铁道电气化毕业论文 接触网硬点的初步探讨及减少接触网硬点产生的建议.doc

职 业 技术 学 院 毕 业 设 计 论 文 论文题目： 接触网硬点的初步探讨及 减少接触网硬点产生的建议 专 业 电气化 学生姓名 设计（论文）指导教师： 开题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日  摘要 接触网硬点是接触网系统的一大顽症。减少硬点危害，保证弓网间正常接触和取流是高速电气化铁路可幸运行的前提。本文分析接触网硬点产生的原因，指出其危害，并从优化接触网设计、提高接触网施工质量等方面提出减少、控制接触网硬点产生的建议 关键词 弓网关系 硬点原因 危害 检测 建议 目 录 接触网硬点的初步探讨及减少接触网硬点产生的建议 1 接触网硬点 2 接触网硬点的危害 2.1 接触硬点的机械危害 2.2 接触硬点的电气危害 2.3 接触硬点对周围的环境危害 3 接触网硬点产生原因分析 3.1 导线不平直产生的凸凹点 3.2 接触网悬挂结构零部件、设备产生的硬点 3.3 非接触网原因产生的硬点 4 硬点的检测与介定 5 减少接触网硬点产生的建议 5.1 接触网设计 5.2 从施工环节减少接触网硬点 5.3 加强日常管理 6 结束语 主要参考书籍 有关国家、部设计规范及标准 《电气化铁道设计手册》 《铁路电力设计手册》 《交流电气化铁道接触网设计基础》 《接触网设计及检测原理》 《高压送电线路设计手册》 《高速运行时接触网振动原理分析》 《上海铁道科技》 电气设计、施工图册、图纸等 （下一页开始为论文正文） 前言 随着我国铁路第六次大面积提速调图成功实施和对高速电气化铁路的研究逐步加深，弓网关系也同轮轨关系一样，成为列车高速运行另一制约因素，日益引起人们的重视。 在高速铁路中，与列车速度直接相关的一个重要参数是受流质量。高速电气化接触网一受电弓系统的理想运行状态是弓网间可靠接触，为电力机车不间断地从接触网上获得电能提供保障。受电弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条件，即受电弓与接触线间要有一定的接触压力，当接触压力过大时，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命；接触压力过小时，会使它们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线。 改善接触网的质量，创造良好的弓网环境，是电力机车高速行驶的前题，接触网硬点是接触网系统的一大顽症，破坏弓网间正常的接触和取流，加速接触导线和受电弓局部磨耗，危害导线和受电弓正常使用寿命，甚至造成事故，影响运输安全。 接触硬点是接触网系统的一大顽症，特别是在高速度的条件下（160公里以上）怎么理解硬点并消除硬点的危害，很值得我们去分析研究。据此对接触线硬点的产生原因、分类、危害及处理提出一点看法以及建议。 1 接触网硬点 电力机车在运行中，其受电弓同接触导线接触面处于滑动摩擦状态，为保证正常取流弓网间存在一定的接触压力由于接触悬挂某些部分或其他原因会引起弓网间接触压力、相对位置和速度的突然变化，致使弓网关系产生瞬态变化，这种瞬态变化达到一定量化标准，我们便称之为硬点。可以说硬点不能对受电弓、接触网造成机械伤害，如果造成伤害则称之为碰弓（比之严重的称为打弓、刮弓）点！ 目前，通常这种力、位置、速度或加速度的突然变化是通过在检测受电弓上安装加速度传感器来检测， 硬点是一种接触网结构的本征缺欠，是接触网接触悬挂不均质状态的统称，并且是相对的。运行速度越高，表现越明显。接触网硬点是评价和衡量高速电气化铁路弓网关系一个重要参数。 