復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術及其應用

關金發，田志軍，吳積欽

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復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術及其應用

關金發，田志軍，吳積欽

針對大風經峽谷風口、狹窄山丘、地塹路基等復雜地形后對弓網運行可靠性的影響問題，搭建了復雜地形風場下弓網運行狀態模擬的技術構架，利用軟件平臺建立了計及復雜地形風增速效應的風-弓-網動態耦合仿真模型，計算大風經過不同地形、構筑物后對接觸網、弓網系統的動態響應，實現了復雜地形風場下弓網運行狀態模擬，并應用該模擬技術對某強風地區鐵路線路局部區段出現電力機車無網壓、接觸網跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題進行了故障診斷與分析，提出解決問題的思路，以指導復雜地形大風區接觸網的設計和運維。

受電弓；接觸網；復雜地形；大風；運行狀態；仿真

0 引言

近年來，隨著全球氣候變暖趨勢的加快，世界范圍內極端天氣在強度和頻率上都有所加劇，導致大風天氣頻發。大風經過近地表的復雜地形區域，如峽谷風口、狹窄山丘、地塹路基等，改變了氣流方向，使得氣流在特定方向明顯增速，加劇大風對鐵路固定設備的沖擊，易引起弓網間燃弧拉弧、打弓鉆弓、燒損受電弓和接觸網，導致斷線塌網、受電弓無法正常取流，造成復雜地形風場下行車供電安全問題突出，嚴重威脅鐵路的運行安全。因此，開展復雜地形風場下弓網運行狀態研究十分必要。

國內外已有不少有關風對接觸網、弓網系統影響的研究。文獻[1～5]從隧道、擋風墻等鐵路自身構筑物的角度，利用數值仿真手段研究了大風經過不同構筑物后對接觸網、弓網系統的影響；文獻[6]從高橋、路堤等鐵路自身構筑物的角度，利用風洞試驗手段研究了大風經過不同構筑物后對接觸網的影響；文獻[7～10]利用數值仿真手段研究了不同風速、風向對弓網動態性能的影響。綜合以上分析，現有研究尚未考慮外部復雜地形引起的大風風速、風向變化，而地形的差異造成不同區段接觸網的風致形變不同，會直接影響弓網運行質量。

為解決復雜地形風場下弓網可靠穩定受流問題，需利用數值仿真手段，建立計及復雜地形風增速效應的風-弓-網動態耦合仿真模型，模擬不同復雜地形均勻和脈動風作用下的弓網運行狀態，探明風、地形與接觸網、弓網動態相互作用的規律。

1 復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術

復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術主要由不同來流風速的復雜地形三維流體動力學計算和計及接觸網上部風場的風-弓-網彈性動力學計算2部分組成。第1部分針對地形對風的影響問題，第2部分針對風對弓網的影響問題。

復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術構架如圖1所示。首先根據氣象資料和線路勘察資料，確定鐵路線路的大風區段及有可能造成風增速效應的地形區段，篩選復雜地形有可能受到大風影響的接觸網區域。根據不同的數據來源獲取研究區域的數字高程模型，即地形的經緯度和高度信息。通過一定技術手段重建復雜地形的三維風場模型，獲取不同區段的接觸網上部風速風向。根據接觸網的設計風速和結構風速，利用TB10009[11]給出的風速與接觸網線索和結構單位面積的風載荷計算公式進行接觸網風載荷計算。結合接觸網有限元模型，進行風載荷的單位節點力等效與積分時間步加載。建立脈動風載荷和受電弓共同作用下的接觸網動態耦合仿真模型。輸入接觸網設計風速、結構風速及受電弓運行參數，獲取弓網動態性能參數，如接觸力、弓頭垂向位移、定位點抬升等，以及接觸網零部件受力狀態，如結構位移、載荷、應力應變等。

圖1 模擬技術構架

復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術依托一系列軟件平臺實現，如圖2所示。從SRTM和GSCloud得到的高程數據量較大，需要對研究區域的數據進行提取與處理，以獲得精確的三維地理信息（需要利用Global Mapper地圖繪制軟件）。數字高程模型為一組三維云點數據，需要三維重建生成實體模型，才能進行下一步的風場計算（需要利用Imageware點云處理與曲面編輯軟件）。利用Fluent流場計算軟件，進一步建立三維實體風場模型。最后利用Ansys有限元計算軟件，建立風-弓-網動力耦合仿真模型，得到最終的計及復雜地形風增速效應的接觸網、弓網動態響應。

