埃塞俄比亞電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)方案研究

代伯壽

0 引言

埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴不但是埃塞俄比亞的政治中心，也是非洲統(tǒng)一組織總部所在地，在非洲事務(wù)中居于重要地位。SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路是亞的斯亞貝巴—吉布提鐵路項(xiàng)目的首段，是埃塞俄比亞首條待建電氣化鐵路。

由于埃塞俄比亞國家以農(nóng)牧業(yè)為主，工業(yè)相對落后，又是首條電氣化鐵路，無既有經(jīng)驗(yàn)可循，并且當(dāng)?shù)貙﹄姎饣F路研究較少，可借鑒的資料也較少，因此弓網(wǎng)系統(tǒng)方案研究尤為重要。本文根據(jù)埃塞俄比亞國情和電氣化鐵路建設(shè)具體工況要求，參照中國電氣化鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)方案的研究，擬為該段電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)方案的確定提供建設(shè)性意見。

1 工程概況

規(guī)劃中的埃塞俄比亞首條電氣化鐵路（首段）西起亞的斯亞貝巴西南方向的SEBETA，向東經(jīng)過AKAKI、BISHOFTU、MOJO、ADAMA、METEHARA、AWASH 至 MIESO，線路長度328.96 km，全線共設(shè)8 座車站，其中SEBETA—ADAMA 段為雙線電氣化鐵路，ADAMA—MIESO段為單線電氣化鐵路，接觸網(wǎng)共554.63 條km。

SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)為單相工頻（50 Hz）、25 kV 交流制，采用帶回流線的直接供電方式。接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓為AC 25 kV，最高工作電壓為AC 27.5 kV，短時(shí)最高電壓為AC 29 kV。牽引變電所的輸入電壓為AC 132 kV（最高工作電壓為AC 145 kV），輸出電壓為AC 27.5 kV（最高電壓為31.5 kV）。

鐵路線路的限制坡度為9‰，加力坡為18.5‰；最小曲線半徑不低于800 m?？蛙嚥捎? 臺HXD3B型電力機(jī)車牽引，貨車采用雙臺HXD3B 型電力機(jī)車牽引。全線采用半自動閉塞。設(shè)計(jì)最高時(shí)速為120 km。線路環(huán)境條件見表1。

表1 線路環(huán)境條件一覽表

2 弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

由受電弓與接觸網(wǎng)組成的系統(tǒng)（以下稱弓網(wǎng)系統(tǒng)）的基本功能是將電能從牽引變電所傳送至電力機(jī)車。弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工過程就是將幾何特性、動態(tài)特性、材料匹配特性、電接觸特性等弓網(wǎng)相互作用技術(shù)要求具體應(yīng)用于一個弓網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建過程，這一過程包括弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接觸網(wǎng)施工設(shè)計(jì)、接觸網(wǎng)施工安裝、接觸網(wǎng)靜態(tài)驗(yàn)收以及弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)評估等環(huán)節(jié)，如圖1 所示。弓網(wǎng)相互作用技術(shù)規(guī)范為承包商提供了一定的靈活性，便于開發(fā)和創(chuàng)建一個符合用戶需求的弓網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 構(gòu)建一個弓網(wǎng)系統(tǒng)的過程框圖

弓網(wǎng)系統(tǒng)是受電弓和接觸網(wǎng)2 個子系統(tǒng)的組合，運(yùn)行可靠性、接觸質(zhì)量和運(yùn)行壽命依賴于2 個子系統(tǒng)的特性與匹配程度。在一定的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下，確定一個與既定受電弓特性相匹配的、兼容的架空接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案是弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)又稱為初步設(shè)計(jì)。

電力機(jī)車的受電弓從接觸網(wǎng)上取流，需要兼顧弓網(wǎng)之間的幾何、電氣、動態(tài)、接口材料、環(huán)境和運(yùn)營維護(hù)等需求，電氣化鐵路應(yīng)以此為目標(biāo)，確定弓網(wǎng)系統(tǒng)的基本原則[1]。

2.1 幾何需求

受電弓的工作范圍及弓頭的幾何外形是確定接觸線空間位置的重要依據(jù)。受電弓與接觸網(wǎng)相互作用的基本要求是：接觸線在充當(dāng)配電線路的同時(shí)又是受電弓的滑道，只有接觸線不離開受電弓的工作范圍和弓頭的工作范圍才能使弓網(wǎng)系統(tǒng)順利運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)受電弓沿接觸線滑行是最重要的。

