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接触网系统舞动影响因素与防舞措施研究 蒋锡健 接触网 55 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.012 接触网系统舞动影响因素与防舞措施研究 蒋锡健 摘 要：接触网覆冰导线受风激励会产生舞动，加剧设备损坏，影响列车安全运行。通过建立接触网及其附加导线的有限元模型，并根据风洞试验得到的气动力系数计算接触网的空气动力荷载；在不同工况下对附加导线和接触网进行仿真。研究结果表明：覆冰厚度对舞动影响较小；风速越大，舞动程度越大且增幅越大；风攻角越大，舞动程度越小，且风攻角在 90150时舞动程度降低得更加明显。通过对比多种防舞方案，确定了最佳方案，并对防舞效果进行评估。关键词：接触网舞动；风速；风攻角；防舞措施 Abstract:The iced conductors of OCS will induce galloping under the wind excitation,accelerating the equipment damage and affecting the safe operation of the train.By establishing the finite element models of OCS and its additional wires,and on the basis of the obtained aerodynamic load of OCS calculated by the aerodynamic coefficient obtained from the wind tunnel test,the simulation on additional wires and OCS is made under different conditions.The results of studies indicate that the thickness of ice cover has a small impact on galloping;the higher the wind speed,the greater the degree and amplitude of the galloping;the larger the wind attack angle,the smaller the degree of the galloping,and the degree of the galloping decreases more significantly when the wind attack angle is between 90 and 150.By comparing multiple anti-galloping schemes,the most optimized scheme is determined and the anti-galloping effect is evaluated.Key words:galloping of OCS;wind speed;wind attack angle;anti-galloping measures 中图分类号：U225.7 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2023)03-0055-05 0 引言 接触网是电气化铁路中供列车取流的高压输电设施，主要由接触线、吊弦、承力索、附加导线等组成。接触网舞动是非对称覆冰导线受风激励产生的一种低频率、大振幅的自激振动1。接触网舞动会导致线材振动幅度加大而加剧接触网设备的机械损坏，给维修带来极大的困难；并且常引发弓网故障，导致电力机车受电弓不能正常取流，甚至造成断线、短路、跳闸而中断供电，严重威胁电力机车的安全运行2。接触网舞动机理复杂多样，最具代表性的有垂直舞动机理3、扭转舞动机理4-5、偏心惯性耦合失稳机理6-8等，防舞措施有压重防舞器、失谐摆、相间间隔棒、扰流防舞器等。本文选用的扰流防舞器是一种缠绕在导线上的扰流绳，扰流绳与导线的合成体各截面彼此不同，即使覆冰后也是如此，各 作者简介：蒋锡健.中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师。课题项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研发计划项目“接触网防舞动措施研究”（2020K076）。截面所受的空气动力因互不相同而相互抵消，从而达到抑制舞动的目的。由于扰流防舞器通常采用轻质材料制作，导线自重增加很小（空气动力阻尼器会大大增加导线所受的气动力荷载）。因此，扰流防舞器相对于压重、失谐摆及空气动力阻尼器等防舞措施，是一种经济、有效的防舞措施。接触网舞动仿真试验可采用真实线路观测、风洞试验、数值模拟试验等。真实线路观测试验成本高；风洞试验受限于导线覆冰形式各异9-11，研究缺乏统一的理论模型12；基于有限元的数值模拟法可精确求解覆冰导线的舞动响应，且不受外界条件限制13。本文采用基于有限元的数值模拟方法对接触网及附加导线进行建模仿真，并分析舞动响应。