埃塞俄比亞電氣化鐵路弓網系統方案研究

代伯壽

0 引言

埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴不但是埃塞俄比亞的政治中心，也是非洲統一組織總部所在地，在非洲事務中居于重要地位。SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路是亞的斯亞貝巴—吉布提鐵路項目的首段，是埃塞俄比亞首條待建電氣化鐵路。

由于埃塞俄比亞國家以農牧業為主，工業相對落后，又是首條電氣化鐵路，無既有經驗可循，并且當地對電氣化鐵路研究較少，可借鑒的資料也較少，因此弓網系統方案研究尤為重要。本文根據埃塞俄比亞國情和電氣化鐵路建設具體工況要求，參照中國電氣化鐵路技術標準進行弓網系統方案的研究，擬為該段電氣化鐵路弓網系統方案的確定提供建設性意見。

1 工程概況

規劃中的埃塞俄比亞首條電氣化鐵路（首段）西起亞的斯亞貝巴西南方向的SEBETA，向東經過AKAKI、BISHOFTU、MOJO、ADAMA、METEHARA、AWASH 至 MIESO，線路長度328.96 km，全線共設8 座車站，其中SEBETA—ADAMA 段為雙線電氣化鐵路，ADAMA—MIESO段為單線電氣化鐵路，接觸網共554.63 條km。

SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路的牽引供電系統為單相工頻（50 Hz）、25 kV 交流制，采用帶回流線的直接供電方式。接觸網標稱電壓為AC 25 kV，最高工作電壓為AC 27.5 kV，短時最高電壓為AC 29 kV。牽引變電所的輸入電壓為AC 132 kV（最高工作電壓為AC 145 kV），輸出電壓為AC 27.5 kV（最高電壓為31.5 kV）。

鐵路線路的限制坡度為9‰，加力坡為18.5‰；最小曲線半徑不低于800 m。客車采用1 臺HXD3B型電力機車牽引，貨車采用雙臺HXD3B 型電力機車牽引。全線采用半自動閉塞。設計最高時速為120 km。線路環境條件見表1。

表1 線路環境條件一覽表

2 弓網系統設計原則

由受電弓與接觸網組成的系統（以下稱弓網系統）的基本功能是將電能從牽引變電所傳送至電力機車。弓網系統的設計與施工過程就是將幾何特性、動態特性、材料匹配特性、電接觸特性等弓網相互作用技術要求具體應用于一個弓網系統的構建過程，這一過程包括弓網系統設計、接觸網施工設計、接觸網施工安裝、接觸網靜態驗收以及弓網系統動態評估等環節，如圖1 所示。弓網相互作用技術規范為承包商提供了一定的靈活性，便于開發和創建一個符合用戶需求的弓網系統。

圖1 構建一個弓網系統的過程框圖

弓網系統是受電弓和接觸網2 個子系統的組合，運行可靠性、接觸質量和運行壽命依賴于2 個子系統的特性與匹配程度。在一定的經濟、技術條件下，確定一個與既定受電弓特性相匹配的、兼容的架空接觸網設計方案是弓網系統設計的主要內容。弓網系統設計又稱為初步設計。

電力機車的受電弓從接觸網上取流，需要兼顧弓網之間的幾何、電氣、動態、接口材料、環境和運營維護等需求，電氣化鐵路應以此為目標，確定弓網系統的基本原則[1]。

2.1 幾何需求

受電弓的工作范圍及弓頭的幾何外形是確定接觸線空間位置的重要依據。受電弓與接觸網相互作用的基本要求是：接觸線在充當配電線路的同時又是受電弓的滑道，只有接觸線不離開受電弓的工作范圍和弓頭的工作范圍才能使弓網系統順利運行。正常運行時受電弓沿接觸線滑行是最重要的。

接觸線在空間的橫向位置是相對于弓頭的中心線而言的，而軌道上方的接觸線高度則依據鐵路、受電弓的有效工作范圍和使用現場的具體情況確定。為使受電弓沿接觸線平穩滑行，接觸線高度最小設計值、最大設計值以及接觸線允許坡度的取值都非常重要。

為實現滑板和接觸線的良好接觸并降低磨耗，接觸線必須沿受電弓中心線周期性地往復運動。在直線區段，定位點處接觸線相對于受電弓中心線的橫向偏移量稱為“之”字值；在曲線區段，定位點處接觸線相對于受電弓中心線的橫向偏移量稱為拉出值。“之”字值和拉出值可統稱為拉出值。

所有作用于接觸網上的荷載必須由支柱和基礎承擔，并將所有荷載傳遞給大地。接觸網部件的變形，如支柱彎曲或振動等，都不應影響電力機車所需電能的可靠傳輸。

任何情況下，受電弓經過接觸網中性段時都不應導致不同相位的接觸網發生短路。埃塞俄比亞SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路擬參照中國電氣化鐵路受電弓標準[2]，弓頭幾何外形如圖2 所示。

圖2 中國鐵路使用受電弓的弓頭幾何外形圖

2.2 電氣需求

電力機車所需電能的傳輸依賴弓網系統，對于車內的輔助設施、生活設施的固定用電和牽引車輛運行的移動用電，其電能傳輸都應安全可靠。

電能通過弓網接觸點進行傳輸，較小的接觸面積是電流路徑上的主要障礙。在所有架空接觸網設施的損壞中，有相當比例是因為滑板與接觸線的不良電接觸帶來的短期熱效應造成的，在車輛靜止不動、緩慢移動且取流較大、或滑板磨損嚴重及損壞時都有可能發生。