圖2 模擬過程利用的計算機軟件

利用以上分析軟件，模擬技術各層次生成的主要數學模型及輸出結果如圖3所示。其中接觸網上部風場獲取是模擬分析的關鍵環節，獲取途徑有：（1）利用氣象局提供的平均風速風向資料，獲得復雜地形下接觸網上部的均勻風速風向變化規律，進一步利用風功率密度譜模擬隨機來流風源，獲得復雜地形下接觸網上部的脈動風速風向變化規律；（2）利用長期實測的隨機風速風向數據，獲得復雜地形下接觸網上部的脈動風速風向變化規律。

另外，復雜地形風場模型中，可以增加隧道、擋風墻等構筑物，進一步精細化接觸網上部風場的分析結果。

圖3 模擬技術構架各層次的分析模型及主要輸出結果

利用復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術，可預測某復雜地形區段風場下弓網動態性能參數和接觸網零部件受力狀態，評估弓網運行質量，獲取該區段弓網可靠運行的極限風速條件數據，提出改善弓網動態受流的有效措施，指導復雜地形大風區接觸網的設計和運維。

2 模擬技術應用—故障診斷與分析

以下針對現場出現的風-弓-網故障問題，應用復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術，剖析故障原因，提出故障解決措施。

2.1 故障問題及調研

某強風地區鐵路線路局部區段出現電力機車無網壓、接觸網跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題。該問題2年內發生了十多起，故障區段長度為6 km，故障點分散性強。經現場調研，發現電力機車無網壓、接觸網跳閘故障時的風力等級一般為十一級及以上，列車運行速度為40～80 km/h，故障點處的接觸線底面和背風面沿受電弓前進方向均出現一段小范圍的放電、燒蝕痕跡，嚴重處需加裝接觸線接頭線夾進行補強處理。某些接觸線故障點處的對應外側保護線也出現表面燒蝕痕跡。觀察接觸網故障現場附近地形（圖4），發現故障點現場周圍存在比接觸網稍高的山丘，屬于地塹路段，且故障位置均出現在山丘的邊坡，遠離山丘側的一支接觸網。進一步結合該區段常年主風向，觀察該故障點現場附近整體的地形，如圖5所示，發現主風向與山丘走向基本平行。通過以上分析，該區段接觸網故障問題與當地風速、地形的相關性較強。

圖4 接觸網故障現場附近地形

圖5 接觸網故障現場附近地形整體鳥瞰圖

經進一步調研發現，該區段均為曲線，接觸網的拉出值布置與直線區段有一定區別，拉出值均為正定位或反定位。風作用于接觸網直線區段與曲線區段引起的零部件受力及位移有一定區別。

2.2 接觸網上部風場模擬

以圖5所示的某一故障點現場附近地形為例，按照復雜地形風場下弓網運行狀態模擬分析步驟，首先建立該點附近的數字高程模型。故障位置發生在東經43.134063°、北緯91.444702°附近，利用精度為90 m的SRTM數據，建立該故障點周圍2 km的地形三維風場模型，如圖6所示。風場模型中監測4個等接觸線高度的點，其中測點1、3靠近山丘側，測點2、4遠離山丘側，測點3、4位于山丘邊坡等高位置。

圖6 接觸網故障現場附近地形三維風場模型

結合發生故障時當地的風力等級以及接觸網基本設計風速條件，風場的來流平均風速為30 m/s，利用復雜地形風場模型進行均勻風穩態計算，得到接觸線高度切面的風速風向分布及測點1～4的風速風向穩態值，如圖7—10所示。

圖7 接觸線高度切面的橫向風速分布

圖8 接觸線高度切面的豎向風速分布

圖9 測點1～4的橫向風速變化

圖10 測點1～4的豎向風速變化

觀察圖7、圖8，風經過山丘邊坡對風速有增加作用，比來流風速增加2 m/s，山丘邊坡及邊坡外邊緣的風速最大，山丘正后方風速較小，且與來流風方向相反；風經過山丘后會產生接觸網豎直方向上的風分量，對接觸懸掛有抬升和下壓2種作用力，山丘邊坡處下壓，山丘正后方抬升，對遠離山丘一側的接觸懸掛影響明顯。

觀察圖9、圖10，測點1、2的橫向風速最后數值比測點3、4大得多，說明山丘正后方接觸線高度上的風速較小。測點4橫向風速比測點3稍大，說明風經過山丘頂部下來對遠離山丘的接觸網影響稍大。測點1、3均比測點2、4風速小，說明遠離山丘一側的接觸網受到豎直風影響較明顯。

綜合以上分析，地形地貌改變了來流風的風向和風速，導致山丘附近接觸網連續幾跨受到不同的風向和風速作用，在遠離山丘一側的接觸網尤為明顯。接觸網連續不同跨受到不同的風速風向作用，與單一風向作用的風速變化規律顯然不同。

