城市轨道交通弓网系统的受流性能评估

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

城市轨道交通接触网大多采用直流750 V、1.5 kV的电压制式[1]，与干线铁路多以单相交流25 kV的电压制式相比有所区别，而且城市轨道交通受电弓与接触网系统有架空柔性接触网、架空刚性接触网两种形式。

城市轨道交通弓网系统的受流性能是影响城市轨道交通列车供电可靠性和供电质量的关键因素。评估城市轨道交通弓网系统受流性能需要通过测量一些参数并进行计算，检测既有城市轨道交通弓网接触特性可作为评估弓网受流性能的方法，同时也是一种检测局部缺陷的途径，以便消除缺陷[2]。

针对弓网系统受流性能标准的研究，李会杰[3]建议目前可暂时采用EN系列标准统一国内设计参数；陈绚[4]根据弓网自身特点，提出弓网间的接触力等几个弓网受流性能指标；方岩[5]详细地介绍欧洲弓网系统的标准体系。鉴于国内尚无形成统一的城市轨道交通弓网受流性能标准，故本研究提出一种城市轨道交通弓网系统的评估方法。

1　城市轨道交通弓网系统的受流性能

受多种因素的影响，如受电弓的振动、城市轨道交通列车的振动以及隧道风等，弓网系统会产生复杂的振动，该振动为随机振动，只能用数理统计的方法进行研究。

受电弓与接触网属于两个相互独立的振动子系统，这两部分有各自的固有频率，通过弓网接触力耦合在一起。当接触力过大时，势必对接触线产生较大的抬升量，在定位器附近或两支接触悬挂交叉处这种过大的抬升量可能使受电弓与城市轨道交通接触网的金具产生冲突，诱发弓网故障。另外，较大的接触压力，加大弓网间的摩擦磨损，长期运行，也容易诱发弓网故障。当接触力为零时，弓网离线，会产生稳定的电弧，电弧对接触线或受电弓滑板有可能造成烧伤，减低接触线或受电弓滑板强大，也会诱发弓网故障。为了避免这些故障，必须对弓网接触力、接触线抬升量加以限制。

评估弓网受流性能的核心指标为弓网接触力，接触线的抬升是弓网接触力作用在接触线上的效果，也是评价弓网受流性能的指标之一[6]。弓网接触力的变化受多因素影响，除了弓网几何参数，还受弓网材料参数、外部环境因素的影响，故弓网接触力是一个随机分布的函数，只能以概率统计的方法进行分析。

弓网接触力是表征弓网受流性能的核心参数，其大小范围必须保持在一定限度内，标准EN50119[7]对城市轨道交通弓网接触力做了相关规定，见表1所示。

EN50119要求直流电气化铁道上的在小于200 km/h时，上限值规定为300 N；在大于200 km/h时，上限值规定为400 N。城市轨道交通交通的运行速度一般都控制在200 km/h以内，故城市轨道弓网接触力动态范围应为0～300 N。

EN50367给出城市轨道交通弓网接触力的目标曲线，见图1[8]。图1中只给出直流1.5 kV的接触力目标曲线，并未给出750 V的接触力目标曲线，这一点须引起注意。

表1　EN50119规定的接触力动态范围

图1　EN50367规定的接触力目标曲线

2　城市轨道交通弓网受流性能参数的获取

弓网接触力和接触线的抬升量需要定量评价弓网受流系能，这种定量的获取，需要一定的方法或者途径。获取城市轨道交通弓网受流性能参数一般可通过两种途径得到，一种是弓网仿真，一种是弓网测量。

对弓网系统的受流性能进行计算机仿真，既能证明弓网系统中各种参数的作用，又能对不同弓网系统的动态相互作用性能进行评估与对比。测量既有弓网系统的受流性能参数可作为评估弓网系统性能的一个方法，也可作为一种对弓网系统进行技术诊断的途径。

弓网仿真须通过EN50318确认，弓网测量须通过EN50317[9]确认，具体内容见相关标准。

3　城市轨道交通弓网受流性能评估方法

城市轨道交通弓网仿真可以得到弓网的接触力与接触线抬升量两个参量，但测量弓网受流性能，除了可测量得到弓网接触力和接触线的抬升，另外还可以通过测量弓网电弧的办法得到弓网离线的数据，间接反映出弓网的受流性能。

