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1、电气化铁路关节式电分相的研究电气化铁路关节式电分相的研究张和平摘要：本 文针对电气化铁路两种较常应用的关节式电分相的特点、存 在的问题和解决的方案进行研究。关键词：电气化、电分相、锚段关节一、关节式电分相的结构特点1.七跨锚段关节式电分相结构分析七跨式绝缘锚断关节式电分相，它是由二个 4 跨绝缘锚段关节交叉组合而成，从头到尾共有七个跨距，故 称七跨锚段关节式电分相。其 原理是利用 2 个四跨绝缘锚段关节的空气绝缘间隙来到达电分相的目的。中 性区正常情况下不带电 无机车通过时，但不允许接地，其对地仍按 25kv 电压等级要求绝缘。一般考虑在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以 疏导中性区的
2、故障机车。七 跨锚段关节式电分相如图 1、2 所示。图 1七跨锚段关节式电分相结构图图 2七跨锚段关节式电分相直线平面图当电力机车准备经过电分相时，机 车主断路器打开，受 电弓不降弓通过。电 力机车在电分相中性无电区范围内利用中性锚段来作工作支，使受电弓平稳的由一端正线锚段运行到另一端的正线锚段，该 中性嵌入线从左侧的中 1 处变为工作支，到右侧中 2 处开始抬升，变 为非工作支，可 保证约有 100 150m 长的中性区。机 车乘务人员须按照设置的“断”、“ 合”、电力机车禁“停”标志断、合机车主断路器如图 3、4 所示。为了保证电力机车正常通过绝缘锚段关节式电分相绝缘器，原则上要求单台受电
3、弓升弓运行，确需多台受电弓同时升弓时，对受电弓间距离应做限制。图 3下行方向行车标志的设置图4上行方向行车标志的设置2.八跨锚段关节式电分相结构分析八跨锚段关节式电分相的结构如图 5 所示。图中 Z 表示直线区段；J 表示绝缘锚段关节；ZJ 为支柱装配形式。图5八跨锚段关节式电分相的平面图不管是哪种型式，其 结构都是利用 2 个绝缘锚段关节重合 1 跨或 2 跨，再 增加1 个分相锚段组成，即：分相锚段与既有接触网的 2 个下锚支组成 2 个绝缘锚段关节并重合 2 个锚段关节的 1 跨或 2 跨，在分相无电区工作范围内利用分相锚段作工作支，而 分相锚段与既有锚段间采用相间空气绝缘的装配形式，从
4、 而到达分相的目的。八跨锚段关节式电分相由 2 个五跨绝缘锚段关节重合 2 跨组成，它比其他 2 种多了分相中心柱，其余结构相同。1线索关系八跨锚段关节式电分相的分相锚段及 2 个正线锚段线索的关系 如图 6 所示 。图 6八跨锚段关节式电分相平面布置图八跨锚段关节式电分相的中性无电区约 35m ；在整个锚段关节内 2 支接触悬挂的水平间距均为 500mm 。2 支接触悬挂间空气绝缘间隙应 450mm ；为满足接触线工作坡度的变化率在正线关节转换区 4的技术要求，也为了在中性无电区保持良好的弓网关系，在 关节区内加设了 1 个分相锚段，使 分相关节有 1 段中性无电区，无电区段分相锚段作工作支
5、。在 转换柱 g，E 间和 A，b 间，分 相锚段接触线与正线的接触线等高且比正线标准导高抬高约 80mm ，在进入过渡区前的转换柱 b，g，a，h处，分相锚段接触线做非工作支处理，采取逐段抬高方式，转换柱 b，g 处非工作支抬高 150mm 假设考虑 200km 时速，可 抬高大于 160mm ，转 换柱 ah 处非工作支抬高 500mm 。即：转换柱 Ab，Eg 跨非工作支抬高 70mm ，转换柱 ab、gh跨抬高 350mm 。使线索平滑抬高，便于关节悬挂调整，相邻的绝缘子串距分相中心图 6 中 D约为，D 处抬高支距分相锚段接触线抬高 500mm 。2中性无电区与机车取流的双弓间距关系