在接触网各组成部件中，由接触线、吊弦和承力索组成的接触网悬挂装置以及附加导线是发生舞动的主要部件，本文将分别对其舞动进行仿真，并提出防舞方案。现有针对接触网舞动的研究中，评价指标较单一，主要将振幅作为评价指标，本文在此基础上增加最大位移值和能量有效值两个评价指标，使评估更加完整；针对仿真过程中考虑因接触网 电气化铁道 2023年第3期 56 素过少，难以覆盖接触网舞动的各种工况，本文根据覆冰厚度、风速、风攻角等因素的不同分别进行仿真模拟，研究多种工况下接触网的舞动情况，提出多种防舞方案，适应不同地域气候和线路安装要求，并通过仿真验证防舞效果，得到最佳防舞方案。1 接触网有限元建模 1.1 线路参数 接触线的导线类型为 CTS120，承力索的导线类型为 JTMM120，附加导线中加强线的导线类型为 JL/LB1A-315-45/7，回 流 线 的 导 线 类 型 为JL/LB1A-200-26/7，其材料参数如表 1 所示。表 1 接触网材料参数 线索名称 横截面积/mm2 弹性模量/MPa 单位质量/(kg m-1)承力索 120 130 000 1.065 接触线 120 130 000 1.082 加强线 331 69 000 0.996 4 回流线 223 69 000 0.737 2 1.2 有限元模型 运用 Ansys 有限元分析软件建立线路有限元模型，包括腕臂、简单链形悬挂结构。整体为三跨结构模型，其中第一跨为不加防舞器的模型，其余两跨为加装两种不同防舞器的模型。接触线和承力索均采用 LINK180 单元模拟，通过建立弹簧单元模拟吊弦，每根吊弦的刚度和质量如表 2 所示；用完全固定的支座模拟每跨两端的腕臂；覆冰质量的模拟通过增大对应导线的密度实现。加强线和回流线也采用 LINK180 单元模拟，采用与接触网悬挂装置模型相同的方式模拟导线覆冰情况。表 2 吊弦刚度和质量 吊弦号 刚度/(106 N m-1)质量/kg 1 1.3 1.6 2 1.7 1.4 3 1.7 1.2 4 1.9 1.0 5 1.7 1.2 6 1.7 1.4 7 1.3 1.6 接触悬挂及附加导线的有限元模型如图 1 所示。承力索吊弦接触线绝缘子附加导线 图 1 接触悬挂及附加导线有限元模型 1.3 空气动力荷载计算 输电导线在风荷载的作用下，主要受到空气阻力 FD、升力 FL及扭矩 MT作用，计算式可表示为 FD,FL,MTT=U2dCD(a),CL(a),CM(a)T/2（1）式中：、U、d 分别为空气密度、风荷载、输电导线直径；Ci（i 为 D、L、M）分别为空气阻力、升力及扭矩的气动力系数，定义如下：CD=FD/(U2bL/2)（2）CL=FL/(U2bL/2)（3）CM=MT/(U2b2 L/2)（4）式中：b、L 分别为导线迎风宽度和长度。气动力系数由风洞试验测得，与输电导线覆冰形状、风攻角等因素有关。本文中气动力系数由本研究团队经过风洞试验以及长期对输电线路舞/振问题的研究得到。当输电导线覆冰形状不变时，气动力系数与风攻角的关系函数可以用 3 次曲线拟合，可表示为 Ci=bi1a+bi2a2+bi3a3 （i=D、L、M）（5）风攻角大小表示为 a=a1 a2 a3 （6）a2=Vy/U （7）a3=R/U （8）式中：Vy为输电导线运动时 Y 方向的速度；为输电导线运动时绕自身的扭转角度；a1为输电导线的初始攻角；a2为输电导线横截面沿 Y 方向对风攻角的影响；a3为输电导线自身转动的切向速度对风攻角的影响；R 为特征半径。实际作用在输电导线水平、垂直方向的风荷载计算式如下：接触网系统舞动影响因素与防舞措施研究 蒋锡健 接触网 57 FZ=FLsin(a2+a3)FDcos(a2+a3)（9）FY=FLcos(a2+a3)FDsin(a2+a3)（10）2 接触网舞动仿真分析 2.1 仿真工况与评估参数 利用接触悬挂及附加导线的有限元模型，在不采取防舞措施的情况下，研究覆冰厚度、风速及风攻角对舞动的影响。覆冰厚度取 5、10 mm，风速分别取 15、20、25 m/s，风攻角分别取 30、90、150。以接触网导线平行方向为 x 轴，统计在 y 轴和z 轴方向上的最大位移、振幅和能量有效值作为评估参数，分别表示为 ymax_y，zf_y，q_y，ymax_z，zf_z，q_z，各参数定义如图 2 所示。振幅能量有效值最大位移位移时间00 图 2 评估参数示意图 2.2 舞动仿真结果 分别对附加导线和接触悬挂进行仿真，作为附加导线的加强线和回流线材料类似，材料性质差异小，故对附加导线只进行一次仿真。（1）覆冰厚度对舞动影响。取风速为 10 m/s，比较覆冰厚度分别为 5、10 mm 时附加导线及接触悬挂舞动情况，如图 3 所示。从图中可以看出，随着覆冰厚度增加，各参数值均有所增大，y 方向上增大幅度较大，z 方向增大幅度较小。总体上覆冰厚度对附加导线及接触悬挂舞动的影响不大，随着覆冰厚度的增加，舞动幅度略有增大。10ymax_yzf_yq_yq_zymax_zzf_z5 mm覆冰(附加导线)10 mm覆冰(附加导线)5 mm覆冰(接触悬挂)10 mm覆冰(接触悬挂)图 3 覆冰厚度对舞动影响（2）风速对舞动影响。在覆冰厚度为 5、10 mm时，分析风速对舞动的影响，不同覆冰厚度时的舞动情况相近，如图 4（a）所示。随着风速增大，各参数值均有所上升。