2 接触网硬点的危害 接触网硬点危害主要有以下方面： 2.1 接触硬点的机械危害 机械伤害是指对受电弓、接触导线轻微的碰伤，刮伤等（有明显痕迹的就称之为打弓点了）接触硬点是造成机车受电弓离线的重要原因之一，机车受电弓离线对机车牵引电机、电器、受电弓、接触网、牵引变压器及供电系统都有危害。由于导线上硬点的存在，冲击加速度（目前检测硬点大小的参数）数值较小时造成弓网之间接触不良，冲击加速度数值较大时就会造成离线，离线产生高温的电弧，到一定程度时会对接触网、受电弓产生机械破坏。受电弓和接触导线之间发生的水平和垂直方向撞击，加大接触导线和受电弓局部机械磨耗，长期运行，会造成接触网断线和受电弓折断，引发弓网事故。 2.2 接触硬点的电气危害 硬点引起的弓网离线和离线瞬间产生的高温电弧，它对接触网、受电弓有很大的危害。 硬点导致受电弓和接触网接触不良，在瞬间发生接触导线和受电弓机械脱开，我们称这种现象为“离线”。离线发生时，会伴有火花或电弧产生，从局部讲高温的电弧严重时可能烧伤接触线或受电弓，使接触线或受电弓的接触面出现大量的点蚀，形成麻面，加速导线电化腐蚀。造成接触线截面积不够，恶化接触线或受电弓的电能传输，长期运行，甚至于造成断线事故； 除了对接触导线的点蚀、汽化以外，就是对导线的高温退火，例如现在广泛应用的铜导线，不是简单的电解铜，是电解铜经过反复的压轧、拉伸，最后挤压而成的，轧制、拉伸、挤压过程是金属的内部应力发生了变化，使软铜线变成了硬铜线，提高了机械强度（主要是抗拉强度和硬度）。拉弧产生的局部高温（最核心处有几万度），一方面使接触导线、受电弓点蚀和汽化，而恶化弓网取流关系，同时点蚀、汽化也减少触导线、受电弓的强度和使用寿命；另一方面拉弧产生的高温能使接触导线内部应力变化，造成接触导线局部退火！使其机械强度大幅下降，而容易被导线张力拉断。经常遇到非金属性接地（如非金属杂物侵入、机车车顶绝缘子闪络或者绝缘老化时升弓等），而引起接触导线（有时是承力索）断线的事故、故障，究其原因实际是此时接地有较长时间的持续电弧（此时的电流不至于断路器跳闸）而烧断接触导线。 列车高速行驶时电弧在每处的停留时间很短，热量迅速的被风带走，接触导线升温并不太大；低速-特别是静止时，电弧因为位置相对固定，强大的高温很容易烧伤接触导线而断线（实际上是高温—导线升温--退火—导线软化—拉断）。 为什么金属性接地不容易断线呢？供电段的同志都有这样的经验：“带电误挂地线（金属性接地）会引起断路器跳闸，一般是不会引起接触网断线的”，这是因为金属性接地时的大电流会引起断路器迅速跳闸，短时的高温不容易烧断接触导线（这就是铜比铝材质的好处之—相对耐高温），容易烧断吊弦 拉弧是很难消除的，短时的接触不良、离线都会产生电弧，实际上电弧是空气被击穿时的现象，电流通过击穿空气得以连通，当然击穿空气要损失一部分电能、损失一部分电压，但通过电弧让电流得以连通，却是电弧的功劳。 从电气原理上讲，离线时空气的电阻是非线性的，使机车电流骤变，产生冲击电流和瞬时过高压、高次谐波，降低供电质量，对机车牵引电机、牵引变压器及供电系统构成危害，影响机车牵引电机、牵引变压器及供电系统的电能质量。特别是原始硬点使机车受电弓严重离线，受电弓弹起后产生的二次、三次接触冲击硬点，因其离线幅度小，时间短，电弧对接触线或受电弓的烧伤更为明显。 2.3 接触硬点对周围的环境危害 接触硬点对周围的环境产生强烈电磁波和辐射，污染环境，并对周围通信线路产生干扰。 3 接触网硬点产生原因分析 3.1 导线不平直产生的凸凹点 （1）施工或检修过程产生的硬点 施工或检修时，因各种原因（如无张力放线、使用夹线工具不当、导线张力不足引起驰度过大、人员上、下导线、重物挂在导线上等等）造成的接触线弯曲变形，特别是上下弯造成离线及离线后的冲击硬点。 