复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术及其应用

关金发，田志军，吴积钦



复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术及其应用

关金发，田志军，吴积钦

针对大风经峡谷风口、狭窄山丘、地堑路基等复杂地形后对弓网运行可靠性的影响问题，搭建了复杂地形风场下弓网运行状态模拟的技术构架，利用软件平台建立了计及复杂地形风增速效应的风-弓-网动态耦合仿真模型，计算大风经过不同地形、构筑物后对接触网、弓网系统的动态响应，实现了复杂地形风场下弓网运行状态模拟，并应用该模拟技术对某强风地区铁路线路局部区段出现电力机车无网压、接触网跳闸、接触线和保护线烧蚀问题进行了故障诊断与分析，提出解决问题的思路，以指导复杂地形大风区接触网的设计和运维。

受电弓；接触网；复杂地形；大风；运行状态；仿真

0 引言

近年来，随着全球气候变暖趋势的加快，世界范围内极端天气在强度和频率上都有所加剧，导致大风天气频发。大风经过近地表的复杂地形区域，如峡谷风口、狭窄山丘、地堑路基等，改变了气流方向，使得气流在特定方向明显增速，加剧大风对铁路固定设备的冲击，易引起弓网间燃弧拉弧、打弓钻弓、烧损受电弓和接触网，导致断线塌网、受电弓无法正常取流，造成复杂地形风场下行车供电安全问题突出，严重威胁铁路的运行安全。因此，开展复杂地形风场下弓网运行状态研究十分必要。

国内外已有不少有关风对接触网、弓网系统影响的研究。文献[1～5]从隧道、挡风墙等铁路自身构筑物的角度，利用数值仿真手段研究了大风经过不同构筑物后对接触网、弓网系统的影响；文献[6]从高桥、路堤等铁路自身构筑物的角度，利用风洞试验手段研究了大风经过不同构筑物后对接触网的影响；文献[7～10]利用数值仿真手段研究了不同风速、风向对弓网动态性能的影响。综合以上分析，现有研究尚未考虑外部复杂地形引起的大风风速、风向变化，而地形的差异造成不同区段接触网的风致形变不同，会直接影响弓网运行质量。

为解决复杂地形风场下弓网可靠稳定受流问题，需利用数值仿真手段，建立计及复杂地形风增速效应的风-弓-网动态耦合仿真模型，模拟不同复杂地形均匀和脉动风作用下的弓网运行状态，探明风、地形与接触网、弓网动态相互作用的规律。

1 复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术

复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术主要由不同来流风速的复杂地形三维流体动力学计算和计及接触网上部风场的风-弓-网弹性动力学计算2部分组成。第1部分针对地形对风的影响问题，第2部分针对风对弓网的影响问题。

复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术构架如图1所示。首先根据气象资料和线路勘察资料，确定铁路线路的大风区段及有可能造成风增速效应的地形区段，筛选复杂地形有可能受到大风影响的接触网区域。根据不同的数据来源获取研究区域的数字高程模型，即地形的经纬度和高度信息。通过一定技术手段重建复杂地形的三维风场模型，获取不同区段的接触网上部风速风向。根据接触网的设计风速和结构风速，利用TB10009[11]给出的风速与接触网线索和结构单位面积的风载荷计算公式进行接触网风载荷计算。结合接触网有限元模型，进行风载荷的单位节点力等效与积分时间步加载。建立脉动风载荷和受电弓共同作用下的接触网动态耦合仿真模型。输入接触网设计风速、结构风速及受电弓运行参数，获取弓网动态性能参数，如接触力、弓头垂向位移、定位点抬升等，以及接触网零部件受力状态，如结构位移、载荷、应力应变等。

图1 模拟技术构架

复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术依托一系列软件平台实现，如图2所示。从SRTM和GSCloud得到的高程数据量较大，需要对研究区域的数据进行提取与处理，以获得精确的三维地理信息（需要利用Global Mapper地图绘制软件）。数字高程模型为一组三维云点数据，需要三维重建生成实体模型，才能进行下一步的风场计算（需要利用Imageware点云处理与曲面编辑软件）。利用Fluent流场计算软件，进一步建立三维实体风场模型。最后利用Ansys有限元计算软件，建立风-弓-网动力耦合仿真模型，得到最终的计及复杂地形风增速效应的接触网、弓网动态响应。

