蘭新二線接觸線磨耗后帶來(lái)的弓網(wǎng)關(guān)系改變

摘 要：電氣化鐵路接觸網(wǎng)與電力機(jī)車(chē)受電弓的關(guān)系是鐵路牽引供電系統(tǒng)研究的項(xiàng)目之一，立足于蘭新二線的運(yùn)營(yíng)，通過(guò)簡(jiǎn)單力學(xué)分析接觸網(wǎng)與電力機(jī)車(chē)受電弓在不斷機(jī)械摩擦后，產(chǎn)生的接觸線磨耗，導(dǎo)致接觸網(wǎng)產(chǎn)生幾何形狀改變，建立接觸網(wǎng)形狀變化圖，以此為基礎(chǔ)再通過(guò)電學(xué)公式分析接觸網(wǎng)電氣性能的變化，分析磨耗后對(duì)弓網(wǎng)正常運(yùn)行情況的影響。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；磨耗；弓網(wǎng)關(guān)系；電氣特性

1 接觸網(wǎng)磨耗后的狀態(tài)變化

蘭新二線蘭州西至西寧設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，接觸線懸掛高度一般為5300mm，路基跨距一般為50m，采用日式防風(fēng)腕臂、全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛、接觸線規(guī)格為CTS150[1]。為此在研究中選取一個(gè)跨距建立如圖1所示接觸網(wǎng)狀態(tài)圖，其中CA部分為承力索、DB部分為接觸線，其余為吊弦。

1.1 承力索受力分析

因蘭新二線吊弦采用鋼性吊弦，長(zhǎng)度相對(duì)固定不變，在接觸線磨耗后首先考慮承力索受力的變化，如圖2所示為承力索受力分析圖，承力索主要受自身重力及接觸線通過(guò)吊弦向下作用力的影響。

1.2 接觸網(wǎng)狀態(tài)的改變

在蘭新二線中接觸線線材規(guī)格為CTS150，查閱其單位質(zhì)量為1347kg/km，經(jīng)換算得1347g/m，根據(jù)之前建立以一個(gè)跨距為研究對(duì)象的狀態(tài)圖，選取蘭新二線直線區(qū)段一般跨距為50m，g（取重力系數(shù)約等于9.8N/kg），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可得下如表1所示。

在公式中我們看到當(dāng)接觸線磨耗增大時(shí)自身的重力減小，吊弦力也會(huì)隨之減小，由表1可看出當(dāng)接觸線的磨耗每增加5%時(shí)，吊弦力將會(huì)減少33N。因此，腕臂對(duì)承力索的支持力Fc、Fa也會(huì)隨之減少，承力索將會(huì)發(fā)生彈性形變，因?yàn)樘m新二線吊弦使用鋼性吊弦，長(zhǎng)度相對(duì)保持不變，腕臂處承力索、吊弦不變，跨中承力索向上的抬升量與接觸線抬升量基本一致，接觸線磨耗出現(xiàn)后接觸網(wǎng)整體變化如圖3所示，虛線是磨耗下接觸網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)線是無(wú)磨耗下接觸網(wǎng)狀態(tài)：

由圖3看到當(dāng)接觸線因磨耗使得自身重量發(fā)生變化后，承力索受到的吊弦力逐漸減小，承力索通過(guò)吊弦對(duì)接觸線的反作用力使其逐步抬升，且跨中導(dǎo)高相對(duì)腕臂定位處變化較大。

2 電氣性能的改變

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)是通過(guò)接觸網(wǎng)將電能傳送給電力機(jī)車(chē)的綜合體系，接觸線是電能輸送的有效導(dǎo)體。由電阻定律：R=ρL/S{ρ：電阻率（Ω/m），L：導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m），S：導(dǎo)體橫截面積（m2）}可知，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體橫截面積成反比，當(dāng)接觸線不斷磨耗橫截面積減小后，其電阻增大。

根據(jù)焦耳定律：Q=2IRt{Q：電熱（J），I：通過(guò)導(dǎo)體的電流（A），R：導(dǎo)體的電阻值（Ω），t：通電時(shí)間（s）}可知，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與其電阻成正比，當(dāng)接觸線不斷磨耗橫截面積減小、電阻增大后，在接觸線上產(chǎn)生的熱量將進(jìn)一步上升，使得電能的無(wú)功損耗增大。

