中国铁路受电弓的发展与展望

中国铁路受电弓的发展与展望韩峰，吴积钦作者简介：韩峰，吴积钦，西南交通大学电气工程学院，成都：610031-161-中国铁路受电弓的发展与展望韩峰，吴积钦摘要：弓网系统是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网。作为固定设施的架空接触网是受电弓的路，受电弓是接触网方案选取的重要依据。本文对中国铁路受电弓低速、中速和高速3个发展阶段进行了回顾，并对中国铁路受电弓的未来进行了展望。关键词：中国铁路；受电弓；发展与展望由受电弓和接触网组成的系统（以下称弓网系统）是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网。架空接触网是电气化铁路的固定设施，安装在车辆上的受电弓沿接触网运行。弓网系统的可靠性、接触质量和寿命取决于受电弓和接触网2个子系统的特性。接触网设计时应考虑受电弓子系统的特性，反过来，设计受电弓时也应考虑接触网子系统的特性。要使所设计的接触网获得令人满意的性能，设计人员就应了解掌握在该接触网上所使用的各类型受电弓的特性。经验和理论研究均已证明不可能为了优化与特定接触网设计的相互作用而单纯设计受电弓。更何况标准的接触网设计没有均衡的动态特性，因为跨距、质量和张力均会随线路实际情况和运行条件发生变化。然而，受电弓必须有一定的基本特性，并适合于规定的应用范围。试运行表明，完善的受电弓设计应能保证其在各种不同的接触网系统上实现其良好的运行性能[1]。作为固定设施的架空接触网是受电弓的路，受电弓是接触网方案选取的重要依据，为了接触网设计、施工及运营维护工作更有针对性，有必要对中国铁路受电弓现状与发展进行深入了解。1中国铁路受电弓的发展从1958年修建电气化铁路开始，到2010年实现高速化，中国铁路受电弓经历50余年的发展，走过了一段不平凡的路，大致可分为3个发展阶段。1.1第1阶段这一阶段始于中国铁路开始电气化，止于广深线电气化改造。1958年仿制的6Y1型干线电力机车使用苏制ДЖ-5型受电弓，这是中国铁路弓网系统的标志性事件。苏制ДЖ-5型受电弓弓头长度不大于2260mm，滑板长度不大于1270mm。中国第一条电气化铁路的接触网（宝鸡——凤州段）依照此型受电弓的几何轮廓设计。中国铁路弓网系统的几何特征就此确定。此型受电弓所需运行空间较大，但接触网的许用跨距也较大。苏制ДЖ-5型受电弓为四腕菱形双臂受电弓，安装尺寸大，笨重，静特性差，升降弓不稳定。1960年，株洲电力机车厂研制出Q3型单臂受电弓。Q3型受电弓运行性能良好，各项技术指标基本达到设计要求。在Q3型受电弓的基础上，株洲电力机车厂又研制出TSG1型干线电力机车受电弓，但此时已是1978年了[3]。TSG1型受电弓在相当长时间内，是中国电力机车使用的主要弓型。弓度长度为2160mm，滑板长度为1260mm。中国铁路受电弓的发展与展望韩峰，吴积钦-162-1961年，宝凤段电气化铁路开通，从法国引进的6Y2型干线电力机车及早期的韶山型电力机车均使用M7型四腕菱形双臂受电弓从接触网取流。M7型受电弓由Faiveley公司生产，弓头和滑板长度分别为2050mm、1200mm[2]，比苏制ДЖ-5型受电弓略小。1971～1972年，法国生产的6G型电力机车来到中国，此型电力机车配套的受电弓为Faiveley公司生产的AM51BU型单臂受电弓。弓头和滑板长度分别为2085mm、1260mm。1985年，从法国引进的8K型电力机车，8K电力机车的每节车上安装了一架Faiveley公司生产的AM51UF型单臂受电弓。弓头轮廓与AM51BU型单臂受电弓相同。1993年，株洲电力机车厂在8K电力机车AM51UF型单臂受电弓的基础上研制出TSG3型干线电力机车受电弓。该受电弓是8K机车受电弓国产化的产品，弓头轮廓与原型弓相同。1987～1988年，中国铁路引进由日本生产的6K型电力机车，每台6K型电力机车上安装2架Faiveley公司生产的LV-2600型受电弓。此型受电弓后被国产化，至今仍有电力机车使用。1988年，从前苏联引进的8G型电力机车，每台机车上面安装2架双臂受电弓。弓头和滑板长度分别为2160mm、1260mm。1996年，广深线租用的X2000摆式列车上附带着WBL88-X2型受电弓。弓头和滑板长度分别为2160mm、1260mm。中国铁路第1阶段使用的受电弓基本上是引进后仿制的产品，由于此阶段电力机车的运行速度普遍较低，运行速度普遍在200km/h以下，受电弓的性能基本能满足运营要求。1.2第2阶段此阶段以哈大线电气化改造为标志。哈大线电力机车使用运行速度为200km/h的DSA200型国际通用受电弓，遵循UIC608附4a的规定，弓头和滑板长度分别为1950mm、1030mm，如图1所示[4]。