高速铁路受电弓与接触网关系评价综述
李文豪，罗 健，张 倩，陈维荣
摘 要：电气化高速铁路通过接触网/受电弓系统向电力机车传输电能，弓网系统性能的好坏是机车能否实现快速、安全、高效运行的关键。本文阐述了弓网相互作用研究中的几个核心问题：振动耦合、滑动接触及与环境的作用，并对当前弓网系统研究方法进行了总结，指出了各种方法的优缺点，在对世界各国高速铁路受电弓与接触网关系评价标准进行系统总结的基础上，尝试为我国高速铁路弓网关系评价工作提出了若干建议。
关键词：高速铁路；弓网关系；综述；受流；评价
Abstract:The energy is transmitted to vehicles via catenary / pantograph system in electric high speed railways. As a result, fast, safe and efficient operation of vehicles depends on the performance of catenary / pantograph system. The essential problems with contact lines / pantograph interaction were illuminated: coupling of two vibrating systems, sliding contact and the relation with environment. And then the summary of research methods used in contact lines/pantograph interaction was carried out. The advantages and disadvantages of the different methods were analyzed. Based on the systematical summary of the existing standards about the valuation of interaction between contact lines and pantographs in the world, some suggestions are proposed for the valuation of catenary / pantograph system in China.
Key words:high speed railways; interaction between contact lines and pantographs; overview; current collection; valuation
中图分类号：U225.3 文献标识码：B文章编号：1007-936X(2009)04-0040-05
当前，中国正处于铁路蓬勃发展的时期，高速客运专线将全部采用电力牵引，持续稳定的高速受流问题亟待解决。高速受流指高速运行中的受电弓通过与接触线的滑动接触获取电能并传给电力机车的过程，由于接触网设备单一无备用，以及电气化铁道负荷的移动性和时变性，使得高速弓网关系复杂多变，如何有效评价弓网之间的相互作用成为世界各国专家学者的研究热点。
1 弓网关系评价的核心问题
可靠供电是高速铁路安全、舒适、高效运行的保障，供电质量的好坏取决于接触网和受电弓的相互作用。为合理、有效地评价弓网关系，需从以下几个核心问题进行考虑。
1.1 2个振动系统的耦合
作者简介：李文豪.铁道第三勘察设计院集团有限公司，助理工程师，天津 300251，电话：022-********；
罗健.铁道第三勘察设计院集团有限公司，工程师；
张倩.中铁电气化勘测设计研究院，助理工程师；
陈维荣.西南交通大学电气工程学院，教授。
弓网系统高速运行时，接触网和受电弓相互作用构成一个复杂的耦合振动系统，接触质量和安全性是弓网系统性能的主要指标。
