接触网课程设计___高速电气化铁路接触网悬挂模式设计

接触网工程课程设计

专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气09 姓 名： 学 号： 指导教师：

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2012 年 7月 13日

指导教师评语

平时（30）

报告（30）

修改（40）

总成绩

1基本题目

1.1题目

高速电气化铁路接触网悬挂模式设计。

1.2题目分析

现代高速铁路绝大多数都采用电力牵引方式,作为牵引供电系统的主体——接触网,其性能的优劣直接决定着电力机车受电弓的受流质量,最终影响列车的运行速度与安全。目前，世界各国为满足高速受流的要求，都根据自己国家高速铁路规划的动力装置和受电弓的结构及性能的不同，而采用了不同的悬挂类型。悬挂类型是高速铁路接触网设计和施工的最基本参数。高速铁路接触网对悬挂类型的要求,是能够提供良好的受流质量、寿命长、少维修、故障率低,同时应该有较高的性能价格比。目前国外高速铁路接触网大体有三种悬挂类型:以日本为代表的复链型悬挂、以德国为代表的弹性链型悬挂和以法国为代表的简单链型悬挂。本报告结合所学高速电气化铁路接触网课程参考国外高速接触网的发展状况，运营经验以及不同国家的弓网受流质量评价标准，对上述三种链型悬挂类型进行了较为全面的技术经济比较，并简单分析了我国高速（以京沪高铁为例）宜采用简单链型悬挂方式的原因。另外，对张力补偿装置的选择也略作阐述。

2 高速电气化铁路悬挂类型设计

2.1不同类型接触网悬挂的分析比较

日本于1964年开通的世界上第一条高速铁路—东京至新大阪的东海道新干线,采用的是复链型悬挂，复链型悬挂图如图1所示。九十年代以前,日本的高速铁路接触网都采用复链型悬挂。但是这种悬挂类型一次性投资太大,而且因为结构复杂、组成零部件太多,导致接触网运营的维修费用高昂,发生事故时抢修难度大、运输中断时间长。

承力索

吊悬

接触线

图1复链型悬挂图

德国高速铁路接触网一直采用弹性链型悬挂，如图2所示。在总结

Re75,Re100,Re160三种标准的基础上,形成了Re200,Re250和Re330标准系列。Re表示为标准接触网,后边的数字为在该标准接触网形式下列车可运行的最大时速,BzII表示青铜绞线。弹性链型悬挂带有弹性吊索,而弹性吊索的设置需要相当精确的计算和一套严格的施工程序,其调整工作非常麻烦,而且很难进行检测。再加上弹性吊索本身的长度和张力是随着温度发生变化的,要想保证它在各种温度条件下不使附近的接触网变形,是一件相当困难的事情。

承力索吊悬

接触线

图2 弹性链型悬挂图

法国在八十年代建成的巴黎一里昂东南新干线采用弹性链型悬挂，如图3所示。但是在正式运营的三个月内,发生了两次重大事故,造成导线拉断、接触网损坏。九十年代初,法国总结了东南新干线的经验教训,在大量的理论和试验研究的基础上认为:弹性吊索对于时速超过250km的高速来说意义不是很大,反而成为影响行车安全的因素之一。因此,新建的巴黎一勒芒大西洋新干线采用了简单链型悬挂。

承力索

吊悬

接触线

图3 简单链形悬挂图

从各国的发展情况来看, 总的趋势是:

(1)尽可能地简化接触网的结构, 以提高接触网的可靠性。

(2)在材质一定的条件下, 尽可能地提高接触线的张力, 以提高接触线的波动速度提高运营速度。

(3)积极研制和开发与接触网参数及运营速度相匹配高速受电弓。

复链、简链和弹链三种接触网悬挂型式虽然有各自的不同特点,但对于时速300 km/

h 以上的速度来说, 均能满足高速受流要求,在国外都有成功的运营实践。其技术经济比较如表1所示：

表1 复链、简链和弹链的技术经济比较

内容项目复链简链弹链

技术比较

静态弹性不均匀度小大较小动态接触力的标准偏差小较大较小定位点接触线的抬升量小较小大受电弓运行轨迹的平缓度好

稍差（接触线设置预弛度

时可明显改善）

较好网的动态稳定性好较好差接触网的风稳定性好较好差环境温度变化对网的稳定性影

响

小小大零部件数量多少较多结构的复杂程度复杂简单较复杂施工的难易程度难容易较难日常维修的便利性较便利便利不便利事故抢修的难易程度难容易较难因接触网的震动引起螺栓松动

