试析电分相在高速电气化铁道的改进建议(庞)

兰州交通大学毕业论文11概述分相绝缘装置(简称电分相)是25kV/50Hz电气化铁路实现相与相之间电气隔离必不可少的设备。在交流供电牵引供电系统中，电力机车是单相供电的，为了平衡电力系统的A、B相之间要进行分开，这称为电分相。根据上述要求，在变电所出口处及两牵引变电所之间（供电臂末端），必须设电分相装置。两个牵引变电所之间的接触网，可以实现单边供电，也可以实现双边供电。在单边供电的情况下，在牵引变电所之间的适当位置设置分相装置，把接触网分成两段，在每段由一个牵引所供电。我国早期电气化铁路采用的电分相为结构复杂的接触网八跨、六跨、跨等舣绝缘锚段关节组成的气隙绝缘结构．后来，引进和研制了绝缘材料制作的器件式电分相．这类电分相结构简单，在速度(140km／h以下)不太高的情况下能基本满足弓网关系要求，大大减少施工维修难度，在20世纪80～90年代电气化工程改造中被普遍采用。器件式电分相有一个极大优点，其中性区很短，特别适合在重载、大坡度区段使用。近年来随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相硬点成为干扰电气化铁路提速改造的主要问题之一。由于关节式电分相由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大问题，在20世纪末我国电气化铁路提速改造中又被普遍采用。目前，世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用该种型式。可以预见，它也必将成为我国高速电气化铁路的首选型式。众所周知，器件式电分相依靠绝缘杆件实现相间绝缘，有电气连接的两个受电弓跨接在电分相两端才能造成相间短路，电气化区段的有关人员通常也认为只要单台电力机车禁止双弓、断电，就能安全通过电分相。但是，运营中发现，对关节式电分相，即使是两个电气隔离的受电弓(如多机牵引、电力机车附挂、牵引机车后挂有接触网检测车等情况)在一定的条件下仍可以造成相间短路(如图I所示)。据调查，这类故障在京广、哈大等线已采用关节式电分相的电气化线路已经发生多次，而我国电气化铁路有关设计和管理人员对该问题还未引起足够的重视。本文就器件式电分相和关节式电分相优缺点及存在的问题进行分析，并探讨自动过分相技术，对电分相的设计及运行管理提出建议。兰州交通大学毕业论文22电分相设置2.1电分相分类电分相装置分为四种类型，即常规电分相装置、地面自动转换电分相装置、柱上断载自动转换电分相装置及车载断电自动转换电分相装置。实现电分相，当前常规电分相采用的有两种办法，其一是利用锚段关节进行电分相，另一种是利用专门的电分相装置进行电分相，后者称为电分相绝缘器。电分相绝缘器与锚段关节不同，它只能用于电气上的绝缘，而导线在机械上则是通过电分相绝缘器连接在一起，不能作为机械分段。而绝缘锚段关节则既可以实现电气分开，也可以实现机械方面的分开。2.2器件式电分相图2.2.1器件式电分相安装图1－玻璃钢绝缘器2－中性区接触线3－中性区承力索4－悬式绝缘子5、6－带不同相位的接触线7－吊弦器件式电分相采用绝缘器件进行分相绝缘如图2.2.1所示。是一种由三组分段绝缘元件串联组成的分相设备，串联在接触线中，绝缘元件为环氧树脂玻璃布层压板，每件绝缘元件长度为1.8米，宽度为25mm，高度为60mm,在底部开有斜沟槽。两端部绝缘元件之间的不带电段称为中性段，电力机车通过中型区段时为断电惰性通过；电分相绝缘器的两端的接触网为不同相供电，它保证列车安全通过而不发生短接事故。因此，中性段不宜过长，其长度以电力机车升起双弓时不短接不同相接触为限。电分相绝缘上方的承力索，通过与绝缘元件相应的3片悬式绝缘子（每串为4片）断开。分相绝缘器的设置应注意：避开线路的大坡道，以利于电力机车惰性，同时还要考虑信兰州交通大学毕业论文3号显示、调车作业、供电线径及维修管理方面等条件。对于高速铁路而言，最大的问题是对接触悬挂形成硬点，影响接触悬挂的弹性。