蘭新二線接觸線磨耗后帶來的弓網關系改變

摘 要：電氣化鐵路接觸網與電力機車受電弓的關系是鐵路牽引供電系統研究的項目之一，立足于蘭新二線的運營，通過簡單力學分析接觸網與電力機車受電弓在不斷機械摩擦后，產生的接觸線磨耗，導致接觸網產生幾何形狀改變，建立接觸網形狀變化圖，以此為基礎再通過電學公式分析接觸網電氣性能的變化，分析磨耗后對弓網正常運行情況的影響。

關鍵詞：接觸網；磨耗；弓網關系；電氣特性

1 接觸網磨耗后的狀態變化

蘭新二線蘭州西至西寧設計時速為250km/h，接觸線懸掛高度一般為5300mm，路基跨距一般為50m，采用日式防風腕臂、全補償簡單鏈型懸掛、接觸線規格為CTS150[1]。為此在研究中選取一個跨距建立如圖1所示接觸網狀態圖，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，長度相對固定不變，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吊弦向下作用力的影響。

1.2 接觸網狀態的改變

在蘭新二線中接觸線線材規格為CTS150，查閱其單位質量為1347kg/km，經換算得1347g/m，根據之前建立以一個跨距為研究對象的狀態圖，選取蘭新二線直線區段一般跨距為50m，g（取重力系數約等于9.8N/kg），經過簡單計算可得下如表1所示。

在公式中我們看到當接觸線磨耗增大時自身的重力減小，吊弦力也會隨之減小，由表1可看出當接觸線的磨耗每增加5%時，吊弦力將會減少33N。因此，腕臂對承力索的支持力Fc、Fa也會隨之減少，承力索將會發生彈性形變，因為蘭新二線吊弦使用鋼性吊弦，長度相對保持不變，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，接觸線磨耗出現后接觸網整體變化如圖3所示，虛線是磨耗下接觸網狀態，實線是無磨耗下接觸網狀態：

由圖3看到當接觸線因磨耗使得自身重量發生變化后，承力索受到的吊弦力逐漸減小，承力索通過吊弦對接觸線的反作用力使其逐步抬升，且跨中導高相對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是通過接觸網將電能傳送給電力機車的綜合體系，接觸線是電能輸送的有效導體。由電阻定律：R=ρL/S{ρ：電阻率（Ω/m），L：導體的長度（m），S：導體橫截面積（m2）}可知，導體的電阻與導體橫截面積成反比，當接觸線不斷磨耗橫截面積減小后，其電阻增大。

根據焦耳定律：Q=2IRt{Q：電熱（J），I：通過導體的電流（A），R：導體的電阻值（Ω），t：通電時間（s）}可知，電流通過導體產生的熱量與其電阻成正比，當接觸線不斷磨耗橫截面積減小、電阻增大后，在接觸線上產生的熱量將進一步上升，使得電能的無功損耗增大。

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、通電時間、電阻率、導線長度不變的情況下，簡單計算接觸線面積減少1/10，則產生的熱量增加1.1倍，由此可見接觸線的磨耗增加了其電阻，加劇了導線磨損。如果導線截面過小，將導致斷線，給鐵路安全供電帶來巨大影響。

3 弓網關系的改變

良好的弓網關系是保證電氣化列車安全、可靠運行的關鍵技術之一。理想狀態下蘭新二線動車組受電弓抬升力恒定，接觸網導高參數不變，受電弓通過與接觸線的平穩滑動接觸獲得電能。由于接觸線因磨耗使得接觸網狀態發生變化，導高參數改變，由于接觸網各處的抬升量不同，導線平順度下降，受電弓與接觸網出現空氣間隙，電力機車在高速運行下會造成受電弓滑板與接觸線脫離，當這兩者脫離機械接觸，同時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，就會不可避免的產生電弧（被斷開的電流超過0.25～1A，加在兩端的電壓超過12～20V，則會產生電弧[2]）。相對于受電弓滑板條，電弧對接觸網的侵蝕損耗更加明顯。同時受電弓于接觸線在產生電弧和集流過程中會引發滑板溫度上升，過高的溫度除對滑板及受電弓頭帶來損害外，停車后也會引起接觸點處的接觸線溫度升高，從而損傷接觸線[2]。

4 結束語

（1）根據簡單計算可以看出接觸線的磨耗對接觸網幾何狀態有明顯改變，除腕臂定位器處外，其余接觸網部分存在一定抬升，且越接近跨中抬升越明顯，因此蘭新二線接觸網設備在運行后導高將發生改變，影響接觸網受流。（2）由于磨耗使得接觸線截面積減少、電阻增大，受電弓通過接觸網獲得電能時接觸線發熱增大，產生更多的無功損耗。一方面降低電能使用率，另一方面發熱會加劇接觸線磨耗，進一步降低接觸線使用壽命。（3）磨耗使得接觸網狀態發生改變，承力索受力減小導高發生變化，由分析可知跨中的導線高度相對腕臂處變化更大，由于接觸網各處抬升量不同，導致接觸線平順度下降，因此受電弓與接觸網的電弧現象將增加，加劇對接觸線的傷害。（4）根據以上分析，高速鐵路供電系統綜合維修工區在日常檢修時應加強對接觸網磨耗的檢測，及時排除隱患，確保安全優質供電。

參考文獻

[1]蘭新客專接觸網交流（中鐵電化局蘭新客專蘭州分部-樊兵）[Z].

[2]吳積欽.受電弓與接觸網系統[S].

作者簡介：王維（1983-），男，甘肅蘭州人，工學學士，身份證號：620103198312141539。