接触网系统包括接触线、承力索、吊弦、线夹、定位器以及其他零部件，既有均布质量，又有集中质量，是一个非常复杂的振动系统。在实际研究中，通常采用多普勒系数、反射因数和放大系数等描述接触网的振动、波动特性。对接触网系统的基本要求：接触线平直性好；由分段绝缘器、定位器等集中质量引起的硬点少；弹性不均匀度小。
受电弓也是一个复杂的机械系统，由弹簧、连杆等组成，在弓网运行中要求：弓头跟随性好，动态响应快；阻尼合理，受空气影响小；噪音小。在受电弓系统中，弓头参数、工作高度范围、升降弓特性等影响着受电弓性能。弓头质量和刚度决定了受电弓的跟随性能；弓头几何参数和工作高度范围与受电弓动态包络线密切相关，直接影响着弓网运行的安全性；升降弓时间特性反应了其动态响应速度，尤其是降弓特性与安全性密切相关。
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弓网平均接触压力目标值（F m）与运行速度（V）的关系如图1所示[5,9]。一方面，随着速度的提高，为保证弓网接触质量须增大平均接触压力，当接触网弹性一定时，由式（1）知，抬升量Y随之增大；另一方面，为保障运行安全性须限制接触线的抬升量和抬升量差异[6]。因此，在高速情况下，需采取措施减小接触线的弹性及弹性不均匀度。
Y = F c×e（1）式中，Y为接触线垂直抬升量，mm；F c为弓网接触压力，N；e为接触网弹性，mm/N。
图1 弓网平均接触压力与运行速度的关系图
1.2 弓网之间的滑动接触
高速电气化铁道通过受电弓与架空接触网的滑动接触进行电能传输（见图2），其特点如下：（1）在高速条件下，要保证稳定受流，维持弓网之间可靠接触需要更大的作用力（图1），导致弓网间机械磨耗增加；
（2）高速列车牵引功率剧增，电流随功率成正比增加，弓网接触面传导的电流更大；
（3）弓网运行时接触面积小，因此接触面上电流密度大，使电气磨耗剧增[3]。
图2 弓网滑动接触实现电能传输示意图
列车高速运行时，焦耳热和摩擦热剧增，为防止弓网局部过热发生安全事故，对接触线和受电弓滑板材料提出了更高的要求；机械磨耗和电气磨耗共同作用，且电气磨耗占据主导地位，缩短了弓网系统的寿命[3]；同时，大电流使导线横截面积增加。这些因素都导致投资的增加。1.3 与环境的相互作用
受电弓/接触网系统在自身相互作用的同时，也与外界环境发生着相互作用。一方面，弓网运行过程中受到环境的影响，使受电弓与接触网的相互作用复杂多变。这些因素包括：（1
）自然条件，风、温度、覆冰等；（2）线路条件，桥梁、隧道等。例如，风引起接触线的横向偏移，覆冰引起接触线弛度的改变，温度引起定位器的位置变动，隧道中列车风的影响，桥梁与机车的耦合振动的影响等。另一方面，弓网系统运行中对环境也产生影响：（1）高速接触网电流更大，周围由电流产生的磁场更强，经回流（正馈）线抵消后剩余磁场也较强；（2）高速运行时弓网离线加剧，产生的电弧中含有大量高频成分。这些都对周围通信系统造成干扰。
因此，在弓网关系评价中，弓网系统与环境的作用是不可忽视的。
2 弓网关系的评价方法
接触网/受电弓系统是一个整体，评价弓网关系就是评价受电弓和接触网之间的相互作用。设计、施工、运营、维护等各个环节都对弓网系统的性能产生影响，仿真和测量是研究弓网关系的常用手段，这些因素之间又相互联系（图3）。
图3 接触网/受电弓系统各环节之间的相互关系图
设计和施工为仿真系统提供源数据，也决定了弓网系统性能及测量的结果。仿真和测量的结果为设计和施工提供评价依据，为设计和施工方案提供参考。任一仿真系统结果都须与测量结果进行比较以校验仿真的有效性，同时，一个高效的仿真系统能够大大减少测量，降低投资。设计、施工、仿真和测量等过程都是为了实现2个目标：长寿命、免维护、少维修的弓网系统。安全、可靠、对环境少
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干扰或无干扰的弓网运行。因此弓网关系的评价是一个系统工程。
2.1 线路测量
