鐵路牽引供電系統接觸網結構的防災分析

摘 要：接觸網在鐵路領域的牽引供電體系中屬于十分重要的一個組成部分。但在接觸網中卻常常由于性能特點上的原因，在實際運營時發生螺栓松動、腐蝕、磨耗、絕緣不良等方面的問題，所以必須認真分析接觸網結構防災情況。基于此，本文從鐵路出發，概述了牽引供電系統與接觸網結構，并且展開了相應的防災分析。

關鍵詞：鐵路牽引;接觸網結構;供電系統;防災

信息時代下，伴隨微電子工業技術的不斷發展，電力鐵路機車逐步實現了故障實時監測、自動遙測、駕駛等目標，同時，在牽引供電體系，也全面實現了信息化與自動化，并且大幅提升了運行效率與整體效益。但體系中的接觸網卻頻頻出現災害問題，迫切需要分析并提出有效的改進措施，提高電機車運行的整體安全平穩性。

一、相關概述

1、鐵路牽引供電系統

在鐵路領域的牽引供電體系，指的是電力機車自身的牽引供電系統，其中包含變電所與牽引接觸網。在牽引變電所，經由髙壓輸電線輸送過來的三相交流電，直接變換成為與電力機車相適應的電流及電壓，然后向接觸網輸送，并從接觸網供電給機車。根據機車電流制，可以劃分成直流、交流模式。其中在直流制中，接觸網往往具有低電壓（1500V、3000V），而且難以再提升，每間隔10？30km，在沿線上必須規劃一個變電所。而在交流制中，又存在單相工、低頻交流制。我國主要使用單相25kV、50Hz的工頻交流制。伴隨交流網壓的不斷提升與接觸網結構的日益簡化，變電所的間距也逐步擴大到30？70km。

2、接觸網

在現代鐵路上，接觸網就是沿鋼軌“之”形結構所架設的高壓輸電線。在鐵路工程中，接觸網屬于主構架，主要用于供給電力機車能量。在接觸網中，導線常常用于向電力機車傳輸電流。所以，接觸網的狀態與電氣鐵路的整體運行直接相關。雖然接觸網布置方便、受網關系好、誤差要求低、穩定、散熱性能優異，但是具體的作業環境卻相當惡劣，在風、雨、雪、冰等種種不利天氣條件的影響下，出現事故或者故障后，勢必會影響到整條鐵路的實際運行質量，故此防災可靠性的分析也至關重要。

二、接觸網結構體系中的防災分析

1、創建有限元模型

按支撐懸掛體系下的結構特點，適當簡化原結構，形成一個基于梁、管、桿等單元的有限元模型。在本研究中，創建接觸網懸掛體系下兩檔間有65m跨度的模型，且以中間柱作為正定位。為了便捷地描述計算結果，就標記了各節點。同時，賦予建立單元一定的特點與實常數，并且在絕緣子及棒式支座上，通過臂腕、定位環等，來耦合設定條件，以連貫傳遞力、運動等。在約束邊界條件方面，能全約束有限元模型中的上、下支座左端，通過承力索、接觸線兩端來約束固接，且控制承力索、接觸線張力分別為23kN 、30kN。

2、工況載荷

（1）覆冰載荷

在導線模型中，覆冰段上的各個節點承受的力，能分解成為以下廣義力：y方向（垂直方向）的力、z方向（導線徑向方向）的扭轉力。針對純覆冰下單個導線段節點，具體的受力值如此：

Fy=一migl;Mz=—migl？Lcosθ

其中，l—單元導線長;L—從覆冰質心一直至導線中心之間的距離，且L=1/2D+SI，而SI—冰厚;θ—凝冰角，大小為45°;mi—單位覆冰長的質量，厚度依次為10、20、30mm，密度—900kg/m3，且mi=1/2πSI2ρ冰。在覆冰等效載荷節點力方面，可獲得導線上不同節點下的載荷值。