近年来随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相的硬点大成为困扰电气化铁路提速改造的主要问题之一。电分相绝缘器件的问题是由于各种原因，会经常烧损绝缘器件。电力机车在到达断电预告标处，电力机车操作规程规定，这时需推级，关闭辅助机组，断开主断路器，惰性通过电分相装置，在机车到达合闸预告标时，要进行一系列上述的反向操作。这种常规电分相装置不仅影响到重载、高速和行车安全，而且对司机是个沉重的思想负担，如果遇到大坡道或高速区段，给司机的操作带来很大的难道，如稍有疏忽，操作不当就会造成拉弧、烧伤分相绝缘器等事故。在列车运行速度较低时，尚可实行这种操作。2.3器件式电分相对接触悬挂的弹性的影响接触悬挂的弹性是表示接触悬挂结构好坏的重要指标之一。所谓弹性，就是接触悬挂在受电弓抬升力的作用下所具有的升高性能，即在受电弓压力的作用下，每单位垂直力使接触线的升高。接触悬挂的弹性，对于受电弓的受流质量是一个重要的因素。衡量弹性好坏的标准有二：一是弹性的大小，它取决于接触线的张力（链形悬挂包括承力索）的量值；二是弹性均匀程度，它取决于悬挂结构、悬挂的类型和某些附在接触线的集中负荷程度等。由于器件式电分相的安装结构必然在接触悬挂形成集中负荷，器件式电分绝缘器是安装在接触悬挂上的。承力索分相是通过绝缘子串实现的；接触线分相是通过绝缘滑道实现，在接触悬挂上形成集中负荷，形成硬点，影响接触悬挂的弹性。兰州交通大学毕业论文42.4锚段关节式电分相2.4.1锚段关节图2.4.1锚段关节式电分相D－中性段长度；L－受电弓的距离接触悬挂中的承力索和接触线在延续到一定的长度后，为满足机械方面受力的要求及方便施工，必须分成为一个个相互独立的线段即为接触网的机械分段。机械分段的作用是减少事故范围，即当某一个线段发生事故时，不影响另一线段的接触悬挂，也便于在线段的两端设张力补偿装置。必要时，还可将其设置成电气上能相互分开的线段，同时起电分段的作用。接触网进行机械分段的线段称为锚段。相邻两个锚段的衔接区域（重叠部分）成为锚段关节。锚段关节的设置，使接触网不间断地贯通于全线。锚段关节分三种：（1）仅起机械分段作用的称为非绝缘锚段关节，该处相邻的两个锚段在电气上是绝缘的。（2）不仅起机械分段作用，同时又起同相电分段作用的锚段的锚段关节，称兰州交通大学毕业论文5为绝缘锚段。（3）带有中性嵌入段，既起机械分段的作用，又具有电分相功能的，称为电分相锚段关节,如图2.4.1在锚段关节处，两锚段的接触悬挂是并排假设的。对它的基本要求是当机车通过时，应保证受电弓能平滑地由一个锚段过渡到另一个锚段。根据锚段关节所起地作用，可分为非绝缘锚段关节、绝缘锚段关节及电分相锚段关节。根据所含跨距数可分二跨、三跨、四跨、五跨、七跨及九跨式锚段关节。对于高速电器化线路，其分相已不能用常规带有绝缘滑条式地电分相装置，以锚段关节地形式实现电分相，使在高速运行式，受电弓平稳，保证设备良好运行及受流质量。2.4.2关节式电分相种类关节式电分相种类由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成。由于绝缘锚段关节有三跨、四跨和五跨3种型式，跨距长度不同，两个关节的衔接布置也有多种方式，造成目前关节式电分相存在七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等多种型式，中性区距离也长短不一(参见图2.4.2一图2.4.5)。图2.4.2京广线石桥---林颖双五跨关节式电分相示意图(八跨)图2.4.3哈大线双五跨关节式电分相示意图兰州交通大学毕业论文6图2.4.4哈大线双五跨关节式电分相示意图(十跨)图2.4.5马德里—塞维里亚双五跨关节式电分相示意图(十二跨)2.4.3关节式电分相锚段关节型式的选择绝缘锚段关节有三跨、四跨、五跨等型式。由于关节式电分相由两个绝缘锚段关节组成，因此选用的绝缘锚段关节的型式决定了关节式电分相结构型式。(1)四跨绝缘锚段关节与三跨、五跨绝缘锚段关节相比，四跨锚段关节多了一根中心柱。正常状态，受电弓在中心柱处同时接触两支接触线，从一个锚段过渡到另一个锚段。但由于要满足绝缘的要求，中心柱就需采取特殊定位方式。