接触网腕臂与绝缘子之间的受力分析

余香山

（杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司，杭州 310017）

0 引言

接触网是铁路上为车辆直接供电的设备，其中绝缘子作为接触网中25 kV高压带电设备与接地设备间的绝缘设备，由于处在露天环境下，受外界环境如雷、雨、雪、雾、霾等影响，容易被击穿或者发生闪络，是接触网的薄弱设备，经常需要更换，才能确保不发生跳闸，从而维持接触网设备的稳定。

2018 年7月13日，某局某供电段接触网工区在沪昆线利用轨道车进行接触网施工作业，更换受损的斜腕臂绝缘子，施工造成延点1 h 26 min，影响4列货车在不同站停车。经原因分析，主要为作业人员在组织拆、装接触网非支斜腕臂绝缘子（俗称“棒瓶”）过程中，没有充分考虑并卸载非支接触线转角下锚的水平负载，在使用撑杆卸载承力索垂直负载后强行将斜腕臂从旧棒瓶铁锚压板内抽出后再更换新棒瓶。新换棒瓶一端与腕臂底座固定后，另一端无法与斜腕臂顺利对接，原因是斜腕臂在接触线水平力与腕臂支撑管支撑力共同作用下出现垂直方向偏移。

行业内针对立柱系统、绝缘子抗弯、钢柱杆件等情况进行了分析研究［1-6］，缺乏对腕臂与绝缘子之间受力情况的数据计算，作业人员常常凭借自身工作经验直接在作业现场进行施工。由于作业人员自身业务水平有高低之分，加上瓷棒式绝缘子重达几十kg，因此作业现场经常容易出现异常状况。

1 现场支柱选取

接触网腕臂与绝缘子之间的受力存在受拉、受压以及临界状态3种情况。斜腕臂与绝缘子之间只存在受压一种情况，因此只需要对线索进行卸载就可以对绝缘子进行更换，方法较为简单。然而平腕臂与绝缘子之间存在以上3 种情况，其中最难更换的当属受压状态。

本次针对极限条件下平腕臂与绝缘子之间的受压状态进行受力分析，经对合福高速线（时速300 km/h）管辖范围内近1 万根支柱进行粗略比对发现，位于某区间下行线的1721#支柱较为符合极限条件，如图1 ～2 所示。该支柱的支柱类型为GHT240B/9.5，位于五跨非绝缘锚段关节，为曲内、闭口侧转换柱，非支拉出值设计值为-800 mm，曲线半径为8 000 m，外轨超高为100 mm，线路坡度为-11.516 8‰。

图1 1721#支柱现场情况

图2 1721#支柱非支在五跨锚段关节中所处位置

2 受力分析

通过对1721#支柱进行受力分析［7-8］，掌握平腕臂与绝缘子之间的受力情况以及大小。

平腕臂与绝缘子之间的力主要来源于3 点：（1）承力索座位置的水平负载P承；（2）承力索座位置的垂直负载Qg；（3）定位环位置的水平负载P接。

2.1 承力索座位置水平负载P承

忽略风负载，承力索座位置的水平负载可分为以下两点。

（1）曲线形成的水平分力PR

曲线形成的水平分力PR如图3所示。曲线半径R ＝8 000 m；跨距L1＝45.5 m；跨距L2＝48.7 m；承力索张力T ＝23 kN。其中T3为下锚侧承力索张力在跨距方向的分力，由于T3与T 之间的夹角非常小，可近似认为T3≈T，将左侧T与右侧T3在水平面内（近似）沿着腕臂方向分解为T1、T2，与腕臂方向垂直的分解力几乎相等，可以相互抵消。