采用无张力放线或不稳定的小张力放线，造成接触导线在展放的过程中，导线时松时紧击打钢轨和轨枕，损伤接触导线接触面平顺度；在导线展放过程中使用“s”钩悬吊导线由于无张力或张力波动大造成导线顺线路方向前后窜动，导致“s”钩损伤导线接触线面。 在完成承力索及接触线架设后，由于种种原因，都不能及时安装吊弦及定位装置，承力素与接触线间一般要采用临时吊线固定，而对临时吊线的制作、安装没有统一规格，在现场施工过程中随意性较大，导致临时吊线长度参差不齐，长度较短的临时吊线悬吊点因长时间承受较大负荷而产生硬点。 . 在架设后的接触导线初伸长（蠕变）还没有拉伸到位的情况下便安装吊弦和定位装置，在后期导线初伸长（蠕变）拉伸到位后，会在吊弦和定位线夹安装处产生硬点。而此时原先安装的另弦和定位装置会顺着拉伸方向歪斜使安装工艺不达标，造成二次安装或反复调整。 在施工过程中线路管理单位对线路起、拨道，造成线路迟迟不能锁定造成接触网反复调整，损伤导线。 吊弦、腕臂的预配制作精度不够、安装存在误差，造成二次安装调整，损伤导线。根据国外经验，凡接触线上安装的线夹均应一次安装到位，二次安装将会引起硬点。 在京沪铁路电气化改造过程中，施工作业队采用测杆测量承力索、导线高度，且在测量过程中，测量人员变动大，对测量要点掌握不清，记录不规范，导致测量出数据误差较大，再加上吊弦预配、加工、制作环节出现的误差，制作出的吊弦偏差较大，吊弦安装后，造成接触导线高度大面积偏高，不得不进行二次安装调整或对吊弦进行更换，浪费了大量的人力和时间。再加上施工过程中由于缺少对200km／h接触网检测设备和手段，虽然施工单位进行了吊弦调整更换，但其对吊弦调整标准相对200km／h区段对接触网的技术要求存在一定的差距。因施工精度不够、标准不高造成了前几次接触网在检测中被检测到存在较多接触网硬点通过现场对硬点查找、复核、处理中也可以印证这一点。 由于工期紧迫为抢工期出现踩踏和用力拉、拽导线等不规范作业和野蛮施工现象，造成接触导线线面不平直，形成硬弯或扭面 （2）导线坡度变化 接触网在线路与桥隧、站场与区间、联接处及锚段关节处等，如果在检调中处理不好就很容易存在导线坡度及坡度变化，在导线坡度较大或导线坡度转换点，就会造成较大冲击硬点。 3.2 接触网悬挂结构零部件、设备产生的硬点 （1）集中负荷。如在分相、分段、导线接头处、电连接线夹处、补强处、导线定位、线岔、中心锚结等，由于重量的突然增加，受电弓的接触力突变；引起弓网间的接触力突变形成硬点。 （2）接触线上的零部件安装不规范，撞击受电弓。 如电联接线失偏斜、吊弦线失偏斜、接头线夹偏斜、定位器坡度过大过小造成线夹偏斜打弓或定位器对导线有集中压力（坡度过大时对导线是负压力）等等，以及导线线面不正时，当受电弓通过时，在导线抬升，线夹偏斜产生硬点或打伤、打坏受电弓。 （3）接触网在线路与低净空桥、站场与区间联接处及锚段关节处等许多地方存在导线坡度及坡度变化，在导线坡度较大或导线坡度转换点，产生较大冲击硬点。 3.3 非接触网原因产生的硬点 其它原因也能引起的接触力的突变点，称为接触硬点，如线路三角坑、受电弓振动、摆动等等，常见的有以下几种情况： （1）机车受电弓产生的硬点 在机车的运行取流过程中，运行的受电弓与架空式的接触网之间进行的相互作用、相互匹配非常复杂，影响受流质量的主要参数有静态接触压力、动态接触压力、摩擦力、受电弓振动频率、接触网振动频率、机车运行速度、接触网传播速度等等。影响接触硬点的因素也很多，除机车车速、加速度以外，如受电弓的弹性系数、受电弓归算到接触导线上的质量等能影响到接触硬点。 受电弓归算到接触导线上的质量是计量硬点的关键数值，受电弓弓头（包括滑板）质量是受电弓归算到接触导线上质量的主要组成部分，从弓网接触（冲击）关系我们知道，受电弓弓头质量越小，受电弓对接触网的冲击力就越小。