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接触网工程课程设计报告

接触网工程课程设计

指导教师评语

报告（30）

平时（30）
总成绩
修改（40）

专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 　　
姓 名： 　　
学 号： 　　
指导教师： 徐金阳 　　

兰州交通大学自动化与电气工程学院
2012年7月13日
1.基本题目
1.1 题目
高速电气化铁路电分相式锚段关节设计。本课程设计的内容主要是对我国高速电气化铁路采用的电分相形式进行研究，根据《高速电气化铁路接触网》锚段关节设计要求，分析电分相的选用条件和电分相的设置要求。
1.2 题目分析
电分相是接触网的关键结构之一。为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网采用分段换相供电，电气化铁道牵引变电所向接触网供电的馈线是不同序的，不同相供电臂在接触网的相交处设置了绝缘结构，称为电分相。目前主要采用器件式分相绝缘器和关节式分相绝缘器两种。
2.高速电气化铁路接触网电分相形式
2.1 概述
目前我国电气化铁路电力机车和动车都采用单相供电，为平衡电力系统各相负荷，牵引供电一般实行三相电源相序轮换供电，即电气化铁道牵引变电所向接触网供电馈线是不同相的，为保证铁路牵引供电网实现相与相之间的电气隔离，不同相供电臂的接触网在接触处设置了绝缘结构，称为电分相。我国高速铁路电分相均采用两断口锚段关节式电分相形式。
客运专线电气化铁路的牵引动力是电力机车，由于机车本身不是动力源，所需能源由铁路牵引供电系统提供。为了保证高速电力机车顺利进行电源分相，必须在电力机车换相处加装电分相装置。
2.2 自动过电分相的形式
2.2.1 地面开关自动切换形式
在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端分别由绝缘器与二相接触网绝缘。绝缘器件不采用由一般绝缘物构成的分相绝缘器，而采用锚段关节结构，保证受电弓滑过时能够连续受流。两台真空负荷开关QF1、QF2分别跨接在JY1、JY2上，使接触网两相能够通过它们向中性段供电。在线路边设置四台无绝缘轨道电路CG1～CG4作为机车位置传感器。无车通过时，两台真空负荷开关均断开，中性段无电。当机车从A 相驶来达到CG1处时，真空负荷开关QF1闭合，中性段接触网由A相供电。待机车进入中性段、到CG3处时，QF1分断，QF2随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。由于此时中性段已由B相供电，机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段。待机车驶离CG4处后，QF2分断、装置回零。反向来车时，由控制系统自动识别，控制2台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合，采用这种方法过分相，断电时间约为0.1s～0.15s。

图1 地面开关自动切换方案的工作原理图
优点：接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断路器无须动作，自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短，且此时间与行车速度无关，可适用于0～350 km/h速度范围，对行车中可能出现的限速、一度停车等情况均能正常工作。
缺点：(1)真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备份。其中QF1、QF2为主用开关，QF5、QF4分别为其检修备用开关，当主用开关检修时可以方便地投入工作；(2) 中性段的长度难于确定。对于只有1个受电弓的列车或是双机重联、2台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。对于双机重联，机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整个列车长度来考虑。
2.2.2 柱上开关自动断电形式
这种方案以瑞士AF公司为代表。国内福州铁路分局曾从瑞士AF公司引进了2组自动分相装置，装于鹰厦线永安机务段管区内。A、B两组真空开关在正常状态下均处于分断位置。当电力机车运行至a-b之间时，A组开关装置线圈有电流通过，磁铁吸合，真空开关在15 ms时间内闭合使c-d段有电。当电力机车运行至c-d之间时，A组开关的线圈中无电流通过，磁铁释放，15 ms时间内A组真空开关断开，使d-e-f-g为无电区，机车惰行。当电力机车运行至g-h之间时，B组开关装置线圈有电流通过，同理B组真空开关闭合；当机车驶离i点后，B组开关线圈失电使B组开关断开，但此时该开关不起分断电流作用。这样A、B两组开关回到初始状态,其工作原理见图3。

