电气化铁路接触网舞动原因分析及防范措施

电气化铁路接触网舞动原因分析及防范措施

高诗乔 黎仕强

中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司 四川 成都 610031

摘要：风至接触网舞动是电气化铁路比较常见的一种自然灾害，发生舞动时常常会伴随接触网设备的机械损坏，引发弓网故障，甚至造成断线跳闸中断行车等事故，严重危害了列车的安全运行。目前国内外对其成因的研究还不够深入，本文从工程实际出发，结合电力系统风致架空线路舞动的理论成果，对风致接触网舞动的原因进行分析，并给出了相关解决措施。

关键词：电气化铁路；接触网；舞动；防风

引言

从上世纪30年代起，国内学者对架空输电线路舞动进行了大量实验和理论研究，比较主流的理论有垂直舞动机理、扭转舞动机理、动力稳定性机理、底阻尼系统共振机理等。我国的架空输电线路也曾发生过大范围的导线舞动事故，目前在防舞措施上采用的防震锤、间隔棒、防舞动鞭、防舞器等能够取得较好的防舞效果，但由于接触网的特殊性以及对安全的极高要求，以上措施均不能简单适用接触网。目前，针对接触网系统风振及其舞动的研究还进行的很少，本文借助电力系统的一些研究理论与成果，从工程实际出发，提供了几种接触网的防舞动措施。^[1]

1.接触网舞动的成因

据国内有记录的接触网舞动案例，接触网舞动时其振动频率通常为0.5～2Hz，振幅一般为300～1000mm，振动方向有导线的上下跳动、左右摇摆及在导线截面方向形成椭圆形轨迹的运动，其表现形式一般为一阶驻波。舞动现象一般发生在11月底至次年2月的风季，舞动时的风速约为5-20m/s，气温为-5～5℃，导线无覆冰或有少量覆冰。^[2]造成舞动的原因非常复杂，其各种因素又相互影响、相互制约，归纳起来主要以下三方面:

（1）覆冰影响:当出现雨雪、雨凇、冻雨天气时导线比较容易覆冰，在持续风力的作用下覆冰累积，形成偏心覆冰。这一覆冰使导线的性能发生两个方面的改变：一是表面光滑风不能进入导线的线股里，风经过导线时的不发生扰流，不形成湍流；二是覆冰断面偏心形状如机翼形，使风经过导线时可以获得稳定层流，从而使导线具备了在竖直方向上获得作用力的条件。

（2）风的激励：风是舞动最基本的条件，也是线索舞动的能量来源。产生舞动时的风速一般在5-20m/s，风向与导线接近垂直，在四周无屏蔽物的开阔地带（平原、垭口、高架桥）风受地形摩擦系数的影响较小，风的不均匀系数低，能够实现均匀、持续、稳定的外部作用时，容易发生舞动。^[3]