將電阻定律公式代入焦耳定律公式后得到公式：Q=2ItρL/S，在電流、通電時(shí)間、電阻率、導(dǎo)線長(zhǎng)度不變的情況下，簡(jiǎn)單計(jì)算接觸線面積減少1/10，則產(chǎn)生的熱量增加1.1倍，由此可見(jiàn)接觸線的磨耗增加了其電阻，加劇了導(dǎo)線磨損。如果導(dǎo)線截面過(guò)小，將導(dǎo)致斷線，給鐵路安全供電帶來(lái)巨大影響。

3 弓網(wǎng)關(guān)系的改變

良好的弓網(wǎng)關(guān)系是保證電氣化列車(chē)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。理想狀態(tài)下蘭新二線動(dòng)車(chē)組受電弓抬升力恒定，接觸網(wǎng)導(dǎo)高參數(shù)不變，受電弓通過(guò)與接觸線的平穩(wěn)滑動(dòng)接觸獲得電能。由于接觸線因磨耗使得接觸網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)高參數(shù)改變，由于接觸網(wǎng)各處的抬升量不同，導(dǎo)線平順度下降，受電弓與接觸網(wǎng)出現(xiàn)空氣間隙，電力機(jī)車(chē)在高速運(yùn)行下會(huì)造成受電弓滑板與接觸線脫離，當(dāng)這兩者脫離機(jī)械接觸，同時(shí)供給滑板和接觸線離線間隙的電流和電壓分別大于生弧電流和生弧電壓時(shí)，就會(huì)不可避免的產(chǎn)生電弧（被斷開(kāi)的電流超過(guò)0.25～1A，加在兩端的電壓超過(guò)12～20V，則會(huì)產(chǎn)生電弧[2]）。相對(duì)于受電弓滑板條，電弧對(duì)接觸網(wǎng)的侵蝕損耗更加明顯。同時(shí)受電弓于接觸線在產(chǎn)生電弧和集流過(guò)程中會(huì)引發(fā)滑板溫度上升，過(guò)高的溫度除對(duì)滑板及受電弓頭帶來(lái)?yè)p害外，停車(chē)后也會(huì)引起接觸點(diǎn)處的接觸線溫度升高，從而損傷接觸線[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)簡(jiǎn)單計(jì)算可以看出接觸線的磨耗對(duì)接觸網(wǎng)幾何狀態(tài)有明顯改變，除腕臂定位器處外，其余接觸網(wǎng)部分存在一定抬升，且越接近跨中抬升越明顯，因此蘭新二線接觸網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行后導(dǎo)高將發(fā)生改變，影響接觸網(wǎng)受流。（2）由于磨耗使得接觸線截面積減少、電阻增大，受電弓通過(guò)接觸網(wǎng)獲得電能時(shí)接觸線發(fā)熱增大，產(chǎn)生更多的無(wú)功損耗。一方面降低電能使用率，另一方面發(fā)熱會(huì)加劇接觸線磨耗，進(jìn)一步降低接觸線使用壽命。（3）磨耗使得接觸網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生改變，承力索受力減小導(dǎo)高發(fā)生變化，由分析可知跨中的導(dǎo)線高度相對(duì)腕臂處變化更大，由于接觸網(wǎng)各處抬升量不同，導(dǎo)致接觸線平順度下降，因此受電弓與接觸網(wǎng)的電弧現(xiàn)象將增加，加劇對(duì)接觸線的傷害。（4）根據(jù)以上分析，高速鐵路供電系統(tǒng)綜合維修工區(qū)在日常檢修時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)磨耗的檢測(cè)，及時(shí)排除隱患，確保安全優(yōu)質(zhì)供電。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭新客專(zhuān)接觸網(wǎng)交流（中鐵電化局蘭新客專(zhuān)蘭州分部-樊兵）[Z].

[2]吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[S].

作者簡(jiǎn)介：王維（1983-），男，甘肅蘭州人，工學(xué)學(xué)士，身份證號(hào)：620103198312141539。