关于规范接触网关节式电分相设计的建议

关于规范接触网关节式电分相设计的建议一、前言分相绝缘装置(简称电分相，下同)是25Kv50HZ电气化铁路实现相与相之间电气隔离必不缺少的设备。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、五跨等双绝缘锚段关节组成的气隙绝缘结构（简称关节式电分相，下同）。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，在速度不太高的情况（140km/h以下）下能基本满足弓网关系要求，大大减少了施工和维修难度，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，器件式电分相的硬点大成为困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1所示）。据调查，这类故障在京广、哈大等线已采用空气间隙1空气间隙2图1、两个受电弓同时短接电分相两个空气间隙示意图接触网有两台受电弓的升弓运行的列车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。本文就关节式电分相存在的问题进行分析，对电分相的设计及运行管理提出建议，供参考。二、目前采用的关节式电分相存在的主要问题关节式电分相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、四跨和五跨三种形式，跨距长度不同，两个关节的衔接布置也有多种方式，造成目前存在四跨、五跨、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—图7）。在运行中存在如下弊端：1、由于关节式电分相由两处空气绝缘间隙实现电气绝缘，电力机车及所连挂的车辆多弓运行时，任何两个受电弓间距必须限制。否则，就可能造成两个受电弓滑板同时搭接在两个空气间隙引起接触网相间短路。关节式电分相的空间结构没有相对统一的标准，会给电力机车的运行和运输组织增加难度。2、由于我国《电力牵引供电设计规范》目前对关节式电分相没有统一的0.5图2、哈大线双三跨关节式电分相示意图（四跨）0.5图3、法国东北干线双三跨关节式电分相示意图（五跨）0.5不小于140m200±15m图4、前苏联双三跨关节式电分相示意图（七跨）74m35m35m0.5设计标准，各设计部门的认识也不一样，因此，同样的线路条件，不同的设计部门就会做出不同的设计方案，不利于规范管理，也给以后的接触网运营和检修工作造成一定的困难。3、理论和运行经验都表明，受空气动力的影响，机车在高速运动过程中降下受电弓后再升起是很危险的，运行中应尽量避免。国外关节式电分相有满足电力机车单弓运行和电动车组多弓运行方式之分，目前国内还仅是单弓取流，将来是否研制或引进多弓运行的电动车组还不能确定（国外电动车组图5、京广线石桥-临颍双五跨关节式分相示意图（八跨）~10m0.5~10m无电区全长140(m)图7、哈大线双五跨关节式电分相示意图（十跨）0.5~10m~10mab~35+a+b(m)~50m0.5~10m270m单位：m图6、哈大线双五跨关节式电分相示意图（九跨，实际长度有差异）图8、马德里--塞维利亚双五跨关节式电分相示意图（十二跨）225m470m支柱1支柱2支柱3支柱4支柱5支柱6支柱7支柱8支柱9支柱10中性区160m运行概况见表一）。随着列车提速后该种分相的大量采用，若不提前对多弓运行的受电弓间距或者对电动车组受电弓数量车提出要求使二者相匹配，将给高速电气化铁路的发展带来麻烦。表一国外电动车组运行概况4、电力机车运行的各种情况中，两台及以上电力机车同时牵引的重联机车、有动力回送电力机车（电力机车附挂运行）、使用中部或后部电力机车推进的运行列车及同时升弓运行的电力机车与其牵引的接触网检测车，在通过关节式电分相时都可能引起接触网相间短路。然而，目前铁道部的各种规程中都还没有预防此类故障发生的规定。电力机车运用管理人员及乘务员的认识还局限于只要每台电力机车不升双弓、断电就能安全通过电分相。这将成为采用关节式电分相电气化铁路运行安全的极大隐患。2003年初铁道部提出了我国铁路跨越式发展思路“2003~2007年，京沪、京广、京哈、京九、陇海、浙赣、胶济等有条件的干线，提速客车最高运行时速达到200公里，并逐步向其他干线扩展，扩大提速范围”。我国也正计划建设高速客运专线。可以说，无论是新线建设还是既有线改造，都将大量采用关节式电分相装置，规范统一该设备的设计已迫在眉睫。三、关于关节式和杆件式电分相选用条件根据郑州局多年来的接触网动态检测结果，同样的接触悬挂方式，同样的运行速度，杆件式电分相的硬点平均为接触网的3—6倍，而且运行速度越高，硬点差值越大。