（3） 悬挂结构与线索自身特性：导线的类型、张力、弧垂、跨距及结构参数是引起舞动的内因，不合理的导线参数组合与导线舞动有很大关系。

2.接触网舞动的影响因素

综合电力系统的相关理论与成果，并与接触网舞动的相关研究相结合，笔者认为国外学者推导出的接触网舞动的计算公式比较具有代表性：

（1）接触网自由振动的振幅

A——振幅，m；

V——风速，m/s；

l——跨距，m；

α_max——决定于导线截面的空气动力学热性的最大冲角；

M——接触线、承力索每延米质量，kg；

Z——接触线、承力索总张力，kg；

（2）自由振动的频率

自由振动的频率取决于悬挂固有的自振频率。只有在共振状态出现时，才会产生较大的振幅以及稳定的振动状态。悬挂自振频率取决于其机构参数，在此可以通过下式计算

F_n——悬挂自振频率，Hz；

K——决定悬挂支持元件的系数，若在振动状态下波长为2l。在采用弹性吊弦时K为0.46，采用简单吊弦元件时K为0.5；

L——跨距，m；

结合电力系统风致导线舞动的相关理论研究以及上述公式可以发现，影响接触网舞动的因素主要有风速、跨距、张力、质量等。

3.防治措施及建议

根据上述研究可以得出，舞动的机理就是谐振，由于外界环境提供给线索的驱动力频率（f1）与接触网系统自身振动频率（f2）相同，从而产生了谐振。因此接触网防舞措施的实质，就是通过改变驱动力的频率（f1）或者改变接触网系统的自振动频率（f2），使其两者不相等，从而消除谐振。值的需要注意的是，这里的驱动驱动力频率（f1）与接触网系统自身振动频率（f2）都是一个范围，由于外部条件的变化和接触网系统自身振动特性，要想完全消除舞动，必须使两者在振动频率范围上不存在交集，这就需要我们在实施了防舞措施后保持密切观察，确保在各种气象条件下接触网均不发生舞动。^[4]

（1）调整接触网的跨距（l）

接触网的跨距（l）与振幅（A）成正相关，跨距跨距（l）与频率（f）成负相关，调整接触网的跨距就能改变接触网系统的振动频率。在实际工程中，发生舞动现象后，可在跨中增加一根支柱悬挂，成倍减小跨距。值的注意的是，均匀的接触网跨距往往更加容易使接触网系统各部分的振动频率趋近一致，而采用不均匀的接触网跨距往往是使相邻两跨的接触网自振频率不一致（fa≠fb），此时当外部驱动力即便等于某一跨的自振频率（f驱动=fa≠fb），由于相邻跨不产生共振，产生较大阻尼作用，也不容易发生大范围的舞动。

（2）改变接触线及承力索的张力（T）及每延米质量（M）

导线张力（T）及每延米质量（M）直接影响接触网自身振动频率。在实际工程中，改变自振频率简单有效的办法就是增大接触线及承力索的张力，由于《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2016）中对线索的安全系数有明确要求，因此，增大导线张力的同时可能也需要增大导线的截面提高抗拉强度，以满足规范中对安全系数的要求，因此笔者在这里将改变线索张力（T）及导线的延米质量（M）两个影响系数放在一起。

（3）改变悬挂点处的阻尼特性

对于电力架空线路，在每一档距的悬挂点处采用防震锤、防舞器、防舞动鞭等措施是比较成熟的方案。但是对于安全要求极高的接触网，考虑到金具掉落对行车安全带来的影响，上述措施不能简单适用，目前还没有一种成熟可靠专门用于的接触网悬挂处的防舞动金具。经过工程实践，在支柱处采用双定位装置悬挂具有较好的防舞效果。内昆线某处接触网舞动区段采用在定位管上增加一组定位器，采用双定位悬挂接触线，安装时两只定位装置之间的间隙不小于60mm，确保有足够长的阻尼段，保证防舞效果。该装配与防舞动鞭原理类似，都是在导线上增加了一小段阻尼段，通过改变悬挂点阻尼特性，达到防舞的目的。

（4）改变外部环境

通过对接触网舞动的地点比较分析，大多数地段都是位于高架桥或平坦开阔的风口处。这类地形有一个共同的特点就是风受地形摩擦系数的影响较小，风的不均匀系数低，能够实现均匀、持续、稳定的外部作用。因此，修建防风墙、构筑防风堤或在地面植树造林破坏风的均匀性，也能达到消除接触网舞动的目的。

结束语

随着我国电气化铁路营业里程的而不断增加，近年来接触网出现舞动的频率越来越高，鉴于目前接触网舞动理论和防舞设备还不够成熟，要想彻底解决接触网舞动问题，还需要广大接触网工作者的不断努力，共同付出辛勤汗水和劳动，确保电气化铁路运营的安全稳定和蓬勃发展。

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，2003.

[2]张昊,谢强. 电气化铁路接触网风致舞动研究现状与进展[J]. 铁道标准设计,2015,59(09):145-148.

[3]班瑞平. 接触网线索舞动现象的研究[J]. 铁道机车车辆,2004(01):64-66.

[4]王玉玺.线路舞动成因及防舞措施[J].技术与市场,2012,19(08):37+39.