第4讲 接触网计算基础

第4讲 1
接触网设计气象条件及单位负载的确定
选准设计气象条件的重要性
（1）气象与技术参数的关系。 （2）气象与投资的关系。 （3）气象与接触网寿命的关系。
2 设计气象条件的确定方法
(1)参考电力系统的典型气象分区。 (2)沿线调研，收集第一手数据。
(3)参考该地区既有线路设计条件。
(4)对收集数据进行计算处理。
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第4讲
接触网设计气象条件及单位负载的确定
覆冰对架空导线的破坏作用 (2) 不同期脱冰或不均匀覆冰事故
相邻跨距的导线覆冰不均或脱冰不同步，会产生张力差,使导线在线夹内滑动。不均匀 覆冰产生的张力差是静负荷,故线索断口有缩颈现象；不同期脱冰产生的张力差是动负荷,线 股断口无缩颈现象。脱冰会使导线跳跃,。
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第4讲
接触网设计气象条件及单位负载的确定
主讲人
董昭德
西南交通大学电气工程学院 2009.10.成都0503
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第4讲
接触网设计气象条件及单位负载的确定
气象资料的主要内容
温度：最高温度、最低温度、覆冰温度、最大风时的温度 风速：基本运行风速，基本结构风速：覆冰风速
（3）升华覆冰 大气中的水蒸气直接冻结在物体表面所产生 的一种霜,也称为晶状雾淞,因是经过升华而产生 的晶状雾淞,所以叫升华覆冰。 晶状雾淞不会发展很大,其附着力较小,易脱 落,故对架空线路基本上不产生多大危害。 松花江畔十里长堤上的雾淞还是人们观赏 的奇景! 一般对导线覆冰的研究都侧重于降水覆冰和 云中覆冰两类。
部分水滴未被冻结, 可能形成连续液膜,此时形成的冰为雨淞，质地较密,与导线表面
的附着力很强。
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架空导线的覆冰形状
（1）圆形或椭圆形覆冰：风与导线走向平行时,或由于导线的扭转,形成导线周围 比较均匀的覆冰,此时导线完全被冰包覆。 （2）翼型覆冰：风与导线走向垂直时,冰在导线的迎风面上逐渐堆积,形成翼型断 面形状,迎风面与背风面的冰厚相差很大。 （3）新月型：在无风或小风的情况下,冰雪在导线的上表面堆积而成新月型,或雪 堆积成三角棱形。
日本新干线和最新的欧洲标准中, 基 本运行风速均取 35m/S。
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
覆冰条件的选择
视电气化线路所在地区的实际情况而定，根据研究，中国的覆冰重点地区在西南的 云贵川和湖南湖北等省份。一般选取-5℃为线索覆冰温度。 线索覆冰厚度不得小于该地区实际观测到每五年一遇的最大冰厚。
温度过低线索被拉紧，甚至出现负弛度不利于受电弓正常取流。
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最大风速的确定方法
平均法
Vmax
Vi max
i 1
n/5
变通法
n/5
P－风速出现概率；
Vmax
V
i 1
n4
i max
n4
数理统计法 (概率法)
（b）水平荷载
导线因覆冰使迎风面增大,因此,风吹覆冰导线所产生的水平荷载也随之增加。覆 冰期间的最大水平荷载将在"风速与冰量"的某种关系下发生。
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
覆冰对架空导线的破坏作用 （c）纵向荷载
因为接触网跨距不一，悬挂高度不同，或相邻各跨之间安装质量不同，,使导线 在覆冰时引起纵向静力不平衡，产生纵向荷载。 当覆冰不均匀、自行脱落或被击落时,导线的悬挂点处会产生很大的冲击荷载,造 成导线脱落,线夹断裂；
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
覆冰对架空导线的破坏作用 (1) 过荷载导致接触网机械和电气事故
（a）垂直荷载
覆冰条件下，冰的重量会增加支持结构和线索的垂直负载,线索弛度加大，低压
线与高压线间因风吹摆动而引起短路事故；覆冰增加的导线张力将传到支柱上，增加 所有支柱及其基础的扭矩,造成支柱变形、基础下沉。
