埃塞俄比亚电气化铁路弓网系统方案研究

2014-03-13代伯寿

电气化铁道 2014年2期

代伯寿

0 引言

埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴不但是埃塞俄比亚的政治中心，也是非洲统一组织总部所在地，在非洲事务中居于重要地位。SEBETA—MIESO 段电气化铁路是亚的斯亚贝巴—吉布提铁路项目的首段，是埃塞俄比亚首条待建电气化铁路。

由于埃塞俄比亚国家以农牧业为主，工业相对落后，又是首条电气化铁路，无既有经验可循，并且当地对电气化铁路研究较少，可借鉴的资料也较少，因此弓网系统方案研究尤为重要。本文根据埃塞俄比亚国情和电气化铁路建设具体工况要求，参照中国电气化铁路技术标准进行弓网系统方案的研究，拟为该段电气化铁路弓网系统方案的确定提供建设性意见。

1 工程概况

规划中的埃塞俄比亚首条电气化铁路（首段）西起亚的斯亚贝巴西南方向的SEBETA，向东经过AKAKI、BISHOFTU、MOJO、ADAMA、METEHARA、AWASH 至 MIESO，线路长度328.96 km，全线共设8 座车站，其中SEBETA—ADAMA 段为双线电气化铁路，ADAMA—MIESO段为单线电气化铁路，接触网共554.63 条km。

SEBETA—MIESO 段电气化铁路的牵引供电系统为单相工频（50 Hz）、25 kV 交流制，采用带回流线的直接供电方式。接触网标称电压为AC 25 kV，最高工作电压为AC 27.5 kV，短时最高电压为AC 29 kV。牵引变电所的输入电压为AC 132 kV（最高工作电压为AC 145 kV），输出电压为AC 27.5 kV（最高电压为31.5 kV）。

铁路线路的限制坡度为9‰，加力坡为18.5‰；最小曲线半径不低于800 m。客车采用1 台HXD3B型电力机车牵引，货车采用双台HXD3B 型电力机车牵引。全线采用半自动闭塞。设计最高时速为120 km。线路环境条件见表1。

表1 线路环境条件一览表

2 弓网系统设计原则

由受电弓与接触网组成的系统（以下称弓网系统）的基本功能是将电能从牵引变电所传送至电力机车。弓网系统的设计与施工过程就是将几何特性、动态特性、材料匹配特性、电接触特性等弓网相互作用技术要求具体应用于一个弓网系统的构建过程，这一过程包括弓网系统设计、接触网施工设计、接触网施工安装、接触网静态验收以及弓网系统动态评估等环节，如图1 所示。弓网相互作用技术规范为承包商提供了一定的灵活性，便于开发和创建一个符合用户需求的弓网系统。

图1 构建一个弓网系统的过程框图

弓网系统是受电弓和接触网2 个子系统的组合，运行可靠性、接触质量和运行寿命依赖于2 个子系统的特性与匹配程度。在一定的经济、技术条件下，确定一个与既定受电弓特性相匹配的、兼容的架空接触网设计方案是弓网系统设计的主要内容。弓网系统设计又称为初步设计。

电力机车的受电弓从接触网上取流，需要兼顾弓网之间的几何、电气、动态、接口材料、环境和运营维护等需求，电气化铁路应以此为目标，确定弓网系统的基本原则[1]。

2.1 几何需求

受电弓的工作范围及弓头的几何外形是确定接触线空间位置的重要依据。受电弓与接触网相互作用的基本要求是：接触线在充当配电线路的同时又是受电弓的滑道，只有接触线不离开受电弓的工作范围和弓头的工作范围才能使弓网系统顺利运行。正常运行时受电弓沿接触线滑行是最重要的。

接触线在空间的横向位置是相对于弓头的中心线而言的，而轨道上方的接触线高度则依据铁路、受电弓的有效工作范围和使用现场的具体情况确定。为使受电弓沿接触线平稳滑行，接触线高度最小设计值、最大设计值以及接触线允许坡度的取值都非常重要。

为实现滑板和接触线的良好接触并降低磨耗，接触线必须沿受电弓中心线周期性地往复运动。在直线区段，定位点处接触线相对于受电弓中心线的横向偏移量称为“之”字值；在曲线区段，定位点处接触线相对于受电弓中心线的横向偏移量称为拉出值。“之”字值和拉出值可统称为拉出值。