弓网接触力属于正态分布，这样就可以分析这种分布的特征值，来评估弓网接触力的优劣。一般，正态分布的均值和标准差是最简单也是最有效的反映该分布的特征值。

算术平均值

标准偏差

式中xi——接触压力采样值；

n——接触压力样本数量。

这两个特征值之间的关系见图2。

图2　接触力动态范围

图2中68.3%的接触力在Fm-s和Fm+s之间；95.5%的接触力在Fm-2s和Fm+2s之间；99.7%的接触力在Fm-3s和Fm+3s之间。

考虑大部分接触力在3s以内，故城市轨道交通弓网接触力的评估方法为：平均接触力Fm减去3倍标准偏差s应当为正值(Fm-3s>0)，平均接触力Fm加上3倍标准偏差s不应超过最大值(Fm+3s≤Fmax)。

另外，根据欧洲标准EN 50367，如果平均接触力Fm乘以0.3大于标准偏差s，即0.3Fm>s，表明弓网接触质量良好。

利用弓网接触力的均值和标准差来评价一段城市轨道交通弓网受流性能的好坏，首先可以假设接触网的参数不变的情况下，比较不同的受电弓，在相同的速度等级下，测试其弓网接触力，均值较平稳，标准差较小的受电弓，说明与该段接触网的匹配最好；接着对比不同速度等级下的弓网接触力，弓网接触力的标准差的变化越平稳，说明针对不同速度的弓网均得到很好的受流。

若在弓网接触力测试时，发现有接触力参数异常值，比如最大值超过动态范围的值，须查明原因，避免弓网故障，可能的原因有接触网的零部件松脱落等。所以城市轨道交通弓网系统须定期进行弓网检测，通过采集的数据，对弓网受流性能的指标进行评估，发现并及时调整维修策略。

EN50367针对接触线抬升的测量提出了相关要求。EN50119中规定非限位式接触线定位装置结构的抬升量至少应是接触线定位点处抬升计算值或仿真值的2倍，限位式则是1.5倍。但对于刚性接触网，标准并未给出接触线抬升量的评价指标，还有待进一步完善。

EN50367中还给出弓网燃弧的测量要求。弓网燃弧是一个间接反映弓网受流性能的指标，这是由于弓网燃弧都是由于接触力为零时产生的，由于城市轨道交通多数地铁与地下运行，弓网燃弧现象观察尤为方便，故通过测量弓网燃弧率，从一个侧面能反映出该段接触网的弓网关系。

燃弧率的计算公式

式中tarc——持续大于5 ms的电弧持续时间；

ttotal——测量电流超过30%标称电流的时间。

燃弧率并不能代表弓网受流性能，偏大的接触力会导致燃弧率降低，但偏大的接触力对弓网磨耗是一个不利因素。燃弧率的测量须结合弓网接触力或接触网、受电弓的参数进行综合判断，才能真实反映城市轨道交通弓网受流性能。

4　结论

通过以上分析，得出测量弓网接触力、接触线抬升量和弓网燃弧是评估城市轨道交通弓网受流性能最合适的选择。其中弓网接触力的均值和标准差、定位点或两支接触悬挂交叉点处的接触线抬升量是评估城市轨道交通弓网受流性能的最有效指标，可通过弓网仿真或弓网测量得到。测量弓网燃弧率是能够间接反映城市轨道交通弓网受流性能的一个手段。

[1]于松伟.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008

[2]李岚.高速弓网系统动态性能的评估方法[C]∥高速铁路接触网系统新技术研讨会论文集.北京：中国铁道学会电气化委员会，2010

[3]李会杰.弓网受流标准制定的几个问题探讨[J].电气化铁道，2005(3):71-77

[4]陈绚.高速受流质量标准的探讨[J].机车电传动，2000(1):40-43

[5]方岩.欧洲高速铁路弓网系统标准体系[J].中国铁路，2010(10):67-70

[6]吴树伟.客运专线弓网关系及武广客运专线弓网受流分析[J].铁道标准设计，2011(3)：98-102.

[7]EN50119: Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S]. Brussels: CENELEC， 2001.

[8]EN50367: Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantographs and overhead line[S]. Brussels: CENELEC， 2006

[9]EN50317: Railway applications-Current collection systems-Requirement for and validation of the dynamic interaction between pantograph and overhead line[S]， Brussels: CENELEC， 2002