图2 模拟过程利用的计算机软件

利用以上分析软件，模拟技术各层次生成的主要数学模型及输出结果如图3所示。其中接触网上部风场获取是模拟分析的关键环节，获取途径有：（1）利用气象局提供的平均风速风向资料，获得复杂地形下接触网上部的均匀风速风向变化规律，进一步利用风功率密度谱模拟随机来流风源，获得复杂地形下接触网上部的脉动风速风向变化规律；（2）利用长期实测的随机风速风向数据，获得复杂地形下接触网上部的脉动风速风向变化规律。

另外，复杂地形风场模型中，可以增加隧道、挡风墙等构筑物，进一步精细化接触网上部风场的分析结果。

图3 模拟技术构架各层次的分析模型及主要输出结果

利用复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术，可预测某复杂地形区段风场下弓网动态性能参数和接触网零部件受力状态，评估弓网运行质量，获取该区段弓网可靠运行的极限风速条件数据，提出改善弓网动态受流的有效措施，指导复杂地形大风区接触网的设计和运维。

2 模拟技术应用—故障诊断与分析

以下针对现场出现的风-弓-网故障问题，应用复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术，剖析故障原因，提出故障解决措施。

2.1 故障问题及调研

某强风地区铁路线路局部区段出现电力机车无网压、接触网跳闸、接触线和保护线烧蚀问题。该问题2年内发生了十多起，故障区段长度为6 km，故障点分散性强。经现场调研，发现电力机车无网压、接触网跳闸故障时的风力等级一般为十一级及以上，列车运行速度为40～80 km/h，故障点处的接触线底面和背风面沿受电弓前进方向均出现一段小范围的放电、烧蚀痕迹，严重处需加装接触线接头线夹进行补强处理。某些接触线故障点处的对应外侧保护线也出现表面烧蚀痕迹。观察接触网故障现场附近地形（图4），发现故障点现场周围存在比接触网稍高的山丘，属于地堑路段，且故障位置均出现在山丘的边坡，远离山丘侧的一支接触网。进一步结合该区段常年主风向，观察该故障点现场附近整体的地形，如图5所示，发现主风向与山丘走向基本平行。通过以上分析，该区段接触网故障问题与当地风速、地形的相关性较强。

图4 接触网故障现场附近地形

图5 接触网故障现场附近地形整体鸟瞰图

经进一步调研发现，该区段均为曲线，接触网的拉出值布置与直线区段有一定区别，拉出值均为正定位或反定位。风作用于接触网直线区段与曲线区段引起的零部件受力及位移有一定区别。

2.2 接触网上部风场模拟

以图5所示的某一故障点现场附近地形为例，按照复杂地形风场下弓网运行状态模拟分析步骤，首先建立该点附近的数字高程模型。故障位置发生在东经43.134063°、北纬91.444702°附近，利用精度为90 m的SRTM数据，建立该故障点周围2 km的地形三维风场模型，如图6所示。风场模型中监测4个等接触线高度的点，其中测点1、3靠近山丘侧，测点2、4远离山丘侧，测点3、4位于山丘边坡等高位置。

图6 接触网故障现场附近地形三维风场模型

结合发生故障时当地的风力等级以及接触网基本设计风速条件，风场的来流平均风速为30 m/s，利用复杂地形风场模型进行均匀风稳态计算，得到接触线高度切面的风速风向分布及测点1～4的风速风向稳态值，如图7—10所示。

图7 接触线高度切面的横向风速分布

图8 接触线高度切面的竖向风速分布

图9 测点1～4的横向风速变化

图10 测点1～4的竖向风速变化

观察图7、图8，风经过山丘边坡对风速有增加作用，比来流风速增加2 m/s，山丘边坡及边坡外边缘的风速最大，山丘正后方风速较小，且与来流风方向相反；风经过山丘后会产生接触网竖直方向上的风分量，对接触悬挂有抬升和下压2种作用力，山丘边坡处下压，山丘正后方抬升，对远离山丘一侧的接触悬挂影响明显。

观察图9、图10，测点1、2的横向风速最后数值比测点3、4大得多，说明山丘正后方接触线高度上的风速较小。测点4横向风速比测点3稍大，说明风经过山丘顶部下来对远离山丘的接触网影响稍大。测点1、3均比测点2、4风速小，说明远离山丘一侧的接触网受到竖直风影响较明显。

综合以上分析，地形地貌改变了来流风的风向和风速，导致山丘附近接触网连续几跨受到不同的风向和风速作用，在远离山丘一侧的接触网尤为明显。接触网连续不同跨受到不同的风速风向作用，与单一风向作用的风速变化规律显然不同。