的可能性

小小大

经济比较一次性投资高低较高运营维护费高低较高

综合比较结果，可以得出以下结论：

(1)复链型悬挂静态弹性不均匀度最小,受电弓的运行轨迹最平缓。但投资较高, 结

构比较复杂,施工调整及事故抢修难度大。

(2)简单链型悬挂静态弹性不均匀度较大,导致受电弓运行轨迹的平缓度稍差, 但当接触线设置适当的预留弛度时可得到明显改善。简单链型悬挂的结构最为简单, 投资最省,施工调整、运营维护及事故抢修较容易。

(3)弹性链型悬挂静态弹性不均匀度较小,受电弓的运行轨迹也较平缓。但接触网的平均抬升量大,稳定性较差,需专门的安装测试工具,施工调整及事故抢修难度大。

2.2 关于弓网受流质量的评定标准

(1) 弓网间动态接触压力

定义：指受电弓滑板与接触导线间的垂向接触力。此接触力包括所有接触点的垂向力总和。分析区段一般定义为一个跨距，评定标准如表2所示：

表2 弓网间动态接触压力评定指标

速度等级 120—160km/h 160-200km/h 200-250km/h 250km/h 以上 F max (N) 100—130 130—190 175—210 190—225 F min (N) 50—60 40—60 50—75 30—55 F maxs (N) 110—140 120—200 190—210 210—230 Fmins(N) 40—50 30—40 20—40 -5—20 Fm(N) 90—100 100—110 110—120 110—120 σ

15—26

25—28

26—31

32—40

术语和符号：

F max —分析区段内实际最大接触压力（N ）； F min —分析区段内实际最小接触压力（N ）； σ— 分析区段内接触压力标准差（N ）； Fm —分析区段内接触压力的平均值（N ）； Fmaxs —分析区段内接触压力的统计最大值（N ）；

σ

3F F m m axs +=

Fmins —分析区段内接触压力的统计最小值（N ）； σ3-F F m m i n s =

(2) 离线

定义：指受电弓滑板脱离接触导线的时间。离线评定指标如表3所示。

术语和符号：

Tmax — 分析区段内最大一次离线的时间（ms ）;

μ —分析区段内的离线率。区段内离线之和与运行时间的比率(％)。

表3 离线评定指标

速度等级 120－160km/h 160-200km/h 200-250km/h 250km/h 以上

Tmax(ms) <100 <100 <100 <100 μ(%)

3

3

5

5

(3) 受电弓滑板振动幅度

定义：指受电弓滑板在一个跨距内的振动幅度，即上下振动的范围，一般用2倍振幅表示。受电弓滑板振动幅度评定指标如表4所示。

术语和符号：

Hmax —跨距内受电弓滑板的最大高度(mm)； Hmin —跨距内受电弓滑板的最低高度(mm)； 跨距内滑板振动幅度计算公式为：

m in m ax H -H A 2=

表4 受电弓滑板振动幅度评定指标

速度等级 120－160km/h 160-200km/h 200-250km/h 250km/h 以上

2A(mm)

CLOSE <150 <150 <150 <150 OPEN

<100

<100

<100

<100

说明：对于单臂受电弓CLOSE 方向指受电弓拐臂与前进方向一致,OPEN 方向指受电弓拐臂与前进方向相反。

(4) 接触导线抬升量

定义：指受电弓经过时，接触导线的最大抬升量，用?H 表示。接触线抬升量评定指标如表5所示。

表5 接触导线抬升量评定指标

速度等级(km/h)

120－160 120－160 200-250 250 以上 ?H(mm)

<60

<70 <80

<100

2.3不同类型悬挂弓网受流质量

日本、法国、德国以及欧洲铁路联盟对弓网受流质量的评价标准不尽相同, 对比分析日、法、德及欧铁联盟的受流质量评价标准可知:

(1) 提高接触线的波动传播速度,是提高列车运营速度的最有效途径。对于这一点,各国的认识是一致的。

(2) 日、法、德三国对离线率及离线电弧的控制均较严格,如离线率一般不超过5% ,一次离线的最大时间不超过200ms。

(3) 德国对静态弹性的不均匀度要求较高,因此认为弹性吊索是不可或缺的。虽然如此,德国在修建法兰克福～科隆( Re330) 高速铁路时,隧道内接触网已不再设置弹性吊索了。据ADt ranZ 公司Bernd-w olfgangZw eig博士介绍,隧道内取消弹性吊索,主要有下列两个原因：