高速接触网气象条件的选择
运行设计风速
运行设计风速用于接触网风偏和跨距 的确定。 根据《建筑结构荷载规范》(GB500092001)的附录D2.2 规定:选取最大风速时, 一般应有25年以上的资料。
隧道结构设计风速
根据国外高速铁路试验和运营数 据,行车速度等于或大于 140km/h的隧 道中,机车通过时产生的气动力影响不 可忽略。 因此，高客专隧道内必须按 最大结构设计风速对隧道内接触网结 构进行气动力的影响计算。
（4）湿雪：呈乳白色或灰白色,一般质地较软,是处于熔化状的雪花和水体粘附到导线
表面而成的,密度一般在0.1~0.7之间,粘结在导线上的湿雪当气温进一步降低时将变成 坚硬的冰冻体。 （5）混合淞:呈乳白色、体大、气隙较多，是雨淞和雾淞在导线上交替冻结而成的， 密度在0.2~0.6之间。
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地形与风速
风随着它在地表面的高度、地形等 种种因素而变化。 在地表面附近，由于地表面地形地 物不规则产生的摩擦作用，高度增加风 速也增加，反之，减小。它们之间有如 下关系：
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
结构设计风速
结构设计风速用于接触网设 备和构件结构强度确定。 日本新干线和最新的欧洲标 准中，结构设计风速也规定一律 取50m/s。
接触网中以10米高空自记录10min的平均风速作为基本
设计风速。 最大瞬时风速和最大平均风速间有1.5倍（平均而言） 的关系。
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注意事项
接触网设计气象条件及单位负载的确定
在低气层中，风速会随地面高度的增加而增加，当 高度达到一定值时，增长逐渐减慢。地表对风的作用称 之为约束，这种约束有垂直和水平两个方向，无论是垂 直约束还是水平约束，风速都将增大。根据伯努利定理， 风速最大可增大50%左右。
（2）云中覆冰 空气中过冷却的云或者雾与导线相接触冻结成的冰。 特点：地面无降水量或降雪量，覆冰主要取决于湿度、风速等气象参数； 只要有过冷却水滴存在,就总能产生云中覆冰,；云中覆冰多产生雾淞。
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
覆冰的形成机理
最大风速 最大风速时的温度
覆冰厚度 覆冰时的温度 覆冰时的风速 接触线无弛度时的大气温度 吊弦、定位器处于正常位置时之温度 雷电日、时数
计算跨距，支柱容量、导线张力
最大附加负载、起始条件、支柱容量、 导线张力、绝缘问题 安装曲线 锚段长度、最短吊弦长度 用以确定防雷措施
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覆冰考虑为圆筒形沿导线表面等厚度分布,不考虑导线截面的不规则形状,设计资料
中只给出承力索覆冰厚度。接触网计算时一般不考虑吊弦及其线夹的覆冰载荷,考虑到 受电弓滑板运行中的刮冰作用,计算接触线冰厚时应折算为承力索覆冰厚度的一半。 线索覆冰的密度因地区和结冰情况不同而异,为统一起见,一般取为0.9g/cm3。
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覆冰在导线表面的增长过程
（1）干增长过程：
第二个过冷却水滴到达表面时,第一个过冷却水滴已释放出潜热,全部冻结完毕。
此时形成的覆冰一般空隙率较大,多为雾淞等。 (2) 湿增长过程： 第二个过冷却水滴到达表面时,第一个过冷却水滴潜热尚未完全释放完毕,仍有
冰对接触网的影响：增加线索的机械负荷；影响正常供电。
测水重法
测总重法
2
G b R 353.68( ) R L
gbc 103 b R R 0.9
2
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插看接触网覆冰图片
覆冰的种类
（1）雨淞：透明玻璃体、质地坚硬、不易破碎，密度在 0.6~0.9之间，又称冰凌或明 冰,与导线表面的附着力强大, 不易脱落。 （2）粒状雾淞：乳白色不透明体,其间含有气泡空隙,质地疏松较脆,表面起伏,无定形 状,密度为0.1~0.3。 （3）晶状雾淞：白色结晶,冰体内含空气泡较多,质地疏松而软,与导线表面的附着力 较弱,容易脱落,密度在0.01~0.08之间。
