接觸網舞動成因及防舞技術探討

孫國政 中國鐵路上海局集團有限公司合肥供電段

1 引言

近年來，我國電氣化鐵路飛速發展，據統計截至2019年，中國鐵路營業總里程超過13 萬公里，規模居世界第二，其中電氣化鐵道占67%，位居世界第一；高速鐵路里程近3萬公里，位居世界第一。全國鐵路不僅完成了全面電氣化的轉變，更實現了從常速向高速的跨越。接觸網作為電力機車電能的來源，是電氣化鐵路系統的重要組成部分。保障接觸網系統的安全穩定運行，對鐵路運輸安全至關重要。

舞動與普通的導線振動有所不同，它是導線在某一特定風速條件下發生的一種低頻率(0.1 Hz～3 Hz)、長時間、大振幅(約為導線直徑5～300 倍)的自激振動現象。接觸網系統在大振幅的長時間的振動作用下，不僅有可能因絕緣距離不足而放電，還會對支持結構造成嚴重的損害，對運輸安全造成重大威脅。例如2011 年洛襄線某段接觸網發生劇烈舞動，接觸網上下振幅約500 mm，水平振幅約200 mm，使得該段接觸網大規模嚴重損毀，導致兩輛列車停運，對運輸安全造成了嚴重影響。

2 接觸網舞動成因

舞動現象發生的內在原因較為復雜，一方面接觸網在覆冰情況下導線的截面形狀被表面的冰改變，通常會形成橢圓、扇形或新月等形狀，這會改變導線原始的氣動特性；另一方面覆冰還改變了導線整體質心的位置，使其偏離彈性中心，使導線發生慣性耦合失穩。到目前為止對接觸網舞動的機理研究以鄧哈托判定（垂直激發理論）和尼格爾判定（扭轉振動理論）為主要的覆冰導線發生舞動的判斷依據。

鄧哈托指出覆冰輸電線在強風中會發生低頻率、大振幅的舞動現象，這種現象與高頻率小振幅的微風振動現象有著本質上的不同，并且證明了舞動是由氣動力不穩定性所引起鄧哈托通過集中質量法將大跨度單導線簡化為單自由度集中質量模型，建立了如下的氣動力方程：

在上述氣動力方程中，系統的阻尼由機械振動的機械阻尼和氣動阻尼構成，系統總阻尼

根據鄧哈托理論，結構在總阻尼小于0 時振動的能量無法耗散，會發生氣動失穩從而產生舞動，當δCL/δα+CD<0時結構總阻尼有小于0 的可能，這是舞動產生的必要條件，但是不能作為充分條件，因為總阻尼項d中機械阻尼大小不明確，因而無法確定總阻尼是否小于0。式中m為單位長度導線的質量，ζy為接觸網的豎向阻尼，ky為接觸網的豎向剛度，ωy為接觸網豎向振動的圓頻率；y、和分別為接觸網豎向振動的位移、速度和加速度；ρ為空氣密度，U為水平方向上的風速，D為導線的參考直徑；CL、CD分別為導線氣動升力系數和阻力系數；α為偏心覆冰導線迎風攻角，d為系統總阻尼。

尼格爾利用風洞試驗測試了導線在覆冰時的靜態和動態氣動特性，通過對測試結果的研究發現鄧哈托判定中低估了振動中粘性阻尼的作用。隨后尼格爾又提出了另一個關于覆冰導線舞動理論，即扭轉振動理論。該理論指出：當氣動力矩曲線的斜率小于零時，系統才會存在扭轉失穩的可能性，且這種扭轉失穩會導致垂向舞動的發生。從以上的研究可以看出，舞動是一種多因素導致的多維度的氣動失穩現象，形成機理較為復雜。

3 接觸網在線監測系統

由于現有的舞動理論的計算模型通常建立在單自由度振動方程的基礎之上，大幅簡化了實際的結構形式及振動情況，并不能準確的對接觸網舞動現象進行定量分析和預測，對于接觸網舞動實際的形成和發展的機理還有一些尚不明確的部分，因此通過一些手段對接觸網設備的運行狀況進行實時監測，及時的在初期發現舞動和覆冰等有可能引起舞動的因素，在對接觸網設備造成危害前及時采取停電封鎖等行動，做好準備措施，是目前應對接觸網舞動災害的最有效的辦法之一。

現有接觸網監測裝置多采用圖像檢測法和電子設備檢測法，通常需要動檢車或運營車輛作為搭載平臺，僅在部分特殊區段有地面監測裝置。受搭載平臺的制約，各運行部門在沒有列車通過時無法對接觸網的運行情況進行實時監測，及時掌握接觸網設備的狀況，接觸網如果在夜間或列車運行間隙發生覆冰或舞動，將對后續列車的運行造成安全隱患。由于接觸網運行里程長，電磁干擾大，需要采用一種無需電源供電和能抵抗強大電磁干擾的系統對接觸網設備的運行狀態進行監測。

光纖光柵監測系統采用光纖Bragg 光柵傳感器作為主要元件，光纖Bragg 光柵利用了光纖的光敏特性，在光纖纖芯形成周期性折射率分布，使得纖芯內形成一個窄帶的反射濾波，將待測量的特定波長反射回來，光纖Bragg 光柵反射波的中心波長與光纖的有效折射率和光柵周期的乘積成正比，當外界的力或者溫度改變時光纖的有效折射率和光柵周期將發生改變，我們通過測量反射波的中心波長的偏移量就能得到所需測得的物理量。通過在接觸網下錨處安裝光纖Bragg 光柵傳感器，可以遠程實時監測接觸線和承力索軸力和彎矩的實時變化情況。當接觸網發生舞動時，接觸線和承力索的軸力會隨著振動的周期發生周期性的大幅改變，當系統檢測到接觸線和承力索的軸力有大幅度低頻變化時發出報警，從而及時發現舞動的發生。通過分析力學特性和邊界條件，將承力索與接觸線簡化為兩端簡支的歐拉-伯努利梁，覆冰后由于線索上線索內的彎矩會發生變化，通過對彎矩進行測量可以反應接觸網的覆冰情況。在及時的人工干預下，可以最大限度地減小舞動和覆冰對接觸網設備和行車安全的威脅。

光纖Bragg 光柵傳感器無需單獨工作電源供電，由解調儀發射傳輸信號的激光源，具有很強的抗電磁干擾和絕緣能力，使其在工作時可以抵抗外界強大的電壓和電磁干擾，無需平臺搭載，可對異常情況及時反饋，十分適合作為接觸網實時在線監測系統使用。

4 結束語

本文對電氣化鐵路舞動的危害和成因進行了詳細闡述，介紹了目前主流的兩種舞動理論。由于氣動失穩問題的復雜性，舞動問題很難從設計上預防，實時準確的監測就成了保護設備安全，為各部門采取措施提供依據的重要手段。光纖光柵監測系統的各項特性為接觸網的在線監測提供了可能，有助于預防和減弱舞動及覆冰對設備安全穩定運行的影響。