图1UIC608附4a的1950mm长弓头DSA200型受电弓采用纯碳滑板，能够很好地与铜合金接触线相匹配，使Re200C接触网的优越性能得以充分体现，而弓网系统的技术数据也只有在两者配套使用时有效。经过DSA200型受电弓的引进、消化、吸收和再创新，中国铁路受电弓实现了与UIC608标准的接轨，对中国铁路受电弓的技术进步起到了很大的推动作用；哈大线弓网系统的整体引进，对中国电气化铁路弓网系统基础理论、标准体系的发展有着深远的影响，是继宝凤段后，将弓网系统作为一个整体对待的理性回归，也是中国铁路终结同一接触网下运行多种型号受电弓、多种滑板材料局面的开端。中国铁路受电弓的发展与展望韩峰，吴积钦-163-2007年中国铁路第六次提速期间，与DSA200型受电弓同一家族的DSA250型受电弓得到普遍应用，此型受电弓设计速度为250km/h，适用于相应速度等级的各种电力机车及动车组。这一阶段，中国铁路部分新型号电力机车也开始使用符合UIC608附4a的规定的受电弓，如Siemens公司生产的8WL0-127-6YH69，国产化后的型号为TSG15。第2阶段使用的受电弓以中外合作生产为主，受电弓的部分部件得到国产化，但核心部件仍需依赖外方。此阶段，中国铁路列车的运行速度逐步提高，对受电弓的技术要求也相应提高，受电弓的重要性得到关注。1.3第3阶段此阶段弓网系统的标志性事件是京津城际客运专线的投入运营。京津城际客运专线是中国第一条运营速度达到350km/h的高速铁路。为满足动车组高速受流要求，普遍使用SSS400+型受电弓。SSS400+型受电弓是由SiemensMWW牵头与Schunk公司合作、德国联邦铁路慕尼黑ＴＺＦ实际参与研制的，该型受电弓弓头轮廓符合UIC6084a规定，优化了框架的动力学性能、降低了收弓高度，能满足双向运行350km/h要求。此型受电弓已被国产化，国产化后的型号为TSG19。第3阶段受电弓的生产仍以中外合作为主，对受电弓的部分部件进行国产化，核心部件依赖外方。此阶段，中国铁路步入世界高速铁路行列，受电弓的重要性得到了足够重视。此阶段，也曾使用过其它型号的受电弓进行高速列车运行试验。2中国铁路受电弓的展望中国铁路开始电气化以来，使用的受电弓基本以仿制和组装为主。受电弓的设计和特性对弓网运行质量具有举足轻重的作用。如果高速的接触网配了不适合高速的受电弓，就不会产生所期望的结果。相反，也不可能通过采用适合高速的受电弓将普通接触网的昀高速度提高到更大程度。为实现对高速列车理想的供电质量，必须有适合的接触网和相应的高速受电弓相互配合。中国铁路目前使用的受电弓基本能满足列车运行速度350km/h的取流需要，为了使接触线和受电弓在适应更高列车速度的同时，保持接触部件更长的使用寿命，有必要开发新型受电弓的、更适合中国铁路要求的受电弓。法国交流铁路接触网电压制与中国铁路相同，均为25kV、50Hz，弓网电气性能方面可参考法国交流铁路使用的高速受电弓，但法国交流铁路受电弓的轮廓却是通用受电弓中昀小的；中国铁路受电弓的弓头轮廓和形状与德国联邦铁路一致，但德国接触网电压却为15kV、16.67Hz。可在法国交流铁路高速受电弓的基础上，将弓头轮廓扩大到1950mm，即可满足中国铁路运行要求。跨中弹性及弹性不均匀度代替接触线风偏成为高速接触网跨距长度选择的决定性因素，1950mm轮廓的受电弓在跨距选择中已无经济方面的优势，但较大的弓头质量和空气阻力却成为动态性能方面的负担。缩小弓头轮廓有利于受电弓速度性能的提升，但会面临着互操作性丧失的尴尬。这是全世界中国铁路受电弓的发展与展望韩峰，吴积钦-164-目前使用大轮廓受电弓的国家需要解决的共同课题。为保证高速运行需要，在运行过程中，根据要求适当控制受电弓的平均接触压力，以确保一方面没有不适当的燃弧，另一方面磨损不超过限制值和损坏滑板，并将接触线的抬升控制在规定范围内。这种受电弓需要增加主动控制设备。3结论各国铁路部门根据各自的情况确定弓网系统的方案和参数，这里面包含着各种经济、技术因素。使用的受电弓不同，接触网也自然不同。中国铁路目前使用的受电弓基本特性与德国联邦铁路使用的受电弓一致，注定了这2个国家架空接触网的方案与参数接近。由于中国电气化铁路电压较高，中国铁路的受电弓及弓网系统还有优化的空间。参考文献：[1]中铁电化局集团有限公司，译.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社,2004.[2]安孝廉.受电器[M].北京:中国铁路出版社,1984.[3]张弘,常伯达，等.高速受流专辑[M].北京:中国铁道出版社,1991.[4]UIC608:Conditionstobecompliedwithforthepantographsoftractiveunitsusedininternationalservices[S].InternationalUnionofrailways,1989.