铁路牵引供电系统接触网结构的防灾分析

摘 要：接触网在铁路领域的牵引供电体系中属于十分重要的一个组成部分。但在接触网中却常常由于性能特点上的原因，在实际运营时发生螺栓松动、腐蚀、磨耗、绝缘不良等方面的问题，所以必须认真分析接触网结构防灾情况。基于此，本文从铁路出发，概述了牵引供电系统与接触网结构，并且展开了相应的防灾分析。

关键词：铁路牵引;接触网结构;供电系统;防灾

信息时代下，伴随微电子工业技术的不断发展，电力铁路机车逐步实现了故障实时监测、自动遥测、驾驶等目标，同时，在牵引供电体系，也全面实现了信息化与自动化，并且大幅提升了运行效率与整体效益。但体系中的接触网却频频出现灾害问题，迫切需要分析并提出有效的改进措施，提高电机车运行的整体安全平稳性。

一、相关概述

1、铁路牵引供电系统

在铁路领域的牵引供电体系，指的是电力机车自身的牵引供电系统，其中包含变电所与牵引接触网。在牵引变电所，经由髙压输电线输送过来的三相交流电，直接变换成为与电力机车相适应的电流及电压，然后向接触网输送，并从接触网供电给机车。根据机车电流制，可以划分成直流、交流模式。其中在直流制中，接触网往往具有低电压（1500V、3000V），而且难以再提升，每间隔10？30km，在沿线上必须规划一个变电所。而在交流制中，又存在单相工、低频交流制。我国主要使用单相25kV、50Hz的工频交流制。伴随交流网压的不断提升与接触网结构的日益简化，变电所的间距也逐步扩大到30？70km。

2、接觸网

在现代铁路上，接触网就是沿钢轨“之”形结构所架设的高压输电线。在铁路工程中，接触网属于主构架，主要用于供给电力机车能量。在接触网中，导线常常用于向电力机车传输电流。所以，接触网的状态与电气铁路的整体运行直接相关。虽然接触网布置方便、受网关系好、误差要求低、稳定、散热性能优异，但是具体的作业环境却相当恶劣，在风、雨、雪、冰等种种不利天气条件的影响下，出现事故或者故障后，势必会影响到整条铁路的实际运行质量，故此防灾可靠性的分析也至关重要。

二、接触网结构体系中的防灾分析

1、创建有限元模型

按支撑悬挂体系下的结构特点，适当简化原结构，形成一个基于梁、管、杆等单元的有限元模型。在本研究中，创建接触网悬挂体系下两档间有65m跨度的模型，且以中间柱作为正定位。为了便捷地描述计算结果，就标记了各节点。同时，赋予建立单元一定的特点与实常数，并且在绝缘子及棒式支座上，通过臂腕、定位环等，来耦合设定条件，以连贯传递力、运动等。在约束边界条件方面，能全约束有限元模型中的上、下支座左端，通过承力索、接触线两端来约束固接，且控制承力索、接触线张力分别为23kN 、30kN。

2、工况载荷

（1）覆冰载荷

在导线模型中，覆冰段上的各个节点承受的力，能分解成为以下广义力：y方向（垂直方向）的力、z方向（导线径向方向）的扭转力。针对纯覆冰下单个导线段节点，具体的受力值如此：

Fy=一migl;Mz=—migl？Lcosθ

其中，l—单元导线长;L—从覆冰质心一直至导线中心之间的距离，且L=1/2D+SI，而SI—冰厚;θ—凝冰角，大小为45°;mi—单位覆冰长的质量，厚度依次为10、20、30mm，密度—900kg/m3，且mi=1/2πSI2ρ冰。在覆冰等效载荷节点力方面，可获得导线上不同节点下的载荷值。

（2）风压载荷

按伯努利方程可得风一压关系，其中风的动压P=0.5ρv2。其中，P—风压，单位kN/m2;v—风速，单位m/s;ρ—空气密度，单位kg/m3。

而ρ与重度r之间又有关系r=ρg，所以，ρ=r/g，所以得出风压标准公式P=1/2rv2/g。在标准条件下，有1.013×105Pa的气压、15℃的温度、0.01225kN/m3的空气重度。而在45°的纬度下， g=9.8m/s2，故此，P=v2/1600。

在平行于直支持架腕臂且垂直于接触线方向上，风压被等效为均布施加载荷。据风压-时间历程显示，载荷稳定值：在设计结构风速下，P1= 0.86kN/m2;在设计风偏风速下，P2= 0.56kN/m2。

3、结果与分析

（1）瞬态风灾下动力学

在风灾发生中，会形成风载荷。在求解分析中，悬挂接触网体系下的支持架D点与Q点依次对应着最大应力与最大位移的地方，且以P点具有最大的应力。在部分接触线上，105节点位置具有顺风方向下的最大位移。

（2）瞬态风、冰灾下的动力学

基于风、冰灾的共同作用，具体的受力情况属于线性叠加风、冰载荷而形成的。同时，就导线覆冰后发生的质量增大现状，并且模拟了添加单元的质量。随机选取支持架的D点与内部的上挂点P，来进行应力分析。同时，选取接触线上的节点114、115及Q下挂点，来沿方向x、y上进行位移分析。这些关键点在给定的两种风冰灾下，形成了各自的历程图。

4、防灾分析

在冰灾基础条件下，在101节点位置（与P点相距8.3m的节点）出现了最大应力值。这个应力值较小，但可以达到强度要求。然而，在形变分析环节却显示，当覆冰条件为20mm、30mm时，接触线出现了较大的形变。而最大位移值则发生在冰厚条件为30mm的情况下，具体为125mm。考虑到偏移量较大，故此在较厚覆冰的条件下，需要进行除冰，并且适当限速或者停运。

在风灾情况下，应力与位移发生的最大值均在风速为37m/s情况下出现。在支持架上，最大应力值86.9MPa，并且在斜腕臂D点出现。针对接触线，最大应力值为承力索接触直腕臂的P点，也就是12.8MPa，相应的结构强度都可以达到需要。在承力索挂柱顶点，发生了0.12mm的最大水平位移，并且满足柱顶处与线路方向垂直的水平挠度在5/100支柱高度以下的规定要求。在接触线水平上，偏移最大量324.3mm，且挠度限值均在规定范围。但是，这时发生的偏移量与330mm十分接近。所以，在这样的风速条件下，机车往往属于高危行驶，需要视情况停运机车。在同步风、冰灾的条件下，最大应力值与最大位移值均发生在冰厚为20mm、风速+30m/s的条件下，且整个支持架上的D点仍然是最大应力值的地方，具体是56.7MPa。而承力索接触直腕臂点的地方，最大应力值32.7MPa，并且可以达到强度需要。因为覆冰增大了导线质量，而最大接触线水平偏移量小于风灾30m/s下的最大值，具体是98.5mm，相应的结构刚度也能达到要求标准。

三、结语

总之，通过大力发展交通事业，极大地推动了社会经济的增长。其中的铁路部分，事关国计民生，并且影响着国内交通事业的长足发展，而相应的牵引供电系统也引起了广泛的关注。考虑到接触网结构故障灾害很常见，故此很有必要认真分析防灾问题，及时提出有效的故障防范措施，使铁路供电整体系统得以稳定、安全地运行。

参考文献：

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作者简介：

韩明新（1987—），男，青海西宁人，工程师，本科，毕业于青海大学昆仑学院，电气工程及其自动化专业，主要从事铁路电气化建设接触网工程施工工作。