鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的防災(zāi)分析

摘 要：接觸網(wǎng)在鐵路領(lǐng)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(wǎng)中卻常常由于性能特點上的原因，在實際運營時發(fā)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(wǎng)結(jié)構(gòu)防災(zāi)情況。基于此，本文從鐵路出發(fā)，概述了牽引供電系統(tǒng)與接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且展開了相應(yīng)的防災(zāi)分析。

關(guān)鍵詞：鐵路牽引;接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu);供電系統(tǒng);防災(zāi)

信息時代下，伴隨微電子工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力鐵路機車逐步實現(xiàn)了故障實時監(jiān)測、自動遙測、駕駛等目標，同時，在牽引供電體系，也全面實現(xiàn)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(wǎng)卻頻頻出現(xiàn)災(zāi)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(wěn)性。

一、相關(guān)概述

1、鐵路牽引供電系統(tǒng)

在鐵路領(lǐng)域的牽引供電體系，指的是電力機車自身的牽引供電系統(tǒng)，其中包含變電所與牽引接觸網(wǎng)。在牽引變電所，經(jīng)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(yīng)的電流及電壓，然后向接觸網(wǎng)輸送，并從接觸網(wǎng)供電給機車。根據(jù)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(wǎng)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(guī)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(wǎng)壓的不斷提升與接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益簡化，變電所的間距也逐步擴大到30？70km。

2、接觸網(wǎng)

在現(xiàn)代鐵路上，接觸網(wǎng)就是沿鋼軌“之”形結(jié)構(gòu)所架設(shè)的高壓輸電線。在鐵路工程中，接觸網(wǎng)屬于主構(gòu)架，主要用于供給電力機車能量。在接觸網(wǎng)中，導(dǎo)線常常用于向電力機車傳輸電流。所以，接觸網(wǎng)的狀態(tài)與電氣鐵路的整體運行直接相關(guān)。雖然接觸網(wǎng)布置方便、受網(wǎng)關(guān)系好、誤差要求低、穩(wěn)定、散熱性能優(yōu)異，但是具體的作業(yè)環(huán)境卻相當惡劣，在風(fēng)、雨、雪、冰等種種不利天氣條件的影響下，出現(xiàn)事故或者故障后，勢必會影響到整條鐵路的實際運行質(zhì)量，故此防災(zāi)可靠性的分析也至關(guān)重要。

二、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的防災(zāi)分析

1、創(chuàng)建有限元模型

按支撐懸掛體系下的結(jié)構(gòu)特點，適當簡化原結(jié)構(gòu)，形成一個基于梁、管、桿等單元的有限元模型。在本研究中，創(chuàng)建接觸網(wǎng)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(jié)果，就標記了各節(jié)點。同時，賦予建立單元一定的特點與實常數(shù)，并且在絕緣子及棒式支座上，通過臂腕、定位環(huán)等，來耦合設(shè)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(dǎo)線模型中，覆冰段上的各個節(jié)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(dǎo)線徑向方向）的扭轉(zhuǎn)力。針對純覆冰下單個導(dǎo)線段節(jié)點，具體的受力值如此：

Fy=一migl;Mz=—migl？Lcosθ

其中，l—單元導(dǎo)線長;L—從覆冰質(zhì)心一直至導(dǎo)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(zhì)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(jié)點力方面，可獲得導(dǎo)線上不同節(jié)點下的載荷值。

（2）風(fēng)壓載荷

按伯努利方程可得風(fēng)一壓關(guān)系，其中風(fēng)的動壓P=0.5ρv2。其中，P—風(fēng)壓，單位kN/m2;v—風(fēng)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(guān)系r=ρg，所以，ρ=r/g，所以得出風(fēng)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(fēng)壓被等效為均布施加載荷。據(jù)風(fēng)壓-時間歷程顯示，載荷穩(wěn)定值：在設(shè)計結(jié)構(gòu)風(fēng)速下，P1= 0.86kN/m2;在設(shè)計風(fēng)偏風(fēng)速下，P2= 0.56kN/m2。

3、結(jié)果與分析

（1）瞬態(tài)風(fēng)災(zāi)下動力學(xué)

在風(fēng)災(zāi)發(fā)生中，會形成風(fēng)載荷。在求解分析中，懸掛接觸網(wǎng)體系下的支持架D點與Q點依次對應(yīng)著最大應(yīng)力與最大位移的地方，且以P點具有最大的應(yīng)力。在部分接觸線上，105節(jié)點位置具有順風(fēng)方向下的最大位移。

（2）瞬態(tài)風(fēng)、冰災(zāi)下的動力學(xué)

基于風(fēng)、冰災(zāi)的共同作用，具體的受力情況屬于線性疊加風(fēng)、冰載荷而形成的。同時，就導(dǎo)線覆冰后發(fā)生的質(zhì)量增大現(xiàn)狀，并且模擬了添加單元的質(zhì)量。隨機選取支持架的D點與內(nèi)部的上掛點P，來進行應(yīng)力分析。同時，選取接觸線上的節(jié)點114、115及Q下掛點，來沿方向x、y上進行位移分析。這些關(guān)鍵點在給定的兩種風(fēng)冰災(zāi)下，形成了各自的歷程圖。

4、防災(zāi)分析

在冰災(zāi)基礎(chǔ)條件下，在101節(jié)點位置（與P點相距8.3m的節(jié)點）出現(xiàn)了最大應(yīng)力值。這個應(yīng)力值較小，但可以達到強度要求。然而，在形變分析環(huán)節(jié)卻顯示，當覆冰條件為20mm、30mm時，接觸線出現(xiàn)了較大的形變。而最大位移值則發(fā)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(fēng)災(zāi)情況下，應(yīng)力與位移發(fā)生的最大值均在風(fēng)速為37m/s情況下出現(xiàn)。在支持架上，最大應(yīng)力值86.9MPa，并且在斜腕臂D點出現(xiàn)。針對接觸線，最大應(yīng)力值為承力索接觸直腕臂的P點，也就是12.8MPa，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強度都可以達到需要。在承力索掛柱頂點，發(fā)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(guī)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(guī)定范圍。但是，這時發(fā)生的偏移量與330mm十分接近。所以，在這樣的風(fēng)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(fēng)、冰災(zāi)的條件下，最大應(yīng)力值與最大位移值均發(fā)生在冰厚為20mm、風(fēng)速+30m/s的條件下，且整個支持架上的D點仍然是最大應(yīng)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(yīng)力值32.7MPa，并且可以達到強度需要。因為覆冰增大了導(dǎo)線質(zhì)量，而最大接觸線水平偏移量小于風(fēng)災(zāi)30m/s下的最大值，具體是98.5mm，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度也能達到要求標準。

三、結(jié)語

總之，通過大力發(fā)展交通事業(yè)，極大地推動了社會經(jīng)濟的增長。其中的鐵路部分，事關(guān)國計民生，并且影響著國內(nèi)交通事業(yè)的長足發(fā)展，而相應(yīng)的牽引供電系統(tǒng)也引起了廣泛的關(guān)注。考慮到接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)故障災(zāi)害很常見，故此很有必要認真分析防災(zāi)問題，及時提出有效的故障防范措施，使鐵路供電整體系統(tǒng)得以穩(wěn)定、安全地運行。

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作者簡介：

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