接触网与受电弓

接触网与受电弓

1 概述

接触网与受电弓是一个整体，研究接触网不能抛开受电弓；研究受电弓不能抛开接触网。

为保证接触线与受电弓间的相互作用不出现故障、受电弓滑板与接触线匹配、降低弓线间的磨损，接触线的布置必须横向偏移于线路中心线。

为使接触线和受电弓滑板磨损降到最低程度，应对接触线和受电弓滑板提出要求，这些要求应在设计受电弓和接触网时予以考虑。

受电弓的作用是将电能传输到电动牵引装置上。对于辅助设施、生活设施的固定用电与牵引车辆运行的移动用电两方面来说，电力传输都应安全可靠。受电弓包括主架、臂、弓头和传动装置。

受电弓和接触网相互作用的基本要求是：由于受电弓在运行中相对于接触网作横向运动，而受电弓弓头必须总是超出接触线最不利的位置，只有在运行中接触线不离开受电弓弓头的工作范围才能使系统顺利运行。在正常运行时，接触线在滑板上的滑行是最重要的。

受电弓有上、下两个工作位置，这两个位置之间的范围便是工作范围。

1.1 接触网的要求

接触网设备必须能可靠地将电流传输给牵引车辆，机械设计尺寸一定要特别适合于运行速度。接触线是接触网的重要成份。

1.1.1 接触线

受电弓沿其行走的预张力线称为接触线，刚性接触网的接触线由于汇流排的作用，几乎无张力。

接触线起到接触滑道的作用，它保证将电能不间断地传输到车辆受电弓上。为了使受电弓滑板的磨损均匀，接触线与受电弓中心线形成交角，以之字形或S

字形布置。

由于铜或铜合金有较高的导电性、硬度及其承受温度变化和抗腐蚀的能力，硬拉电解铜和铜合金已成为全球使用的导线材料。暴露在空气中的铜的表面形成一层硬的、能导电且不会阻止电流流动的氧化层。这就是为什么铜比具有较差导电氧化层的铝来说更适合作为滑动接触材料的原因。

银（0.1%）或镁（0.5%）的合金添加剂用来进一步改善铜线的机械和热性能，从而使用较高张力的铜线。

接触线是被滑过的受电弓磨损的。此外，用于受电弓和接触线接触的材料的组合也对这些部件的磨损率有影响。铜接触线与碳滑板的组合使磨损率达到最低。钢和铜滑板会导致相当高的磨损率。由于磨损使接触线截面积减小，从而使载流量下降，并使导线的抗拉强度下降。确定是否达到磨损限度的标准是在磨损最严重的点上测量其截面积。若接触线磨损均匀则使用寿命较长，其基本要求取决于架空接触网和受电弓之间最良好的相互作用，而它是由设计、运行速度以及精确安装和充分维护来决定的。

1.2 受电弓的要求

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，受电弓必须具有一定的基本特性，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。

如下受电弓的基本要求应适用于：

——两个运行方向的平均接触压力应该相等且只随速度变化略有增加。平均接触压力应能防止燃弧，但同时应使接触线抬升量保持最小，避免对接触网设备不必要的动态冲击。

为了实现令人满意的受流质量，受电弓作用的静态接触压力以及平均空气动力接触压力应该遵循某些标准要求。

标称静态接触压力应在以下范围内： ——交流供电系统：60～90N； ——直流1.5kV供电系统：70～110N；

在直流系统中，需要改进碳滑板与接触线的接触，为避免列车停车时其附属设备运转引起接触线变热的危险，静态接触压力通常为140N。

考虑到空气动力的作用，在交流系统中，受电弓的接触压力应能在40～120N的范围内可调；在直流系统中，受电弓的接触压力应能在50～150N的范围内可调。

在列车多弓同时运行的情况下，任何受电弓的平均接触压力不应大于的规定值，因为每个单独的受电弓均应满足受流标准的要求。平均接触压力是力的平均值，因为有静态力和空气动力的作用，它相当于静态力和一定速度条件下气流作用于受电弓元件上引起的空气动态力。平均抬升力是某种车辆受电弓的参数和该受电弓的特定的研究结果，平均接触压力是受电弓弓头与接触网接触的情况下测得的压力，此时后弓不与接触网接触。为了遵守这些规定，在交流系统中，受电弓的接触压力应能在40～120N的范围内可调，在直流系统受电弓的接触压力应能在50～120N的范围内可调。