图2 柱上开关自动断电方案的工作原理图

优点：无须设立分区所，相应投资要少些，供电死区(d-e-f-g或c-d-e-f)比现有的分相区来得短，无需司机操作，机车上的主断路器不需分断。
缺点：(1)分相区中接触网分段比较多，接触网结构复杂，真空开关带负荷分断，需要经常维护，由于是柱式安装，难于实现100%备份；
(2)该方案中列车通过速度必须在一定范围内，如果机车速度太低，机车尚未到达d点就过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大，严重时甚至接近停车；如果机车速度太高，机车通过a-c段的时间太短，A组开关线圈得电时间太短，导致A组开关不能正常闭合。
(3)过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车主断路器跳闸
(4)难于适应多弓运行的列车，列车过分相会造成真空开关多次动作，且与弓的位置有关；
(5)由于存在着一定长度的供电死区，且与速度有关。方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同的通过速度，再加上对过分相后的电流冲击未采取相应措施，不能实际投入使用。
3 我国铁路采用电分相的形式
3.1 器件式电分相
接触网换相供电时每隔20~30km就设一个电分相，电气化铁路电分相从结构划分有器件式和关节式两大类。
器件式电分相是利用电分相绝缘器串接在一起而形成一种在电气上分开、在机械上不分段的电分相结构。常用器件式电分相构造图如图2.1所示，其是由三组分相绝缘元件串接在接触线中而构成的分相设备，绝缘元件为环氧树脂玻璃布层压板，每个绝缘元件长度为1.8m，宽度为25mm，高度为60mm，在底部开有斜沟槽。也有用四组绝缘元件串联组成分相器的，增加一组绝缘元件是为了增加可靠性，同时增加中性区的有效长度，以适应高速及新型电力机车运行的需要。

图3 器件式电分相结构图
3.2锚段关节式电分相
3.2.1四跨绝缘锚段关节
四跨绝缘锚段关节与五跨绝缘锚段关节相比多了一根中心柱。正常状态下，受电弓在中心柱处同时接触两支接触线，从一个锚段过渡到另一个锚段。但由于要满足绝缘的要求，中心柱就需采取特殊定位方式。一种方式是采用反定位管低头的特殊安装方式，这使得接触网稳定性降低另外的方式是一根定位器采用特型定位器（直线区段）或两根均采用特型软定位器（曲线区段），而该类定位器因为结构原因要满足强度要求采用钢质结构，质量大于提速区段普遍采用的铝合金定位器，又由于中心柱处受电弓要同时抬起两支接触线，这样就对接触网弹性造成了较大的影响，不利于受电弓高速受流。另一方面，提速区段接触线张力大，非支接触线抬高量（一跨中抬高450 ~ 500mm）较大，中心柱处两定位器会出现较大的上抬力。当环境温度变化时难以保证两支接触线等高，也对高速取流不利。根据资料，四跨绝缘关节较多在800m及以下曲线半径的线路采用。

图4 四跨绝缘锚段关节
3.2.2五跨绝缘锚段关节
五跨与三跨相比，不增加接触网支柱，只是增加两套定位支撑装置和少量的接触网，投资增加很少，就能更好满足接触网运行，也为接触网进一步提速创造了条件。因此，建议关节式电分相的锚段关节宜采用五跨。

图5 五跨绝缘锚段关节
4电分相的选用条件
根据多年来的接触网动态检测结果，相同条件下器件式电分相的硬点平均为接触网的3～6倍，而且运行速度越高，硬点差值越大。据统计，同样一组器件式电分相，当速度为120、140、160km/h时，其硬点分别约为30、60、110g，而铁道部规定是≤50g。可以说，当运行速度超过120km/h时，器件式电分相是很难满足安全运行的。法国电气化铁路部门认为运行速度为60km/h及以下时，可采用绝缘件作为电分段，当运行速度超过60km/h时，就要采用锚段关节式空气间隙绝缘方式。
根据运行经验，靠加强维修和调整来减小器件式电分相的硬点是很困难的，即使耗费大量的人力和物力，效果也难以令人满意。器件式电分相严重恶化弓网关系，其接头线夹处接触线磨耗很快，有机绝缘杆件运行环境恶劣容易发生事故，故应尽量减少使用。建议新线建设时速为120km以上的线路应采用关节式电分相。
5电分相设置要求
高速铁路电分相应设在进站信号机500 m以外并应经行车、信号、供电等专业检算确认，应尽量避免设在变坡点、大电流和加速区段，有条件时应尽量设在6%及以下坡度区段。对于一般的高速区间而言，时速250 km以上动车组通过分相后的速度损失非常有限，根据行车检算结果看，一般速度损失在15 km/h左右，因此，不应只将6%的坡度作为判断分相设置是否合适的标准。
6.总结
我国早期电气化铁路采用的电分相为结构复杂的接触网八跨、六跨、五跨等双绝缘锚段关节组成的气隙绝缘结构（简称关节式电分相）。后来引进和研制了绝缘材料制作的器件式电分相。这类电分相结构简单,在速度（140km/ h 以下）不太高的情况下能基本满足弓网关系要求, 大大减少了施工和维修难度, 器件式电分相有一个极大优点，其中性区很短, 特别适合在重载、大坡度区段使用。由于关节式电分相由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大问题, 目前，世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用该种型式。它也必将成为我国高速电气化铁路的首选型式。本设计就关节式电分相进行分析， 对电分相的设计及运行管理提出了建议。

参 考 文 献
[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2002.
[2] 李爱敏.接触网生产实习指导[M].北京:中国铁道出版社,2000.
[3] 李伟.接触网[M].北京:中国铁道出版社,2000.

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