所有作用于接触网上的荷载必须由支柱和基础承担，并将所有荷载传递给大地。接触网部件的变形，如支柱弯曲或振动等，都不应影响电力机车所需电能的可靠传输。

任何情况下，受电弓经过接触网中性段时都不应导致不同相位的接触网发生短路。埃塞俄比亚SEBETA—MIESO 段电气化铁路拟参照中国电气化铁路受电弓标准[2]，弓头几何外形如图2 所示。

图2 中国铁路使用受电弓的弓头几何外形图

2.2 电气需求

电力机车所需电能的传输依赖弓网系统，对于车内的辅助设施、生活设施的固定用电和牵引车辆运行的移动用电，其电能传输都应安全可靠。

电能通过弓网接触点进行传输，较小的接触面积是电流路径上的主要障碍。在所有架空接触网设施的损坏中，有相当比例是因为滑板与接触线的不良电接触带来的短期热效应造成的，在车辆静止不动、缓慢移动且取流较大、或滑板磨损严重及损坏时都有可能发生。

连续送电时没有大的电压降或电流损失，就意味着受电弓与接触网必须维持一定的机械接触。如果失去机械接触，受电弓就会离线。如果离线间隙有电流通过，电弧也就伴随离线产生。电弧对环境产生影响，引起干扰，并加大弓网系统磨损，但却能维持电力机车取流的连续性，这对移动接触能量的传输非常重要。如果受电弓与接触网的离线间隙过大，维持牵引电流传输的电弧熄灭而不再复燃，电力机车就会因牵引电流的中断而失去动力。

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弓网系统的电接触特性具备静态、滑动及可分合电接触的所有特性，静态电接触的主要特性是接触温升，滑动电接触的主要特性是摩擦磨损与润滑，可分合电接触的主要特性是弓网燃弧[3]。弓网接触点的温度应满足TB/T2809-2005 的规定，短时不能超过150℃，长时不能超过90℃[4]。

2.3 动态需求

弓网集流的过程是通过升起的受电弓与接触网接触实现的，评价弓网动态性能的主要参数是弓网接触压力（或燃弧率）与接触线的抬升。

在受电弓与接触网组成的弹性系统中，运行中的受电弓激励接触网振动，振动沿接触线传播会产生反射，反射波遇到移动的受电弓会使弓网振动幅度增大，放大后的振动导致弓网接触压力产生增量，受电弓又会把这一增量产生的动能传导至接触网，接触线的抬升会进一步增加。受电弓与接触网的这种动态相互作用与受电弓的运行速度密切相关。随着受电弓运行速度的提高，空气动力也会对其产生一定的影响。

弓网接触压力过大，弓网机械摩擦显著；弓网接触压力过小，电气损耗显著。这意味着，为保证弓网系统有较长的运行寿命，维持恰当的弓网接触压力至关重要。

根据EN50119 标准规定，200 km/h 以下线路的弓网接触压力不应超过300 N，200 km/h 以上线路的弓网接触压力不应超过350 N，2 种情况下接触压力的下限值都应大于零[5]。表2 所示。

表2 EN50119 规定的接触压力动态范围一览表

电力机车运行过程中，弓网接触压力与接触线的抬升是不断变化的。弓网接触压力和接触线抬升是受电弓和接触网两个振动子系统动态耦合的结果，能够用来评估受电弓和接触网的接触质量。

2.4 接口材料匹配需求

由于铜和铜合金有较高的导电性、较大的强度和硬度、能承受较大温度变化和较强的抗腐蚀能力，硬拉电解铜和铜合金已经成为全球使用最广泛的接触线材料。

制作受电弓滑板的材料通常为钢、铜合金、纯碳和浸金属碳，这些材料与接触线的相互作用原理有明显的不同。碳具有光滑的表面，没有任何粗糙成分磨损接触线；铜和钢形成的粗糙表面类似于一把细锉，这种粗糙表面的研磨作用会使滑板和接触线出现快速磨损。

碳滑板已被证明特别适用于匹配铜及铜合金接触线。碳滑板的自润滑性能及耐电弧性能较好，能满足高速弓网系统动态需求和延长弓网系统使用寿命的要求，但碳滑板导电性能较差，需要提防电气列车停车时的静态接触温升引起接触线局部温度超过允许限度的危险。另外，碳滑板在受到机械碰撞时容易破碎，为避免碳滑板受损后的受电弓继续运行，高速受电弓通常安装自动降弓装置（ADD—Auto Dropping Device），一旦滑板破损断裂，ADD 可快速降下受电弓，尽可能缩小弓网事故范围。

金属滑板比同样体积的碳滑板要重很多，对受电弓的动态性能带来不利影响。SEBETA—MIESO段电气化铁路受电弓滑板材料应为纯碳或浸金属碳，接触线应为铜或铜合金材料。