据统计，同样一组器件式电分相，当速度为120km/h、140km/h、160km/h时，其硬点分别约为30g、60g、110g，而铁道部规定是≤50g(见铁路开通日期供电型式每列车受电弓数速度（km/h）日本新干线1964AC60Hz,25kV3、6或8210和240法国TGV东南线1981AC50Hz,25kV1或2270法国TGV大西洋线1989AC50Hz,25kV1或2300意大利国铁1988DC3000V2或4文献5)。可以说，当运行速度超过120km/h时，器件式电分相是很难满足安全运行的。法国电气化铁路部门认为，运行速度为60km/h及以下时，可采用绝缘件作为电分段，当运行速度超过60km/h时，就要采用锚段关节式空气间隙绝缘方式（见文献1）。根据运行经验，靠加强维修和调整来减小器件式电分相的硬点是很困难的，即使耗费大量的人力和物力，效果也难以令人满意。器件式电分相严重恶化弓网关系，其接头线夹处接触线磨耗很快，有机绝缘杆件运行环境恶劣容易发生事故，故应尽量减少使用。建议比照法国标准结合我国实际，新线建设，时速为120km以上的线路采用关节式电分相。四、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。正常状态下，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，重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450-500mm）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--8‰）大于五跨（2—4‰），也远大于接触线坡度不宜大于3‰的标准（文献9），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。五、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方式（如图5—图8）。从电力机车高速受流角度，分相绝缘装置中性区长度越短越好。图5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—临颍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7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8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三种方式结构上的不足，中性区长度只比图四增加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。六、关于关节式电分相中性区长度的确定按照图6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。文献5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二。表二国内电气化铁路800m曲线半径的绝缘转换选用跨距情况线别接触线类型接触线张力(kN)最大风速(m/s)绝缘关节转换跨距选用值(计算值)(m)哈大Ris100103024-42103524-40京郑CTHA120132540(53.84)广深CTHA120133040(47.10)郑武CT110102245(56.18)从表二中可以看出，尽管各条线路设计最大风速、接触悬挂类型不同，绝缘关节转换跨距选用值却相差不多。由于电分相最密时约20km才有一处，一处分相增加一根支柱定位，投资增加很少，因此为简单起见，曲线半径为800m以上的曲线包括直线处设置的绝缘锚段关节转换跨距完全可以用800m曲线半径时的跨距选用值代替。根据表二，可统一五跨绝缘锚段关节转换跨距为40m。支柱5和支柱6间距取40m。由此，关节式电分相的中性区长度可确定为40/2+40+40+40+40/2=160(m)。七、关于关节式电分相对受电弓间距的限制如前所述，由于关节式电分相靠两个空气绝缘间隙实现相间绝缘，故必须对具有两个及两个以上受电弓升弓运行的列车的受电弓间距限制。该限制距离由两个关节布置方式、机车受电弓动态抬升量及两相间电压差值大小确定。考虑到测量误差等因素，可以确定关节式电分相处对受电弓间距的限制为：在50—270m范围内禁止有两台受电弓升弓运行。现场可增加重联机车降、升弓标志，以提醒乘务人员在通过分相绝缘装置时除断开机车主断路器外，还要通知后方机车司机降下不能满足距离要求受电弓。《铁道技术管理规程》中有相应的鸣笛通知办法，这里不再赘述。八、对国内电气化铁路关节式电分相设计和运行管理的建议综上所述，为规范双五跨锚段关节分相绝缘装置的设计和运行管理，建议如下：1、新线建设或改造，时速为120km以上的线路采用关节式电分相。2、关节式电分相可统一为双五跨绝缘锚段关节（九跨）型