一种方式是采用反定位管低头的特殊安装方式，这使得接触网稳定性降低。另外的方式是一根定位器采用特型定位器(直线区段)或两根均采用特型软定位器(曲线区段)，而该类定位器因为结构原因要满足强度要求采用钢质结构，质量大于提速区段普遍采用的铝合金定位器，又由于中心柱处受电弓要同时抬起两支接触线，这样就对接触网弹性造成了较大的影响，不利于受电弓高速受流。另一方面，提速区段接触线张力大，非支接触线抬高量(一跨中抬高450一500mm)较大，中心柱处两定位器会出现较大的上抬力。当环境温度变化时难以保证两支接触线等高，也对高速取流不利。根据哈大线的资兰州交通大学毕业论文7料，四跨绝缘关节较多在800m及以下曲线半径的线路采用。日本和法国则倾向于不采用四跨绝缘关节。故建议关节式电分相的每个锚段关节不采用四跨型式。(2)三跨与五跨绝缘锚段关节三跨与五跨绝缘锚段关节均是在跨中两接触线等高，受电弓实现从一个锚段向另一个锚段过渡。由于跨中弹性大，不会对受电弓运行造成大的影响。三跨绝缘锚段关节相比五跨，少了两根转换支柱，结构简单，但由于三跨转换跨中坡度(7%o一8%o)大于五跨(2%o一4%o)，也远大于接触线坡度不宜大于3%o的标准，不利于高速受流。另一方面，从工程投资上讲，五跨与三跨相比，不增加接触网支柱，只是增加两套定位支撑装置和少量的接触网，投资增加很少，就能更好满足接触网运行，也为接触网进一步提速创造了条件。因此，建议关节式电分相的锚段关节宜采用五跨。我国电气化铁道接触网通常采用的锚段关节式电分相有七、八跨式和九跨式3种。其中，七跨锚段关节式电分相用于广深线；八跨锚段关节式电分相用于京广线的衡广段（如图2.4.6）九跨锚段关节式电分相用于京广线的武衡段和哈大线。不管是哪种型式，其结构都是利用2个绝缘锚段关节重合1跨或2跨，再增加1个分相锚段组成，即：分相锚段与既有接触网的2个下锚支组成2个绝缘锚段关节并重合2个锚段关节的1跨或2跨，在分相无电区工作范围内利用分相锚段作工作支，而分相锚段与既有锚段问采用相问空气绝缘的装配形式，从而达到分相的目的。图2.4.6八跨锚段关节式电分相的结构示意图(顺线路方向)(单位：m)2.4.4关节式电分相的布置方式两个五跨绝缘锚段关节衔接方式有多种型式。从电力机车高速受流角度看，分相绝缘装置中性区长度越短越好。兰州交通大学毕业论文8图2.4.2的布置方式要求在中间一根支柱上安装三支接触悬挂或增加一根支柱(石桥一临颖分相当时改造时即是如此，哈大线则设置了两根钢柱)，结构稍显复杂;图2.4.4的布置方式则要求在中间一根支柱上同时做两个方向的下锚，这样的安装方式工程上需做特殊处理;图2.4.5的安装方式显然中性区段过长，当然，这样布置的原因可能也是为了满足有多个受电弓的电动车组使用，如两个受电弓间距小于225m，则不需要降下一个受电弓通过;图6的布置方式克服其他3种方式结构上的不足，中性区长度只比图4增加30-40m左右的一跨，即可满足安装的要求。综合上述考虑，建议双五跨关节式电分相按照图6方式布置。2.4.5关于关节式电分相中性区长度的确定按照图2.4.3的布置方式,不考虑受电弓的抬升量，中性区的长度等于支柱3与支柱4的跨中到支柱7与支柱8的跨中的距离，该值由两个五跨锚段关节的转换跨距确定。规范指出，在相同速度下，既有线提速的曲线半径略小于新线建设的标准。新线建设规定，最高速度为120km/h时曲线半径最小一般为1200m，困难时800m，既有线提速时也为800m。由于曲线半径越大，允许通过的速度越高，因此，为统一跨距的设计，可按照曲线半径为800m进行120km/h以上接触网绝缘五跨的转换跨距设计。按照接触网设计原理，转换跨距的大小主要由满足跨中接触线位置在最大风偏时不超过受电弓允许的最大拉出值及误差确定。最大风偏则可由接触线张力和跨距、支柱挠度、风载体形系数、风速、接触线直径计算而来。国内几条电化线路800m曲线半径的绝缘转换选用跨距情况如表2.4.1。兰州交通大学毕业论文9表2.4.1国内电气化铁路800米曲线半径的绝缘转换选用跨距情况从表中可以看出，尽管各条线路设计最大风速、接触悬挂类型不