——滑板的质量应尽可能低，以便实现最佳的动态特性。

1.2.1 受电弓滑板特性

受电弓滑板为弓头的一个部分，直接与接触线滑动接触。 滑板应具有以下特性： ——电接触电阻要小； ——熔点高； ——导热性良好； ——质量小； ——抗压强度高； ——弹性好；

——与铜接触线之间的摩擦系数小。

用电极碳或用粘合剂的石墨制成的碳滑板已被证明特别适用于铜接触线。在单相交流电气化铁道采用的碳滑板的允许工作电流的上限值为每块滑板500～700A。带双滑板的受电弓的允许工作电流上限值为1400A。直流电气化铁道润滑铜受电弓滑板的容许工作电流上限值为1250A。当牵引车辆需要较大电流时，必须增加每辆车的受电弓数量。

在电动列车上，用于生活设施和辅助设备的电力需要达到？kW，该电力必须通过固定在车辆上的受电弓进行安全传送。为避免接触线熔化，静止车辆的电流必须保持在允许限度以下。

1.3 受电弓和接触网的接触压力

受电弓与接触网接触，当两者相对不动时，两者间的接触力表现为受电弓对接触网的静态抬升力，方向垂直向上。当两者相对运动时，水平方向出现摩擦力，垂直方向除受电弓的静态抬升力外，还有空气对受电弓滑板的空气动力，以及受电弓弓头上下振动引起的惯性力。

1.3.1 静态接触压力

静态接触压力控制着受电弓和接触网之间的相互作用，所以静态接触压力、空气动力接触压力和动态接触压力是可分辨的。静态接触压力是当受电弓向上运动时由滑板对接触网施加的压力，其大小可在牵引车辆上检测。为获得最稳定的工作条件，在受电弓上下运动的整个工作范围内静态接触压力应均等。事实上，由于连接处的摩擦及弹簧的伸长或缩短导致上下运动之间静态抬升力有差别。

根据TSI能量[EC/AEIF: Technical specification for interoperability. Energy subsystem. Draft 2001]，建议对受电弓采用以下静态接触压力：

AC15kV和25kV为60～90N； DC3kV为100～120N； DC1.5kV为70～110N。

1.3.2 空气动力接触压力

静态接触压力和由运行速度产生并取决于空气动力有效分力之和为空气动力接触压力。这个力垂直向上，在受电弓弓头保持静止且不与接触网接触时测得。在高速范围内，相对于速度来说，空气动力接触压力的增加相对较慢。

受电弓的空气动力阻力必须区别于空气动力接触压力。它是由与运行方向相反的风施加的。空气动力阻力主要发生在弓头上。

单臂受电弓的空气动力接触压力和阻力取决于铰链接合是引前还是拖曳。这种受电弓的设计能控制阻力和空气动力接触压力。

1.3.3 动态接触压力

根据EN50 206-1标准，空气动力接触压力和因弓网之间的相互作用形成的动态分力的总和称为动态接触压力。它主要取决于速度、架空接触网和受电弓的动态特性及其数量和间隔。它还取决于牵引车辆的运行状态和线路质量。

当接触网有变化时，如分段绝缘器那样的单个荷载会在动态接触压力中产生峰值。

对弓网之间的接触质量可通过动态接触压力来进行评估。

为避免电弧并限制接触网的抬升量和部件磨损，根据EN 50119活页规定，接触压力应为：

接触压力(N) 系统 AC AC DC DC 速度(km/h) 最小 ≤200 ＞200 ≤200 ＞200 正数 正数 正数 正数 最大 300 350 300 400 对于两种类型供电方式的铁路，其接触压力的下限值在任何情况下都应大于零。

每种接触压力分力及其关系为：

静态接触压力——因受电弓驱动，受电弓滑板施加在接触网上的力 +

空气动力分力——受电弓滑板没有与接触网接触时在滑板上测得的空气动

力阻力的垂直分力

这取决于在当前速度上的空气动力作用以及牵引装置头 部的形状

=

空气动力接触压力 +

动态接触压力分力——由弓网动态特性、轨道和牵引装置运行所引起的分力 =

动态接触压力=接触压力

1.4 受电弓与接触网的相互作用

接触网与受电弓的相互作用决定供电可靠性和供电质量，其相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及大量参数。

