃弧率的測量須結合弓網接觸力或接觸網、受電弓的參數進行綜合判斷，才能真實反映城市軌道交通弓網受流性能。

4　結論

通過以上分析，得出測量弓網接觸力、接觸線抬升量和弓網燃弧是評估城市軌道交通弓網受流性能最合適的選擇。其中弓網接觸力的均值和標準差、定位點或兩支接觸懸掛交叉點處的接觸線抬升量是評估城市軌道交通弓網受流性能的最有效指標，可通過弓網仿真或弓網測量得到。測量弓網燃弧率是能夠間接反映城市軌道交通弓網受流性能的一個手段。

[1]于松偉.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008

[2]李嵐.高速弓網系統動態性能的評估方法[C]∥高速鐵路接觸網系統新技術研討會論文集.北京：中國鐵道學會電氣化委員會，2010

[3]李會杰.弓網受流標準制定的幾個問題探討[J].電氣化鐵道，2005(3):71-77

[4]陳絢.高速受流質量標準的探討[J].機車電傳動，2000(1):40-43

[5]方巖.歐洲高速鐵路弓網系統標準體系[J].中國鐵路，2010(10):67-70

[6]吳樹偉.客運專線弓網關系及武廣客運專線弓網受流分析[J].鐵道標準設計，2011(3)：98-102.

[7]EN50119: Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S]. Brussels: CENELEC， 2001.

[8]EN50367: Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantographs and overhead line[S]. Brussels: CENELEC， 2006

[9]EN50317: Railway applications-Current collection systems-Requirement for and validation of the dynamic interaction between pantograph and overhead line[S]， Brussels: CENELEC， 2002