（2）風壓載荷

按伯努利方程可得風一壓關系，其中風的動壓P=0.5ρv2。其中，P—風壓，單位kN/m2;v—風速，單位m/s;ρ—空氣密度，單位kg/m3。

而ρ與重度r之間又有關系r=ρg，所以，ρ=r/g，所以得出風壓標準公式P=1/2rv2/g。在標準條件下，有1.013×105Pa的氣壓、15℃的溫度、0.01225kN/m3的空氣重度。而在45°的緯度下， g=9.8m/s2，故此，P=v2/1600。

在平行于直支持架腕臂且垂直于接觸線方向上，風壓被等效為均布施加載荷。據風壓-時間歷程顯示，載荷穩定值：在設計結構風速下，P1= 0.86kN/m2;在設計風偏風速下，P2= 0.56kN/m2。

3、結果與分析

（1）瞬態風災下動力學

在風災發生中，會形成風載荷。在求解分析中，懸掛接觸網體系下的支持架D點與Q點依次對應著最大應力與最大位移的地方，且以P點具有最大的應力。在部分接觸線上，105節點位置具有順風方向下的最大位移。

（2）瞬態風、冰災下的動力學

基于風、冰災的共同作用，具體的受力情況屬于線性疊加風、冰載荷而形成的。同時，就導線覆冰后發生的質量增大現狀，并且模擬了添加單元的質量。隨機選取支持架的D點與內部的上掛點P，來進行應力分析。同時，選取接觸線上的節點114、115及Q下掛點，來沿方向x、y上進行位移分析。這些關鍵點在給定的兩種風冰災下，形成了各自的歷程圖。

4、防災分析

在冰災基礎條件下，在101節點位置（與P點相距8.3m的節點）出現了最大應力值。這個應力值較小，但可以達到強度要求。然而，在形變分析環節卻顯示，當覆冰條件為20mm、30mm時，接觸線出現了較大的形變。而最大位移值則發生在冰厚條件為30mm的情況下，具體為125mm。考慮到偏移量較大，故此在較厚覆冰的條件下，需要進行除冰，并且適當限速或者停運。

在風災情況下，應力與位移發生的最大值均在風速為37m/s情況下出現。在支持架上，最大應力值86.9MPa，并且在斜腕臂D點出現。針對接觸線，最大應力值為承力索接觸直腕臂的P點，也就是12.8MPa，相應的結構強度都可以達到需要。在承力索掛柱頂點，發生了0.12mm的最大水平位移，并且滿足柱頂處與線路方向垂直的水平撓度在5/100支柱高度以下的規定要求。在接觸線水平上，偏移最大量324.3mm，且撓度限值均在規定范圍。但是，這時發生的偏移量與330mm十分接近。所以，在這樣的風速條件下，機車往往屬于高危行駛，需要視情況停運機車。在同步風、冰災的條件下，最大應力值與最大位移值均發生在冰厚為20mm、風速+30m/s的條件下，且整個支持架上的D點仍然是最大應力值的地方，具體是56.7MPa。而承力索接觸直腕臂點的地方，最大應力值32.7MPa，并且可以達到強度需要。因為覆冰增大了導線質量，而最大接觸線水平偏移量小于風災30m/s下的最大值，具體是98.5mm，相應的結構剛度也能達到要求標準。

三、結語

總之，通過大力發展交通事業，極大地推動了社會經濟的增長。其中的鐵路部分，事關國計民生，并且影響著國內交通事業的長足發展，而相應的牽引供電系統也引起了廣泛的關注。考慮到接觸網結構故障災害很常見，故此很有必要認真分析防災問題，及時提出有效的故障防范措施，使鐵路供電整體系統得以穩定、安全地運行。

參考文獻：

[1]董昭德，李嵐.接觸網工程與設計[M].科學出版社，2014：12-15.

[2]芮小剛.地鐵接觸網常見故障和問題分析及其應對方法[J].科技信息，2012（2）：350-351.

[3]劉濤，馮慧慧.剛性接觸網常見故障、故障原因以及有效的防范措施[J].科技信息，2014，12（2）：88-89.

[4]江美.淺剛性接觸網常見故障及防范措施[J].中國高新技術企業，2015，26（9）：122-123.

作者簡介：

韓明新（1987—），男，青海西寧人，工程師，本科，畢業于青海大學昆侖學院，電氣工程及其自動化專業，主要從事鐵路電氣化建設接觸網工程施工工作。