①隧道内受净空所限, 接触网结构高度仅能达到1100 mm,不利于弹性吊索的设置。

②隧道内跨距仅为50 m,在( 21 kN + 27 kN)的接触网张力下跨中弹性已经较小, 接触网弹性不均匀度也相对变小,因此弹性吊索的意义已经不是很大。

(4) 法国对静态弹性的不均匀度未作特殊要求, 且对接触力的标准偏差控制也不是很严格( 可达33% )。但自东南线发生事故以后,对定位器结构设计的安全性非常注重,在大西洋线、北方线上采用的定位器允许抬高量达400 mm,安全系数在2倍以上。

(5) 欧洲铁路联盟对平均接触力和接触力最大标准偏差作了规定,同时对定位装置的结构设计作了规定,以保证行车的安全。

3 高速铁路宜采用的悬挂方式

鉴于复链型悬挂结构太复杂, 投资太高, 国内尚无成熟的设计、施工和运营经验, 故不宜在京沪高速中推荐采用。从悬挂方式对速度适应性的发展历程来看, 四十年前东海道新干线210 km/ h 采用复链型悬挂, 当时人们认为200 km/ h 速度应采用弹性均匀的复链型悬挂。现在, 我国广深、秦沈200～250 km/ h 运行速度采用简链就已经达到了令人满意的受流效果。再从法国的经验来看, 300 km/ h 的简链接触网已经使用了十几年, 350 km/ h 的简链接触网也已投入运行, 这说明简链不仅在200～250 km/ h 速度段的受流性能得到了确认, 在300～350 km/ h 速度段同样能满足运营要求。从德国的经验来看, 从160～330 km/ h 速度, 弹链的使用已经有了成熟的经验, 受流质量同样满足要求。弹链和简链在高速领域均有出色的受流性能, 主要原因是两种悬挂都加大了接触线的张力, 提高了接触线的波动传播速度, 并有追随性能优越的受电弓相匹配。

对于京沪高速而言, 从受流质量要求来看, 弹链和简链均能满足要求, 但弹链施

工调整麻烦, 运营维护和事故抢修难度加大, 同时弹链的稳定性不如简链。综合比较结果, 采用简单链型悬挂更适合我国的施工及维护环境。因此, 京沪高速推荐采用全补偿简单链型悬挂，具体参数如图4和表6所示。

图4京沪高铁悬挂类型—简单悬挂

表6 京沪铁路接触悬挂的技术参数

名称量值名称量值接触线CuCa (mm2）150 最大跨距（m）63

接触线张力（KN）15 正线相邻跨距之比 1.15:1

承力索BzⅡ(mm2) 65 结构高度（mm）1400

承力索张力（KN）15/8.5（出站）接触线高度（mm）5650/6000

最短吊弦（mm）600/500/350 补偿装置铝合金大滑轮装置

4 张力补偿装置的设计

目前的张力自动补偿装置主要有日本的变比鼓轮补偿装置、德国的棘轮补偿装置和法国的滑轮组补偿装置。张力自动补偿装置应具备如下技术性能:

(1) 机械传动变比1:3-1:5;

(2) 机械传动效率不低于0.97;

(3)质量不大于30kg。

相比之下，法国的滑轮组补偿装置制造相对简单，传动比可调，适用范围较大，是高速铁路接触网首选的张力补偿装置。

5 结论

研究高速铁路接触网的最终目的，是为了提高我国高速铁路接触网的设计和施工水平，推动我国高速铁路技术发展。随着社会及经济的发展，必然对铁路交通提出更高的要求，当今世界的铁路，提高列车运行速度是一项共同追求得目标。然而，要大程度的提高列车的运行速度，接触网悬挂起着举足轻重的作用。目前，世界各国为了满足高速受流的要求，都根据自己国家高速铁路规划的动力设置（动力集中式或动力分散式）和受电弓的结构及性能的不同，而采用了不同的悬挂类型。高速接触网的悬挂类型就其现有的情况而言，有日本高速铁路采用的简单复链型悬挂、德国高速电气化铁路采用的弹性链型悬挂、法国高速铁路采用的简单悬挂。本次课程设计通过对各种悬挂类型的经济效益、技术要求以及抗环境影响能力等方面的比较，得出以下结论：

(1)接触网的结构要尽可能地简化, 以提高接触网的可靠性。

(2)在材质一定的条件下, 尽可能地提高接触线的张力, 以提高运营速度。

(3)积极研制和开发与接触网参数及运营速度相匹配高速受电弓。

通过对不同类型接触网悬挂的比较，最终选择简单链型悬挂为京沪高速的悬挂类型。

参考文献

[1] 于万聚著.高速电气化铁路接触网. 成都:西南交通大学出版社,2002.

[2]李伟主编.接触网.北京:中国铁道出版社,2000.