利用风功率密度谱模拟来流平均风速为30 m/s的脉动风，通过风场计算，得到远离山丘侧接触线高度的风速变化数据，如图11所示。

图11 测点2的脉动风速变化

2.3 风载荷与受电弓共同作用下接触网运行状态模拟

根据表1接触网设计参数建立故障点的接触网仿真模型，如图12所示。第2.2节分析结果表明山丘正后方的风速变化较小，山丘边坡以及风口的风速变化较大。

表1 故障点的接触网设计参数

图12 接触网的有限元仿真模型

与该线路接触网配合使用的是DSA200型受电弓，假定运行速度为80 km/h。将2.2节求得的接触网上部脉动风载荷和受电弓同时作用于接触网上，得到弓网动态性能参数曲线，如图13所示。

图13 接触力和弓头垂向位移曲线

当受电弓运行在山丘正后方时，受电弓的弓头运行平稳，且弓网接触力集中；当受电弓运行在山丘边坡时，受电弓的弓头垂向位移、接触力波动很大，最小接触力为14 N；而后受电弓离开山丘边坡，弓头振幅和接触力振幅有所减小。通过以上分析可知，受电弓运行在不同风载荷作用下，接触网的弓网动态性能有很大差异，在山丘边坡位置的受电弓跟随性最差，易造成弓网离线、燃弧。该分析结果充分论证了关于故障点位置和故障原因的分析。

2.4 故障原因分析

综合以上分析，某强风地区铁路线路局部区段出现机车失电、接触线烧蚀等问题属于大风经复杂地形后引起的风-弓-网三者动态匹配问题，初步分析其原因为在曲线线路下行的接触网受到地堑区段山丘后方不同风速风向作用，连续几个跨距的接触网风致振动情况不一致，受电弓经过振动响应不同的连续接触网，影响受电弓的跟随性，弓网出现离线燃弧，引起接触线烧蚀，严重时燃弧可能与PW线或机车车顶接通，造成接触线对地短路，引发接触网跳闸、机车失电等问题。

2.5 故障解决思路

结合故障原因分析，提出以下解决思路：

（1）由于出现问题的地点均在曲线区段，因此，可通过研究相同风场下不同接触网拉出值布置的接触悬挂风致振动响应和弓网动态性能，从接触网平面布置角度提出问题的解决措施。

（2）调整接触网线索线型、张力组合、吊弦布置等技术参数，研究相同风场下不同接触网技术参数的接触悬挂风致振动响应和弓网动态性能，从接触网系统角度提出问题的解决措施。

（3）通过在山丘边坡加装挡风墙，改变风经过山丘后的风场，研究不同风场下的接触悬挂风致振动响应和弓网动态性能，从外部环境条件角度提出问题的解决措施。

制定具体措施时应对比调整接触网的平面布置、技术参数或加装挡风墙的技术可行性和经济性，确定最终解决问题的具体措施。

3 结语

通过搭建复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术的构架，利用Global Mapper、Imageware、Fluent和Ansys等软件平台，建立计及复杂地形风增速效应的风-弓-网动态耦合仿真模型，计算大风经过不同地形、构筑物后对接触网、弓网系统的动态响应，实现了复杂地形风场下弓网运行状态的模拟。

应用复杂地形风场下弓网运行状态模拟技术，对某强风地区铁路线路局部区段出现电力机车无网压、接触网跳闸、接触线和保护线烧蚀问题进行了故障诊断与分析，并提出了解决问题的思路，对复杂地形大风区接触网的设计和运维具有一定指导作用。

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With regard to the issues influencing the pantograph-catenary operation reliability caused by the strong wind running through complex landform of the canyon tuyere, narrow hills and graben subgrade, establish the technical structure for pantograph-catenary operation status simulation in wind field under complex landform, establish the wind-pantograph-catenary dynamic coupling simulation model with consideration of wind acceleration effect under complex landform by means of software platform, calculate the response to the overhead contact line and pantograph-catenary system by the strong wind passing through different landforms, buildings and structures, realize the simulation of pantograph-catenary operation under complex landform, carry out the fault diagnosis and analysis for issues of non-voltage network foe electric locomotive, tripping of overhead contact line, burning of contact wire and protection wires at local section along the railway line at some strong wind region by this simulation technology, put forward the line of thinking for solving the problems, so as to guide the design and operation maintenance of overhead contact line in strong wind field under complex landform.

Pantograph; overhead contact line; complex landform; strong wind; operation status; simulation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.011

U225.1

A

1007-936X(2018)06-0046-05

2018-09-10

关金发.中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处，博士后；

田志军.中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处，教授级高级工程师；

吴积钦.西南交通大学电气工程学院，教授。