連續送電時沒有大的電壓降或電流損失，就意味著受電弓與接觸網必須維持一定的機械接觸。如果失去機械接觸，受電弓就會離線。如果離線間隙有電流通過，電弧也就伴隨離線產生。電弧對環境產生影響，引起干擾，并加大弓網系統磨損，但卻能維持電力機車取流的連續性，這對移動接觸能量的傳輸非常重要。如果受電弓與接觸網的離線間隙過大，維持牽引電流傳輸的電弧熄滅而不再復燃，電力機車就會因牽引電流的中斷而失去動力。

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弓網系統的電接觸特性具備靜態、滑動及可分合電接觸的所有特性，靜態電接觸的主要特性是接觸溫升，滑動電接觸的主要特性是摩擦磨損與潤滑，可分合電接觸的主要特性是弓網燃弧[3]。弓網接觸點的溫度應滿足TB/T2809-2005 的規定，短時不能超過150℃，長時不能超過90℃[4]。

2.3 動態需求

弓網集流的過程是通過升起的受電弓與接觸網接觸實現的，評價弓網動態性能的主要參數是弓網接觸壓力（或燃弧率）與接觸線的抬升。

在受電弓與接觸網組成的彈性系統中，運行中的受電弓激勵接觸網振動，振動沿接觸線傳播會產生反射，反射波遇到移動的受電弓會使弓網振動幅度增大，放大后的振動導致弓網接觸壓力產生增量，受電弓又會把這一增量產生的動能傳導至接觸網，接觸線的抬升會進一步增加。受電弓與接觸網的這種動態相互作用與受電弓的運行速度密切相關。隨著受電弓運行速度的提高，空氣動力也會對其產生一定的影響。

弓網接觸壓力過大，弓網機械摩擦顯著；弓網接觸壓力過小，電氣損耗顯著。這意味著，為保證弓網系統有較長的運行壽命，維持恰當的弓網接觸壓力至關重要。

根據EN50119 標準規定，200 km/h 以下線路的弓網接觸壓力不應超過300 N，200 km/h 以上線路的弓網接觸壓力不應超過350 N，2 種情況下接觸壓力的下限值都應大于零[5]。表2 所示。

表2 EN50119 規定的接觸壓力動態范圍一覽表

電力機車運行過程中，弓網接觸壓力與接觸線的抬升是不斷變化的。弓網接觸壓力和接觸線抬升是受電弓和接觸網兩個振動子系統動態耦合的結果，能夠用來評估受電弓和接觸網的接觸質量。

2.4 接口材料匹配需求

由于銅和銅合金有較高的導電性、較大的強度和硬度、能承受較大溫度變化和較強的抗腐蝕能力，硬拉電解銅和銅合金已經成為全球使用最廣泛的接觸線材料。

制作受電弓滑板的材料通常為鋼、銅合金、純碳和浸金屬碳，這些材料與接觸線的相互作用原理有明顯的不同。碳具有光滑的表面，沒有任何粗糙成分磨損接觸線；銅和鋼形成的粗糙表面類似于一把細銼，這種粗糙表面的研磨作用會使滑板和接觸線出現快速磨損。

碳滑板已被證明特別適用于匹配銅及銅合金接觸線。碳滑板的自潤滑性能及耐電弧性能較好，能滿足高速弓網系統動態需求和延長弓網系統使用壽命的要求，但碳滑板導電性能較差，需要提防電氣列車停車時的靜態接觸溫升引起接觸線局部溫度超過允許限度的危險。另外，碳滑板在受到機械碰撞時容易破碎，為避免碳滑板受損后的受電弓繼續運行，高速受電弓通常安裝自動降弓裝置（ADD—Auto Dropping Device），一旦滑板破損斷裂，ADD 可快速降下受電弓，盡可能縮小弓網事故范圍。

金屬滑板比同樣體積的碳滑板要重很多，對受電弓的動態性能帶來不利影響。SEBETA—MIESO段電氣化鐵路受電弓滑板材料應為純碳或浸金屬碳，接觸線應為銅或銅合金材料。

3 弓網系統設計方案建議

鑒于埃塞俄比亞SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路根據其國情并參照中國鐵路標準建設，其弓網系統設計方案建議如下：

（1）受電弓的弓頭輪廓采用與中國鐵路受電弓的弓頭輪廓相同標準，符合UIC608 附件4a 之規定，弓頭總長度為1 950 mm，接觸網的相關幾何參數均遵循該弓頭輪廓的要求。

（2）電力機車停車時，弓網接觸點的溫度應滿足TB/T2809-2005 規定，短時不能超過150℃，長時不能超過90℃。

（3）電力機車的最高速度為120 km/h，弓網接觸壓力應大于0，最大不超過300 N。

（4）在接觸網標稱電壓為AC 25 kV 情況下，受電弓滑板應選純碳或浸金屬碳材料，接觸線應選銅或銅合金材料。

[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[2] 吳積欽，董昭德，韓峰.典型高速弓網系統特點分析[Z].高速鐵路接觸網系統新技術研討會.中國吉林，2009.

[3] 吳積欽.受電弓—接觸網系統電接觸特性研究[D].博士學位論文.成都：西南交通大學，2009.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2809 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].北京: 中國鐵道出版社, 2005.

[5] CENELEC EN50119 Railway applications – Fixed installations – Electric traction overhead contact lines[S],Brussels: CENELEC, 2009.