接觸線在空間的橫向位置是相對于弓頭的中心線而言的，而軌道上方的接觸線高度則依據(jù)鐵路、受電弓的有效工作范圍和使用現(xiàn)場的具體情況確定。為使受電弓沿接觸線平穩(wěn)滑行，接觸線高度最小設(shè)計(jì)值、最大設(shè)計(jì)值以及接觸線允許坡度的取值都非常重要。

為實(shí)現(xiàn)滑板和接觸線的良好接觸并降低磨耗，接觸線必須沿受電弓中心線周期性地往復(fù)運(yùn)動。在直線區(qū)段，定位點(diǎn)處接觸線相對于受電弓中心線的橫向偏移量稱為“之”字值；在曲線區(qū)段，定位點(diǎn)處接觸線相對于受電弓中心線的橫向偏移量稱為拉出值?！爸弊种岛屠鲋悼山y(tǒng)稱為拉出值。

所有作用于接觸網(wǎng)上的荷載必須由支柱和基礎(chǔ)承擔(dān)，并將所有荷載傳遞給大地。接觸網(wǎng)部件的變形，如支柱彎曲或振動等，都不應(yīng)影響電力機(jī)車所需電能的可靠傳輸。

任何情況下，受電弓經(jīng)過接觸網(wǎng)中性段時(shí)都不應(yīng)導(dǎo)致不同相位的接觸網(wǎng)發(fā)生短路。埃塞俄比亞SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路擬參照中國電氣化鐵路受電弓標(biāo)準(zhǔn)[2]，弓頭幾何外形如圖2 所示。

圖2 中國鐵路使用受電弓的弓頭幾何外形圖

2.2 電氣需求

電力機(jī)車所需電能的傳輸依賴弓網(wǎng)系統(tǒng)，對于車內(nèi)的輔助設(shè)施、生活設(shè)施的固定用電和牽引車輛運(yùn)行的移動用電，其電能傳輸都應(yīng)安全可靠。

電能通過弓網(wǎng)接觸點(diǎn)進(jìn)行傳輸，較小的接觸面積是電流路徑上的主要障礙。在所有架空接觸網(wǎng)設(shè)施的損壞中，有相當(dāng)比例是因?yàn)榛迮c接觸線的不良電接觸帶來的短期熱效應(yīng)造成的，在車輛靜止不動、緩慢移動且取流較大、或滑板磨損嚴(yán)重及損壞時(shí)都有可能發(fā)生。

連續(xù)送電時(shí)沒有大的電壓降或電流損失，就意味著受電弓與接觸網(wǎng)必須維持一定的機(jī)械接觸。如果失去機(jī)械接觸，受電弓就會離線。如果離線間隙有電流通過，電弧也就伴隨離線產(chǎn)生。電弧對環(huán)境產(chǎn)生影響，引起干擾，并加大弓網(wǎng)系統(tǒng)磨損，但卻能維持電力機(jī)車取流的連續(xù)性，這對移動接觸能量的傳輸非常重要。如果受電弓與接觸網(wǎng)的離線間隙過大，維持牽引電流傳輸?shù)碾娀∠缍辉購?fù)燃，電力機(jī)車就會因牽引電流的中斷而失去動力。

連鎖藥店承接基層醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)藥房職能可行性的調(diào)查分析 ……………………………………………… 周梅梅等（19）：2699

弓網(wǎng)系統(tǒng)的電接觸特性具備靜態(tài)、滑動及可分合電接觸的所有特性，靜態(tài)電接觸的主要特性是接觸溫升，滑動電接觸的主要特性是摩擦磨損與潤滑，可分合電接觸的主要特性是弓網(wǎng)燃弧[3]。弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的溫度應(yīng)滿足TB/T2809-2005 的規(guī)定，短時(shí)不能超過150℃，長時(shí)不能超過90℃[4]。

2.3 動態(tài)需求

弓網(wǎng)集流的過程是通過升起的受電弓與接觸網(wǎng)接觸實(shí)現(xiàn)的，評價(jià)弓網(wǎng)動態(tài)性能的主要參數(shù)是弓網(wǎng)接觸壓力（或燃弧率）與接觸線的抬升。

在受電弓與接觸網(wǎng)組成的彈性系統(tǒng)中，運(yùn)行中的受電弓激勵接觸網(wǎng)振動，振動沿接觸線傳播會產(chǎn)生反射，反射波遇到移動的受電弓會使弓網(wǎng)振動幅度增大，放大后的振動導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力產(chǎn)生增量，受電弓又會把這一增量產(chǎn)生的動能傳導(dǎo)至接觸網(wǎng)，接觸線的抬升會進(jìn)一步增加。受電弓與接觸網(wǎng)的這種動態(tài)相互作用與受電弓的運(yùn)行速度密切相關(guān)。隨著受電弓運(yùn)行速度的提高，空氣動力也會對其產(chǎn)生一定的影響。