无疑受电弓的弹性越好对减小硬点就会越好。 与机车有关的接触网方面的悬挂弹性系数（接触悬挂张力、接触网跨距、接触悬挂导线及承力索单位长度重量、接触悬挂结构型式等都影响到接触悬挂弹性系数）；接触网的振动频率、周期等等。 （2）接触导线材质产生的硬点 接触线内部材料金相组织应做到颗粒细小、分布均匀，使得接触线的刚度均匀，同时要具有良好的平顺性。如果接触线内部存在孔洞、颗粒差异大、分布不约或存在异质等，接触线在加上工作张力后，就会造成刚度不均，容易受到冲击，使弓网间接触压力突变，产生硬点。接触导线质量不良，在施工过程中也易产生硬点。 （3）线路产生的硬点 线路也是引起的接触力的突变原因之一，例如线路的变坡点，特别是正坡直接变成负坡的变坡点，反映在弓网关系上就相当于一个导线变坡点，如果此处正好是接触导线的变坡点那就可能出现很强烈的硬点。除此以外，特别是在列车提速以后，线路道床质量对受电弓与接触网的接触力影响很大，如道床的弹性系数、振动周期、及各种病害等，对接触网运行影响很大。 例如，现在经常出现的一个就是检测车测出某支柱处拉出值过大（例如550MM）、硬点超标，而接触网工区测量拉出值并不大（只有370MM）、接触网上也没有什么缺陷会产生硬点？经长期分析发现，这种情况的一般是发生在桥头处、隧道口处、路堑和路堤连接处、钢轨接头处的处、道床翻浆处、三角坑处等。 其原因是在这些地方线路路基弹性系数变化大、钢轨的接头不齐、线路病害等引起了机车左右摆动（也引起受电弓摆动）、上下震动，由此引起接触网与受电弓之间的位置突变造成的。 下面以一处具体的钢轨接头为例，研究机车以160公里速度通过它时对接触网产生的硬点：经测量知道此轨缝宽10MM，轨头被车轮压塌1MM，由此可知机车通过轨缝的时间为0.000225秒，在此时间内受电弓的弓头进行了下降、上升两个动作，如果不考虑机车弹簧的减振和受电弓的减振阻尼器,则受电弓的弓头下降的平均加速度为: A=2*1MM/(0.00025/2秒)2 =8*19753086.4197MM/秒2= 158024696 MM/秒2 取整：158025.M/S2 同理上升时的平均加速度： 158025.M/S2（方向与下降时的相反） 车体下降的高度只用了“轨头被车轮压塌1MM”的“1MM”来进行计算，理论上讲，数值要比这个还要大些。 初看上去这个数字惊人，这个冲击力对接触网、对机车、对车辆有很大的破坏性，其实因它作用时间很短，对机车、车辆、钢轨破坏有限，加之机车、车辆走行部弹簧的减振功能是很强大的,能有效保障机车、车辆的运行安全，受电弓上在弓架与弓头也有弹簧阻尼装置，对受电弓来说这两重的减振确实能减去很多由此而引起的冲击加速度，但从各种资料、计算上可知轨缝（特别是状态不良时）对接触网能产生很大的冲击加速度（数量级约为30G左右），如果此处的钢轨轨缝不齐,错位几个毫米，则机车在此处除了上下的冲击外，还有左右的大幅摆动，机车的幅摆动同样会造成受电弓很大的左右方向的摆动，摆动量是机车走行部的4倍左右，由此产生的冲击力也是很可观的。 同理可知：道岔辙岔心处的有害空间、钢轨的局部塌陷对接触网都会产生很大的冲击力，所以在高速铁路上采用无缝钢轨、研制和采用强度和韧性更好的轨缝绝缘间隔片和可转动辙岔心的提速道岔技术是非常有必要的。 隧道口处的问题比较复杂，影响接触网参数、硬点的除了有隧道内、外的线路路基弹性变化以外，此处还是个特殊的风洞区，高速运行的列车会受到很大的瞬时风压，其方向、大小与很多因素（如列车运行速度、隧道口的地形、风向、风速、复线隧道的对面会车）有关，这个风压对机车的运行影响不大，但对受电弓、接触网来说就非同小可。