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覆冰的形成机理
（1）降水覆冰
空气中的冻雨(过冷却水滴)或雪花降落到温度接近0℃或负几度的导线表面形成 的覆冰或覆雪。 冻雨覆冰形成的雨淞因其密度大、附着力强,对架空线路危害最大。美国、加拿
大、俄罗斯、中国等常出现冻雨,而日本及阿尔卑斯山地区覆雪较普遍。
覆冰：覆冰厚度、覆冰密度
污染：最大风速高温时的 地震：地震级别，地震烈度隧道里的温度
雷电： 雷电日，雷电时
隧道内气象条件
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气象参数所影响的接触网参数
气象参数名称
最高温度 最低温度
影响接触网参数
承力索弛度、接触线的正负弛度、平均温 度、吊弦处于正常位的温度、起始条件、支柱 高度、支柱容量、接触网载量、磨耗
p
m n 1
温 度 -5 -5 －10 5 +10 0 +5
m-将统计年份内出现的全部风速值按从大到小顺序排列的序号； n－统计风速的总计数（拥有资料的年份数）。
最大风速出现时的温度
地 区 季 节 冬、春 冬、春 冬、春 冬、春 冬、春 冬、春 月 份 3 1 1 3 1 1 地 区 浙江福建 广东广西 四 川 云 南 贵 州 西北西藏 季 节 秋 冬 秋 冬 冬、春 冬、春 4、5、8月 春 夏 月 份 11 11 3 1 3 3 温 度 +15 +20 +10 +10 +15 +10 +5 O (青) 东北内蒙 河 北 山东山西
铁路接触网，由于牵引电流的大幅度增加，电流产生的焦耳热更加突出，
按国外设计经验，接触网系统可按最高工作温度80℃设计，铜合金线可按 80℃~100℃校验设计。 最低计算温度涉及到接触网线索(特别是附加导线)在最低温度时的张 力安全，应根据当地气象条件，以25年一遇选择最低温度。 温度的变化会使线索的张力和弛度发生变化。
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接触网设计气象条件及单位负载的确定
I区：南方沿海易受台风侵袭的浙 江、福建东部、广东、广西等沿 海地区； II区：安徽、山东、江苏等大部 分华东地区 ； III区：西南部非重冰地区以及福 建、广东等受台风影响较弱地区 IV区：西北大部分地区、华北及 京、津、唐等地区； V区：华东、中南和西南三个地 区的广大山区； VI区： 泛指湖北、湖南、河南 以及华北平原的大部分地区； VII区： 适用于寒潮风较强烈的 地带，如东北大部分地区，河北 的承德、张家口一带； VIII区： 适用于覆冰严重的地区， 如山东、河南的大部分地区，湘 中、粤北重冰地带； IX区：云贵高原重冰地区。
（d）振动荷载
冰和雪花在导线表面的不同积聚形状会引起导线对风所引起的振动的敏感性,产
生振动荷载。当导线上凝聚霜淞时,其载面增大,形状仍保持为均匀圆形, 而霜层几乎
不改变导线阻尼,因此,一定的风力所引起的导线振动,其频率低于裸线时的频率,而振 幅比裸线时小,并且,频率下降可能低到防振装置的有效运行范围以下。
河南江苏 湖北胡南
安 徽 江 西
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第4讲
接触网设计气象条件及单位负载的确定
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风荷载对接触网线索的作用
增加接触网的附加负载，主要对象为线索和支柱，严
重时会吹断线和支柱，破坏接触网系统的正常工作。
要准确选定设计风速是一件非常困难的事情，因为它 因地而生、因地而变。
典型气象分区
应用气象分区表注意事项!
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第4讲
接触网设计气象条件及单位负载的确定
确定设计气象条件
根据线路通过地区气象部门所记录的不少于25年的气象资料，提取出 每年出现的实际最高（最低）温度，求其算术平均值，以此作为计算最高 （最低）温度值。 最高计算温度一般取为大气最高气温的1.5倍。对于高速铁路或重载