接触网舞动成因及防舞技术探讨

孙国政 中国铁路上海局集团有限公司合肥供电段

1 引言

近年来，我国电气化铁路飞速发展，据统计截至2019年，中国铁路营业总里程超过13 万公里，规模居世界第二，其中电气化铁道占67%，位居世界第一；高速铁路里程近3万公里，位居世界第一。全国铁路不仅完成了全面电气化的转变，更实现了从常速向高速的跨越。接触网作为电力机车电能的来源，是电气化铁路系统的重要组成部分。保障接触网系统的安全稳定运行，对铁路运输安全至关重要。

舞动与普通的导线振动有所不同，它是导线在某一特定风速条件下发生的一种低频率(0.1 Hz～3 Hz)、长时间、大振幅(约为导线直径5～300 倍)的自激振动现象。接触网系统在大振幅的长时间的振动作用下，不仅有可能因绝缘距离不足而放电，还会对支持结构造成严重的损害，对运输安全造成重大威胁。例如2011 年洛襄线某段接触网发生剧烈舞动，接触网上下振幅约500 mm，水平振幅约200 mm，使得该段接触网大规模严重损毁，导致两辆列车停运，对运输安全造成了严重影响。

2 接触网舞动成因

舞动现象发生的内在原因较为复杂，一方面接触网在覆冰情况下导线的截面形状被表面的冰改变，通常会形成椭圆、扇形或新月等形状，这会改变导线原始的气动特性；另一方面覆冰还改变了导线整体质心的位置，使其偏离弹性中心，使导线发生惯性耦合失稳。到目前为止对接触网舞动的机理研究以邓哈托判定（垂直激发理论）和尼格尔判定（扭转振动理论）为主要的覆冰导线发生舞动的判断依据。

邓哈托指出覆冰输电线在强风中会发生低频率、大振幅的舞动现象，这种现象与高频率小振幅的微风振动现象有着本质上的不同，并且证明了舞动是由气动力不稳定性所引起邓哈托通过集中质量法将大跨度单导线简化为单自由度集中质量模型，建立了如下的气动力方程：

在上述气动力方程中，系统的阻尼由机械振动的机械阻尼和气动阻尼构成，系统总阻尼

根据邓哈托理论，结构在总阻尼小于0 时振动的能量无法耗散，会发生气动失稳从而产生舞动，当δCL/δα+CD<0时结构总阻尼有小于0 的可能，这是舞动产生的必要条件，但是不能作为充分条件，因为总阻尼项d中机械阻尼大小不明确，因而无法确定总阻尼是否小于0。式中m为单位长度导线的质量，ζy为接触网的竖向阻尼，ky为接触网的竖向刚度，ωy为接触网竖向振动的圆频率；y、和分别为接触网竖向振动的位移、速度和加速度；ρ为空气密度，U为水平方向上的风速，D为导线的参考直径；CL、CD分别为导线气动升力系数和阻力系数；α为偏心覆冰导线迎风攻角，d为系统总阻尼。

尼格尔利用风洞试验测试了导线在覆冰时的静态和动态气动特性，通过对测试结果的研究发现邓哈托判定中低估了振动中粘性阻尼的作用。随后尼格尔又提出了另一个关于覆冰导线舞动理论，即扭转振动理论。该理论指出：当气动力矩曲线的斜率小于零时，系统才会存在扭转失稳的可能性，且这种扭转失稳会导致垂向舞动的发生。从以上的研究可以看出，舞动是一种多因素导致的多维度的气动失稳现象，形成机理较为复杂。

3 接触网在线监测系统

由于现有的舞动理论的计算模型通常建立在单自由度振动方程的基础之上，大幅简化了实际的结构形式及振动情况，并不能准确的对接触网舞动现象进行定量分析和预测，对于接触网舞动实际的形成和发展的机理还有一些尚不明确的部分，因此通过一些手段对接触网设备的运行状况进行实时监测，及时的在初期发现舞动和覆冰等有可能引起舞动的因素，在对接触网设备造成危害前及时采取停电封锁等行动，做好准备措施，是目前应对接触网舞动灾害的最有效的办法之一。

现有接触网监测装置多采用图像检测法和电子设备检测法，通常需要动检车或运营车辆作为搭载平台，仅在部分特殊区段有地面监测装置。受搭载平台的制约，各运行部门在没有列车通过时无法对接触网的运行情况进行实时监测，及时掌握接触网设备的状况，接触网如果在夜间或列车运行间隙发生覆冰或舞动，将对后续列车的运行造成安全隐患。由于接触网运行里程长，电磁干扰大，需要采用一种无需电源供电和能抵抗强大电磁干扰的系统对接触网设备的运行状态进行监测。

光纤光栅监测系统采用光纤Bragg 光栅传感器作为主要元件，光纤Bragg 光栅利用了光纤的光敏特性，在光纤纤芯形成周期性折射率分布，使得纤芯内形成一个窄带的反射滤波，将待测量的特定波长反射回来，光纤Bragg 光栅反射波的中心波长与光纤的有效折射率和光栅周期的乘积成正比，当外界的力或者温度改变时光纤的有效折射率和光栅周期将发生改变，我们通过测量反射波的中心波长的偏移量就能得到所需测得的物理量。通过在接触网下锚处安装光纤Bragg 光栅传感器，可以远程实时监测接触线和承力索轴力和弯矩的实时变化情况。当接触网发生舞动时，接触线和承力索的轴力会随着振动的周期发生周期性的大幅改变，当系统检测到接触线和承力索的轴力有大幅度低频变化时发出报警，从而及时发现舞动的发生。通过分析力学特性和边界条件，将承力索与接触线简化为两端简支的欧拉-伯努利梁，覆冰后由于线索上线索内的弯矩会发生变化，通过对弯矩进行测量可以反应接触网的覆冰情况。在及时的人工干预下，可以最大限度地减小舞动和覆冰对接触网设备和行车安全的威胁。

光纤Bragg 光栅传感器无需单独工作电源供电，由解调仪发射传输信号的激光源，具有很强的抗电磁干扰和绝缘能力，使其在工作时可以抵抗外界强大的电压和电磁干扰，无需平台搭载，可对异常情况及时反馈，十分适合作为接触网实时在线监测系统使用。

4 结束语

本文对电气化铁路舞动的危害和成因进行了详细阐述，介绍了目前主流的两种舞动理论。由于气动失稳问题的复杂性，舞动问题很难从设计上预防，实时准确的监测就成了保护设备安全，为各部门采取措施提供依据的重要手段。光纤光栅监测系统的各项特性为接触网的在线监测提供了可能，有助于预防和减弱舞动及覆冰对设备安全稳定运行的影响。