这些瞬时风压经常造成接触网、受电弓的瞬时摆动，引起参数突变，硬点突出。 此外，还有工务部门在未与牵引供电设备管理部门联系情况下，擅自起道、拨道等作业造成轨面、曲线超高和侧面限界超出容许范围导致接触导线高度和拉出值超标形成硬点或打弓。 上海局管内京沪电气化铁路接触网硬点具有以下特点：一是接触网硬点在接触网缺陷中占有较高的比例。二是接触网硬点大多集中在160km／h以上提速区段。三是接触网悬挂结构本身产生一定数量硬点且硬点值较大，位置多出现在分段绝缘器、导线定位、线岔、关节等导线集中负荷较大和导线坡度变化较大的地方。四是接触网施工质量对接触网硬点的产生有直接的影响，前几次检测到的接触网硬点数量较多大部分是由于质量不达标造成的缺陷，其中因接触网施工精度问题（如吊弦高差大等）引起硬点相对较为多见。五是从现场对检测数据复校来看线路原因和其他原因产生硬点在检测硬点中占有一定比例。 4 硬点的检测与介定 现今的检测数据是通过接触网检测车上计算机分析出来的，硬点通过在检测受电弓上安装加速度传感器来检测。它的数据链是:受电弓受到物理振动-冲击传感器-光信号-光缆-电信号-计算机数据分析, 冲击传感器可接收和发送水平、上下两个方向的数据。 但是，轨道线路的欠缺，如三角坑、不平顺等，同样会引起机车包括受电弓在内的附加振动。在速度较高时（160km/h），这类振动产生的激扰对弓网系统是不可忽视的。因此，为了准确找出接触悬挂的异常点，必须找出因线路轨道欠缺造成的凸、凹峰值。所以，还需在机车顶部或受电弓基座上安装一个加速度传感器，如果该处的加速度传感器值过大，则说明是线路轨道有欠缺，这时，即使接触压力出现异常峰值，也可以判定是由于轨道线路引起的接触压力的异常变化。如果该处加速度传感器的数值很平顺，无异常现象，那么，就可以断定，在出现异常峰值的地方就是接触悬挂要维修的隐患点 根据以上思路，首先算出接触压力的平均值、标准偏差值、最小值和最大值，再判断这个接触压力是否处于最大值和最小值之间，如果是，则进一步判断这个接触压力是否大于1.8倍的平均值，如果没有大于，则可断定接触悬挂状态正常，受流良好；如果大于1.8倍平均值，则与接触压力处于最大值和最小值范围之外的情况一样，表明接触压力不正常，这时需要进一步判断这个接触压力的不正常是由轨道线路欠缺引起的还是由接触悬挂引起的。 判断时，绘制加速度计的输出值曲线，判断该点接触压力所处的位置上的加速度值是否出现异常尖峰，如果没有出现，则表明此点轨道线路没有缺陷，那么接触压力过大就是由于接触悬挂引起的，此段线路受流性能不好；如果出现了异常尖峰，则表明此点轨道线路有欠缺，这时再用此点的接触压力值减去由轨道线路导致的惯性力值，如果得到的值还大于1.8倍平均值，则接触悬挂不正常，受流性能不好；如果没有大于，则接触悬挂正常，受流性能良好。 目前在对硬点检测、控制过程中存在的问题。 一个是检测计量单位不统一，没有具体的控制数值范围。目前各个部门的接触网检测车标准不统一，各车的冲击传感器的灵敏度、各车检测系统的数据处理方式、检测结果均不相同，也没有统一的计量标准，而且个别检测车只有上下方向的传感器，传感器的灵敏度也相差很大，校验、统一各接触网检测车进行是很有必要的。 国内在弓网压力检测方面的研究较少，已有的检测方法主要是在受电弓滑板两端安装压力传感器，测得抬升力，便认为它是弓网接触力。这种方法忽略了惯性力的影响，在低速运行状态下还是可行的。但是，随着列车运行速度的提高，在速度大于120km/h时，机车-轨道耦合振动对弓网动态相互作用关系的影响加剧，在受电弓垂直方向上产生较大的加速度，惯性力对弓网接触力的影响已经不能忽视。为了测量惯性力，多数研究是在弓体中央加装一个加速度计。 日本还开发了在弓体部位安装多个加速度计的