当风速从 10 m/s 增大到 20 m/s 时，各参数的增长幅度均较为平缓；当风速从20 m/s 增大到 25 m/s 时，各参数的增长幅度加大，即风速越大，舞动幅度越大，并且随着风速的增大，舞动的增长幅度越大。101520102530q_z。zf_z；ymax_z；q_y；zf_y；ymax_y；风速/(m s-1)风攻角/15090 （a）风速 （b）风攻角 图 4 风速、风攻角对舞动影响（3）风攻角对舞动影响。在覆冰厚度为 5、10 mm 时，分析风攻角对舞动的影响，如图 4（b）所示。覆冰厚度为 5 mm 时，风攻角越大，各参数值越小，舞动幅度越小；覆冰厚度为 10 mm 时，z轴方向上的最大位移值的变化趋势有很大不同，如图中虚线所示。风攻角从 30增大到 90时，各参数值变化趋势不大；当风攻角从90增大到150时，各参数值下降幅度较大，表明风攻角越大，附加导线及接触悬挂舞动的幅度越小。3 防舞方案及效果仿真分析 3.1 防舞方案设计 设计了3种安装2根防舞器的安装方案和3种安装 3 根防舞器的方案，依次命名为方案 1方案接触网 电气化铁道 2023年第3期 58 6，如图 5 所示。4.64.64.532.732.74.64.68.5（a）方案1（b）方案24.64.612.5（c）方案332.74.64.64.64.54.532.7（d）方案432.74.64.64.6（e）方案54.64.64.632.77.57.5（f）方案666导线；扰流防舞器。图 5 防舞方案（单位：m）扰流防舞器的尺寸一般取 0.5d1.0d（d 为导线直径），尺寸太小防舞器会被风雪覆盖，尺寸过大增加成本。本文选定尺寸为 0.7d，其规格如表 3所示。表 3 扰流防舞器规格 参数 加强线 回流线 接触网（承力索）长度/m 4.6 4.6 4.4 质量/kg 2 1.9 1.1 3.2 防舞方案效果仿真分析 对加有扰流防舞器区段载荷进行处理：（1）将对应区段平分为 8 段，每段风攻角逐一增加 45；（2）每段相位角逐一增加 10；（3）扰流防舞器区段的加载乘以一个系数，y 轴系数为0.2，z 轴系数为 0.5。使用加载后的有限元模型在确定的覆冰厚度条件下评估最佳防舞方案效果，随后分别变化风速和风攻角，对比第 2 节中未加防舞器时接触网舞动的仿真结果，验证方案的防舞效果。3.2.1 附加导线防舞效果分析 覆冰厚度为5 mm时附加导线的防舞方案效果如图 6 所示。可以看出，覆冰厚度为 5 mm 时，方案 4 防舞效果最好，但与方案 1 相比防舞效果提升不明显，成本和安装复杂程度更高，故采用方案 1进行仿真评估，如图 7 所示。10123645ymax_y；zf_y；q_y；ymax_z；zf_z；q_z。图 6 覆冰厚度 5 mm 时防舞方案评估 101520102530q_z。zf_z；ymax_z；q_y；zf_y；ymax_y；风速/(m s-1)风攻角/15090 图 7 附加导线防舞效果评估 对比图 4 和图 7 可得，安装防舞器后，在风速1020 m/s 时对附加导线舞动有一定抑制效果；风速 20 m/s 以上时，随着舞动增强防舞器防舞效果也大大提高。风攻角较小时附加导线的舞动更强，防舞器的防舞效果也越好。综合来看，方案 1 在覆冰厚度为 5 mm 时对附加导线防舞效果显著。覆冰厚度为10 mm时与5 mm时各方案防舞效果相近，方案 4 防舞效果最好，方案 1 效果相当，但经济性更好。在风速变化时，覆冰厚度为 10 mm 时防舞效果与 5 mm 时情况相似，风速增大，防舞效果随附加导线舞动程度的增大而增强；附加导线舞动越剧烈的风攻角区段防舞效果越好。综合来看，方案 1在覆冰厚度为10 mm时对附加导线防舞效果显著。3.2.2 接触悬挂防舞效果分析 覆冰厚度为 5 mm 时，除 zf_z 外其他参数变化不明显，故最优防舞方案主要根据 zf_z 的变化来评估，如图 6 中虚线所示，方案 1 防舞效果最好。图 8 所示为方案 1 防舞效果。风速越大，接触悬挂舞动幅度越大，防舞器防舞效果越好，尤其在风速 20 m/s 以上时防舞效果显著。在风攻角较小时，接触悬挂的舞动幅度更大，防舞器的防舞效果接触网系统舞动影响因素与防舞措施研究 蒋锡健 接触网 59 也更好。综合来看，方案 1 的防舞效果显著。10152010253090150风攻角/风速/(m s-1)q_z。zf_z；ymax_z；q_y；zf_y；ymax_y；图 8 接触悬挂防舞效果评估 覆冰厚度为 10 mm 时，各方案防舞效果与覆冰厚度 5 mm 时相近，方案 1 的防舞效果最好。4 结语 本文首先使用基于有限元的数值计算方法建立接触悬挂及附加导线的模型，并通过增加线路密度的方式建立了安装有防舞措施的接触网及其附加导线的模型。根据覆冰厚度、风速和风攻角等因素的不同，对不同工况下接触悬挂及附加导线的舞动进行了仿真，并提出了以最大位移值、振幅和能量有效值作为舞动评估参数，提高了评估结果的完整性和可靠性。本文提出了 6 种防舞方案，对接触悬挂及附加导线分别进行仿真，选出了最佳方案，并对采用最佳防舞方案的模型再次仿真，评估其防舞效果，验证了防舞方案的有效性。参考文献：1 郭应龙.输电线路舞动M.北京：中国电力出版社，2003.2 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