弓网相互作用的测量包括动态测量和缺陷检测。动态测量包括接触压力、接触线抬升、受电弓弓头动态变化范围、电弧等，欧洲受电弓/接触网系统动态相互作用测量系统评价标准EN50317中，对弓网动态测量的方法、结果、精度以及测量系统的校准均做了详细的规定。缺陷检测包括接触网系统中接触线位置、腕臂系统缺陷和受电弓系统中的滑板状态等。欧洲接触网系统设计安装标准EN50119对接触网系统中各部件的位置、允许误差范围、接触线的磨耗限度等做了相应规定。
当前，在高速弓网系统测量方面，日本、德国、法国、意大利、韩国、中国等均自主开发或引进了装备有测量系统的检测车，如日本的“East-i”和“Doctor Yellow”、德国的“ICE-S”和“AOI”、意大利的“ROGER1000”和“ROGER2000”等。弓网测量系统主要功能如图4所示，对测量结果的评价主要根据国际标准以及本国评价标准进行。
图4 高速接触网测量系统的功能框图
线路测量结果能够最直接反映弓网系统的性能，但现场实验花费巨大，受环境影响大，且实验的可重复性差，不能随意改变工况，不同测量系统结果的可比性也较差，因此在弓网关系评价中，其应用受到限制。
2.2 计算机仿真
弓网计算机仿真是指对接触网和受电弓分别建立数学模型，实现弓网动态模拟。早期，接触网建模采用变刚度模型、张力弦模型、集中质量模型等，但这些模型对接触网简化太多，与实际情况相差太远，当前，有限元模型被广泛采用；受电弓模型有质量-刚度-阻尼模型、非线性模型和三维模型，质量-刚度-阻尼模型在弓网动态仿真中常常使用，非线性和三维模型用于受电弓的参数研究和优化。
弓网仿真能全面研究弓网参数的影响，方便地进行参数优化，可重复性好，有效降低实验的成本，得到了广泛的应用。英国BB公司、德国Siemens 公司、德国铁路（DB）、日本铁路（JR）、法国国铁（SNCF）均开发了自己的仿真软件。但目前的仿真系统都只用于有环境作用下的静态计算和无环境作用下的弓网动态仿真，对于在风、冰荷载、温度等外界条件共同作用下的动态仿真尚待继续研究。
2.3 实验室混合模拟
线路测量和计算机仿真在弓网评价中都受到较大限制，实验室混合模拟受到广泛关注。
由于接触网系统难以在实验室中实现，而受电弓实体容易获得，混合模拟试验是在实验室中采用虚拟接触网、实际受电弓进行弓网动态模拟的方法。目前德国铁路（DB）的受电弓实验台和西南交通大学牵引动力国家重点实验室的弓网混合模拟系统比较有代表性。
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利用上述弓网关系研究方法，可以对弓网系统进行较为全面的评价。但并非能解决所有的问题。例如：在锚段关节、线岔、桥梁、隧道等特殊区段处，弓网之间的相互作用无明确结论，难以进行评价；高速情况下，动应力导致接触网疲劳破坏的问题，缺乏有效的测量和评价依据；高速列车自动过分相时引起的过电压、过电流问题，也缺乏相应的评价标准。
3 弓网关系的评价标准
3.1 国外弓网关系评价标准
自1964年世界上第一条高速铁路开通至今，日本、德国、法国接触网分别选用复链形悬挂、弹性链形悬挂、简单链形悬挂方式，实现了高速弓网良好受流。在这个过程中，各国采用不同方法对弓网关系进行研究，在弓网相互作用评价上，形成了不同的认识。
日本进行弓网关系评价时，主要采用日本铁路标准（JRS）。高速铁路弓网系统的评价依据有：（1）波动传播速度；（2）离线率；（3）弓网接触压力；（4）接触线的抬升量；（5）接触线的应力。要求最高运营速度控制在接触线波动传播速度的70%以下；最大的一次离线时间不应该大于200 ms，离线率最好不超过5%，最差情况下不应超过20%；接触线最大允许抬升量为100 mm；受电弓静态抬升力在54～64 N范围内取值，弓网动态接触压力大于20 N；在增大接触线张力的同时，保证其应力小于疲劳极限，硬铜线和铜合金线的安全系数大于2.2，其他线材大于2.5[2]。
德国进行弓网性能评价时，使用静态弹性、弹性不均匀度、安全系数等静态指标和接触压力、接触线动态抬升、动态弹性、波动传播速度、无量纲速度、多普勒系数、反射因数、放大系数等动态指标，提倡静态指标和动态指标相结合全面地评价弓网关系[3]。德国铁路公司每半年对高速铁路网进行一次全面测量，根据DIN系列标准对弓网关系进行系统评价，主要指标有：（1）平均接触压力目标值为120 N，标准偏差为24 N，在此范围内测量值尽可能小（接触压力大于40 N）；（2）受电弓前后滑板所受压力的比值尽可能接近1；（3）双弓运行时，前后弓接触点高度差要小于100 mm；（4）尽可能消除电弧。