弓網(wǎng)接觸壓力過大，弓網(wǎng)機(jī)械摩擦顯著；弓網(wǎng)接觸壓力過小，電氣損耗顯著。這意味著，為保證弓網(wǎng)系統(tǒng)有較長的運(yùn)行壽命，維持恰當(dāng)?shù)墓W(wǎng)接觸壓力至關(guān)重要。

根據(jù)EN50119 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，200 km/h 以下線路的弓網(wǎng)接觸壓力不應(yīng)超過300 N，200 km/h 以上線路的弓網(wǎng)接觸壓力不應(yīng)超過350 N，2 種情況下接觸壓力的下限值都應(yīng)大于零[5]。表2 所示。

表2 EN50119 規(guī)定的接觸壓力動態(tài)范圍一覽表

電力機(jī)車運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)接觸壓力與接觸線的抬升是不斷變化的。弓網(wǎng)接觸壓力和接觸線抬升是受電弓和接觸網(wǎng)兩個振動子系統(tǒng)動態(tài)耦合的結(jié)果，能夠用來評估受電弓和接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量。

2.4 接口材料匹配需求

由于銅和銅合金有較高的導(dǎo)電性、較大的強(qiáng)度和硬度、能承受較大溫度變化和較強(qiáng)的抗腐蝕能力，硬拉電解銅和銅合金已經(jīng)成為全球使用最廣泛的接觸線材料。

制作受電弓滑板的材料通常為鋼、銅合金、純碳和浸金屬碳，這些材料與接觸線的相互作用原理有明顯的不同。碳具有光滑的表面，沒有任何粗糙成分磨損接觸線；銅和鋼形成的粗糙表面類似于一把細(xì)銼，這種粗糙表面的研磨作用會使滑板和接觸線出現(xiàn)快速磨損。

碳滑板已被證明特別適用于匹配銅及銅合金接觸線。碳滑板的自潤滑性能及耐電弧性能較好，能滿足高速弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)需求和延長弓網(wǎng)系統(tǒng)使用壽命的要求，但碳滑板導(dǎo)電性能較差，需要提防電氣列車停車時(shí)的靜態(tài)接觸溫升引起接觸線局部溫度超過允許限度的危險(xiǎn)。另外，碳滑板在受到機(jī)械碰撞時(shí)容易破碎，為避免碳滑板受損后的受電弓繼續(xù)運(yùn)行，高速受電弓通常安裝自動降弓裝置（ADD—Auto Dropping Device），一旦滑板破損斷裂，ADD 可快速降下受電弓，盡可能縮小弓網(wǎng)事故范圍。

金屬滑板比同樣體積的碳滑板要重很多，對受電弓的動態(tài)性能帶來不利影響。SEBETA—MIESO段電氣化鐵路受電弓滑板材料應(yīng)為純碳或浸金屬碳，接觸線應(yīng)為銅或銅合金材料。

3 弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案建議

鑒于埃塞俄比亞SEBETA—MIESO 段電氣化鐵路根據(jù)其國情并參照中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案建議如下：

（1）受電弓的弓頭輪廓采用與中國鐵路受電弓的弓頭輪廓相同標(biāo)準(zhǔn)，符合UIC608 附件4a 之規(guī)定，弓頭總長度為1 950 mm，接觸網(wǎng)的相關(guān)幾何參數(shù)均遵循該弓頭輪廓的要求。

（2）電力機(jī)車停車時(shí)，弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的溫度應(yīng)滿足TB/T2809-2005 規(guī)定，短時(shí)不能超過150℃，長時(shí)不能超過90℃。

（3）電力機(jī)車的最高速度為120 km/h，弓網(wǎng)接觸壓力應(yīng)大于0，最大不超過300 N。

（4）在接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓為AC 25 kV 情況下，受電弓滑板應(yīng)選純碳或浸金屬碳材料，接觸線應(yīng)選銅或銅合金材料。

[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京：中國電力出版社，2004.

[2] 吳積欽，董昭德，韓峰.典型高速弓網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)分析[Z].高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)新技術(shù)研討會.中國吉林，2009.

[3] 吳積欽.受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究[D].博士學(xué)位論文.成都：西南交通大學(xué)，2009.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2809 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].北京: 中國鐵道出版社, 2005.

[5] CENELEC EN50119 Railway applications – Fixed installations – Electric traction overhead contact lines[S],Brussels: CENELEC, 2009.