图3 承力索座位置曲线形成的水平分力受力分析

由图3可知，T与T1构成的三角形、R 与L1/2构成的三角形为相似三角形，可得：

同理：

可得：

（2）之字值形成的水平分力P之

将定位点两侧的张力沿着腕臂方向合成为P之，此为之字值形成的水平分力，两侧之字值的计算方法类似于计算下锚转角，其中H型钢柱宽度为400 mm。由此可得出：

推算出承力索座位置水平负载为：

2.2 承力索座位置垂直负载Qg

忽略覆冰负载，承力索座位置垂直负载包括定位点两侧各近半跨的承力索、接触线力以及弹性吊索、吊弦、电连接以及相关线夹的自重，已知CTMH150 接触线单位长度自重为1.35 kg/m，长度为47.1 m，共计63.59 kg；JTMH120 承力索单位长度自重为1.065 kg/m，长度为47.1 m，共计为50.16 kg；TJR10吊弦单位长度自重为0.089 kg/m，长度为7.993 m，共计为0.711 kg；TJR95 电连接单位长度自重为0.845 5 kg/m，长度为5.964 m，共计为5.04 kg；相关线夹自重粗略估算共计为8 kg。推算出承力索座位置垂直负载为：

2.3 定位环位置水平负载P接

忽略风负载，把定位管支撑和两端套管单耳以及定位环看成一个整体，假设这个整体上受的力都集中在定位环这一个点上，定位环位置的水平负载可分为以下两点。

（1）曲线形成的水平分力PR

定位环位置的垂直负载可忽略，只考虑水平负载，接触线张力为28.5 kN，计算方法同上：

（2）之字值形成的水平分力P之

将定位点两侧的张力沿着腕臂方向合成为P之，此为之字值形成的水平分力，两侧之字值的计算方法类似于计算下锚转角。由此可得出：

推算出定位环位置水平负载为：

3 力的合成

将上述3项负载进行合成，如图4 所示，最终算出套筒座位置沿平腕臂方向的力，即为平腕臂与绝缘子之间的压力。

3.1 计算P接传递到套筒座的力P3

将P接分解为P1、P2，P2作用于腕臂底座，沿着支柱传到大地被抵消，剩下P1，求P1之前先计算sinα的值（支柱与斜腕臂之间的夹角为角度α）。

图4 受力分析1

已知上下底座间距为1 800 mm，平腕臂长度为1 855 mm，斜腕臂长度为1 788 mm，瓷棒式绝缘子长度为800 mm，平腕臂端部距套筒座为500 mm，可以得出：

定位环与铁锚压板之间的距离为600 mm，根据力矩平衡原理：

3.2 求P3、P承、Qg 在套筒座位置上的合力P

将P承、Qg的力合成为P4，P4与Qg之间的夹角为角度φ，如图4所示；P4与平腕臂之间的夹角为角度γ，如图5所示，求得P4大小以及sinφ、sinγ为：

图5 受力分析2

将P4分解为沿着平腕臂方向的P5、垂直平腕臂方向的P6，如图5所示，算出其大小为：

通过力矩平衡原理，将P5、P6转移到套筒座上，P5大小不变，计算P6转移后的P7，如图6所示，则：

图6 受力分析3

将P3分解为沿着平腕臂方向的P8、垂直平腕臂方向的P9，如图6所示，算出其大小为：

可以求出合力P，以及合力P与平腕臂之间的夹角θ，如图6所示，则：

3.3 计算压力大小P10

将合力P沿着平腕臂和斜腕臂分别分解为P10和P11，如图7所示，则：

图7 受力分析4

4 结果及对策

（1）经计算得出平腕臂与绝缘子之间的压力P10为3 540 N，因此想要更换该非支平腕臂绝缘子，只能借助外力将平腕臂从绝缘子中抽出，可借助另外一行接触设备，如在上行支柱顶部与下行承力索座位置使用链条葫芦对压力进行卸载。

（2）可以通过研制和使用新产品，如绝缘子更换器等设备，熟练掌握新产品使用方法，进而提高作业效率。

（3）在有条件的情况下，积极开展具有针对性的岗位练兵工作，逐步提高作业人员的技能水平。

5 结束语

本文通过对现场设备实际情况进行粗略测算，对几乎最为恶劣的作业环境进行受力分析，提出相应对策，以便作业人员制定绝缘子更换方案时可以充分考虑，并携带相对应的更换工器具，对铁路及城市轨道交通接触网运营管理均具有一定的借鉴意义。