法国通过由弹性链形悬挂（东南新干线，1981年开通）到简单链形悬挂（大西洋新干线，1990年开通）的转变，得出以下结论：（1）高速时，弓网受流质量主要取决于接触线的波动传播速度，与弹性不均匀度关系不大；（2）运行中发生电弧距离应控制在间隔160 m/次；（3）F m?3σ＞0，其中F m为平均接触压力，σ为接触压力标准偏差；（4）定位点处的最大抬升量应为接触线允许抬高量的2倍，达400 mm；采用接触线抬升量、跨中受电弓振幅、离线率和接触压力标准偏差综合对弓网系统性能评价，当综合量化指标小于11时，适合高速运行，大于16在高速线上是不允许的[2,5]。
由于弓网系统性能的重要性，各国在分别制定自身标准的同时，也相互交流合作达成一些通行标准，当前，国际上常用的弓网关系评价标准有：国际电工委员会制定的电力牵引架空线路IEC 60913等系列标准对架空接触网系统的材料、机电特性等做了限定；国际铁路联盟制定的国际通用受电弓UIC 608、接触线技术规格UIC 870、弓网受流规范UIC 794等系列标准分别对接触网系统和受电弓系统做出了规定，并为弓网关系评价提供了规范；欧洲联盟的欧洲电气化铁道互通技术规范TSI Energy Subsystem，欧洲接触网系统设计安装标准EN 50119，欧洲受电弓/接触网系统动态相互作用测量系统评价标准EN 50317，欧洲受电弓/接触网系统动态相互作用仿真评价标准EN 50318，欧洲铁路弓网受流技术规范EN 50367等，分别从设计、施工、仿真、检测、验收、运营、维护等方面对高速铁路弓网相互作用的评价标准做出规定[2-9]。3.2 中国评价标准
中国的高速铁路起步较晚，在弓网动态相互作用评价方面还没有形成完善的体系。测量方面，主要参考国际通用标准，以接触压力、接触线动态抬升量、冲击加速度（水平方向）、硬点加速度（垂直方向）、电弧、离线率和滑板振动幅度作为评价指标[16]。但全面、系统的高速试验较少，有效的动态线路测量数据有限，缺乏科学合理的评价方法和
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评价体系，成为准确评价弓网性能的障碍。
4 结论和建议
弓网系统是一个涉及电气、机械、材料、力学等多学科的复杂系统。中国在发展高速铁路的过程中，要深入研究弓网之间的相互作用，就要把各方面的因素综合起来，特别要解决好以下几个问题：（1）加强高速条件下新的供电方式的研究，例如：同相供电技术，即通过在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术，实现全线同一相位的单相供电，能有效避免变电所、分区所出口处的电分相环节，解决自动过分相时断电、拉弧等诸多问题[17]。
（2）加大新材料的应用力度，解决弓网之间的磨损问题。
（3）加大弓网仿真系统的开发力度，使仿真最大程度地反映系统的实际工作状态，并在弓网系统设计和开发中发挥作用。
（4）加大实验环节的投入，建立高速试验线，为弓网关系的研究提供充分的测量数据，并重点研究特殊区段处弓网相互作用，使弓网关系的评价有据可依。
（5）弓网关系评价中，不仅要考虑弓网系统受流质量和运行安全性，还要考虑投资以及对环境的影响等因素。
（6）尽快建立适合我国实际高速铁路接触网/受电弓系统设计、施工、测量、仿真、运营、维护等一系列标准，为我国高速铁路发展提供指导。
中国高速铁路建设刚刚起步，弓网关系评价与国外有相当大的差距，需要在借鉴的基础上加大科研、试验投入，积累经验，提高自身核心竞争力，把弓网关系的评价工作做好。
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收稿日期：2009-03-03
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