接触网——受电弓系统要求通过连续的，即不中断的电气和机械接触给牵引车辆供电，与此同时要使接触线和滑板的磨耗保持尽可能低的程度。

电能传输系统，特别是接触网的投资很高，期望其能达到使用寿命长、维修少的目标要求。

随着受电弓和接触网相互作用理论的研究，开发了用于评价电流传输质量的测量技术，可以限定如下三个方面：

——只评价接触网； ——只评价受电弓；

——评价接触网和受电弓这两部分的相互作用。

假设遵循有关安全规约，以期在送电时实现高质量的能量传输：

——连续送电时没有电压降或电流损失。这就意味着必须一直保持机械接触。如果失去机械接触，就会发生燃弧。电弧对环境产生影响，引起干扰并加大磨耗但却能保证电流的持续性，这对移动接触能量传输是非常重要的。如果空气间隙加大，电流中断，车辆就会因电源切断而失去牵引动力。燃弧的次数和持续的时间是评价能量传输质量的标准。

——不会发生超出允许范围内的环境干扰。燃弧产生的高频电磁波，对频率高达30MHz的调幅无线电传输产生干扰。在燃弧产生高频电磁波的同时，还产生可闻噪声，但是这种噪声基本上被一般的列车噪声所掩盖。

——不产生相关部件（接触线和受电弓）的磨耗，这种磨耗程度在经济上是不可接受的。这样的磨耗可能是由于燃弧和/或接触压力太大引起的。

——当接触压力接近零或完全失去时，会发生燃弧。相反，接触压力也不可能过大，因为这会导致接触网抬升过高并带来无法接受的磨耗。这意味着接触压力是个非限定性的物理量，根据这个物理量可以评价受电弓和接触网的相互作用。原则上，用于判断质量的物理量应满足其它一般要求：

——各自的特征量应尽可能地具有评价连续的、渐进的尺度，不仅仅只允许作“是/否”的评定，还应评价质量变化。

——应该可以测量各自的量值，并且根据模拟模型可进行事先计算，以便对测量和计算结果进行比较。

——各自量值的测量应该是再生的而且不受随机因素的影响。在同等条件下重复的测量应有同样的结果。

——必须可以在动态受电弓上测量评估量。

1.5 受电弓滑板和接触线的材料

接触线和滑板的使用寿命基本取决于： ——受电弓作用在接触线上的接触压力； ——制作受电弓和滑板的材料； ——滑板的数量和制作尺寸；

——通过接触点的电流量； ——牵引车辆的速度；

——线路处于隧道或区间的环境系数。

最后三点在设计供电系统时不能直接控制或干预，但是在选择材料和计算部件尺寸时必须给予充分考虑。

纯铜和铜合金（纯铜、银铜合金、镁铜合金等）已成为接触线的主要材料。 根据环境条件和接触对象的材料，铜会形成5～20μm厚的一氧化铜和二氧化铜，其中可能含有来自滑板材料的石墨混合填充物。这一层既导电又坚硬，它为滑动电接触提供理想的条件。

由于铝有一层不导电的坚硬的氧化层，每次在滑板经过时必须磨掉氧化层，在能量传输中产生磨损和连续燃弧。因此，铝不适合用作接触线材料。

钢、铜合金、石墨和金属碳已经用作滑板材料。这些材料与接触线的相互作用原理有明显的不同。碳和石墨带来光滑的表面，没有任何粗糙成分磨损接触线。铜和钢形成一种粗糙的表面类似于一把细锉，这种粗糙程度起的研磨作用会使接触线和滑板均迅速磨损。

金属滑板引起的接触线的磨损率几乎是碳滑板的10倍。使用金属滑板的目的是担心敏感的、易碎的碳滑板可能会在机械碰撞的条件下破碎。

表面条件和接触压力的不同还影响滑板磨损率，德国铁路碳滑板的使用寿命达到100,000km，而用在直流牵引系统的金属滑板每30,000km就必须更换。

如果碳滑板和金属滑板在同一接触线上混合运行，将形成不同的接触线表面结构，这样的选择是不明智的，会使接触线和碳滑板的磨损率明显加剧。

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