利用風功率密度譜模擬來流平均風速為30 m/s的脈動風，通過風場計算，得到遠離山丘側接觸線高度的風速變化數據，如圖11所示。

圖11 測點2的脈動風速變化

2.3 風載荷與受電弓共同作用下接觸網運行狀態模擬

根據表1接觸網設計參數建立故障點的接觸網仿真模型，如圖12所示。第2.2節分析結果表明山丘正后方的風速變化較小，山丘邊坡以及風口的風速變化較大。

表1 故障點的接觸網設計參數

圖12 接觸網的有限元仿真模型

與該線路接觸網配合使用的是DSA200型受電弓，假定運行速度為80 km/h。將2.2節求得的接觸網上部脈動風載荷和受電弓同時作用于接觸網上，得到弓網動態性能參數曲線，如圖13所示。

圖13 接觸力和弓頭垂向位移曲線

當受電弓運行在山丘正后方時，受電弓的弓頭運行平穩，且弓網接觸力集中；當受電弓運行在山丘邊坡時，受電弓的弓頭垂向位移、接觸力波動很大，最小接觸力為14 N；而后受電弓離開山丘邊坡，弓頭振幅和接觸力振幅有所減小。通過以上分析可知，受電弓運行在不同風載荷作用下，接觸網的弓網動態性能有很大差異，在山丘邊坡位置的受電弓跟隨性最差，易造成弓網離線、燃弧。該分析結果充分論證了關于故障點位置和故障原因的分析。

2.4 故障原因分析

綜合以上分析，某強風地區鐵路線路局部區段出現機車失電、接觸線燒蝕等問題屬于大風經復雜地形后引起的風-弓-網三者動態匹配問題，初步分析其原因為在曲線線路下行的接觸網受到地塹區段山丘后方不同風速風向作用，連續幾個跨距的接觸網風致振動情況不一致，受電弓經過振動響應不同的連續接觸網，影響受電弓的跟隨性，弓網出現離線燃弧，引起接觸線燒蝕，嚴重時燃弧可能與PW線或機車車頂接通，造成接觸線對地短路，引發接觸網跳閘、機車失電等問題。

2.5 故障解決思路

結合故障原因分析，提出以下解決思路：

（1）由于出現問題的地點均在曲線區段，因此，可通過研究相同風場下不同接觸網拉出值布置的接觸懸掛風致振動響應和弓網動態性能，從接觸網平面布置角度提出問題的解決措施。

（2）調整接觸網線索線型、張力組合、吊弦布置等技術參數，研究相同風場下不同接觸網技術參數的接觸懸掛風致振動響應和弓網動態性能，從接觸網系統角度提出問題的解決措施。

（3）通過在山丘邊坡加裝擋風墻，改變風經過山丘后的風場，研究不同風場下的接觸懸掛風致振動響應和弓網動態性能，從外部環境條件角度提出問題的解決措施。

制定具體措施時應對比調整接觸網的平面布置、技術參數或加裝擋風墻的技術可行性和經濟性，確定最終解決問題的具體措施。

3 結語

通過搭建復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術的構架，利用Global Mapper、Imageware、Fluent和Ansys等軟件平臺，建立計及復雜地形風增速效應的風-弓-網動態耦合仿真模型，計算大風經過不同地形、構筑物后對接觸網、弓網系統的動態響應，實現了復雜地形風場下弓網運行狀態的模擬。

應用復雜地形風場下弓網運行狀態模擬技術，對某強風地區鐵路線路局部區段出現電力機車無網壓、接觸網跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題進行了故障診斷與分析，并提出了解決問題的思路，對復雜地形大風區接觸網的設計和運維具有一定指導作用。

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With regard to the issues influencing the pantograph-catenary operation reliability caused by the strong wind running through complex landform of the canyon tuyere, narrow hills and graben subgrade, establish the technical structure for pantograph-catenary operation status simulation in wind field under complex landform, establish the wind-pantograph-catenary dynamic coupling simulation model with consideration of wind acceleration effect under complex landform by means of software platform, calculate the response to the overhead contact line and pantograph-catenary system by the strong wind passing through different landforms, buildings and structures, realize the simulation of pantograph-catenary operation under complex landform, carry out the fault diagnosis and analysis for issues of non-voltage network foe electric locomotive, tripping of overhead contact line, burning of contact wire and protection wires at local section along the railway line at some strong wind region by this simulation technology, put forward the line of thinking for solving the problems, so as to guide the design and operation maintenance of overhead contact line in strong wind field under complex landform.

Pantograph; overhead contact line; complex landform; strong wind; operation status; simulation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.011

U225.1

A

1007-936X(2018)06-0046-05

2018-09-10

關金發.中鐵第一勘察設計院集團有限公司電化處，博士后；

田志軍.中鐵第一勘察設計院集團有限公司電化處，教授級高級工程師；

吳積欽.西南交通大學電氣工程學院，教授。