6、八跨及其他锚段关节式的中性无电区与电力机车双弓间的距离有关，如图 7所示，八跨锚段关节式电分相中性无电区为 35m ，该距离应大于单机机车取流的双弓间距，即当机车组 2 个受电弓之间有高压母线连接时，2 个受电弓间的距离必须小于 35m 。当机车组的 2 个受电弓无高压母线连接，2 个受电弓间的距离，应小于 35m 或者大于 2 绝缘转换柱 h，a 的绝缘子内侧间的距离约 250m ，该距离以及中性无电区的长度均与电分相结构和跨距大小有关。图 7八跨电分相中性无电区与机车受电弓位置关系示意图通过电分相时，高 压母线连通的机车组之间的不同机车禁止同时升弓，机 车断合标及禁止双弓标位置如图 8 所
7、示。中性区正常情况下不带电 无机车通过时，但 不允许接地，其对地仍按 25kV电压等级要求绝缘。可 考虑在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以 疏导中性区的故障机车。图 8电分相处断合标与禁止双弓标位置示意图二、关节式电分相在运营中存在问题的分析由于锚段关节式电分相以下简称关节式电分相由 2 个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大的问题，在我国新建电气化铁路及提速改造中被普遍采用。第一，由 于绝缘锚段关节有三跨、四 跨和五跨 3 种型式，锚 段关节跨距长度不同，2 个关节的衔接布置也有多种方式，关节式电分相存在四跨、五跨、七跨、八跨、九 跨、十 跨、十 二跨等多种型式，中 性
8、区距离也长短不一。这 些关节式电分相的共同特点是均由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成。由于关节式电分相由 2 处空气绝缘间隙实现电气绝缘，即使是 2 个电气隔离的受电弓如多机牵引、电力机车附挂、牵 引机车后挂有接触网检测车、多 弓运行的电动车组等情况在 受电弓间距不满足限制条件时都有可能造成相间短路。实 际运行中，这 类故障已经多次发生。第二，机 车断电缓慢、送 电太早或未断电通过分相时均能造成拉弧烧伤、烧 断承力索造成事故。关节式电分相线索烧损原因分析：电力机车在通过七跨锚段关节式电分相时，如果出现机车司机疏忽、麻 痹大意，断 电不及时、忘 记断电或送电太早等原因，均可能造成受电弓拉弧
9、烧伤电分相中性无电区内承力索、导 线，严 重者甚至烧断承力索。关节式电分相线索烧损基本是由于中性段和带电导线间产生大电流电弧造成的高温烧损。线 索烧损部位大多集中在第一和第二起弧点跨内和交叉跨内，如图9。其主要原因有以下几点：图 9七跨关节式电分相平面示意图1、电力机车在不断载情况下快速通过电分相时，因拉弧造成弧光相间短路烧损线索。2、电力机车通过电分相时因过电压造成机车放电间隙击穿，短路电流在中性线和带电线间产生电弧烧损线索，这种故障发生的概率较大。3、关 节式电分相结构参数检调时，中 心柱两侧线索及吊弦水平间距设置偏小，各支柱拉出值布置不合理，进 行安装调整时通常比照四跨绝缘关节检调，水
10、平间距一般控制在 450mm 左右，对各支柱拉出值的布置往往只关注于满足水平间隙要求，而忽略了结构稳定。由 于机车受电弓快速通过电分相时必将引起线索振动，吊 弦在抬升力的作用下也会松弛鼓肚，这 样线索整体摆动量加大，线 索间、吊 弦间、线 索与吊弦间水平距离缩小，极 易造成弧光过电压并可能成为电弧长燃的维持通道，进而烧损线索、吊弦。第三，理论和运行经验都说明，受空气动力的影响，机车在高速运动过程中降、升受电弓对接触网的安全运行非常不利，运 行中应尽量防止。对 于高速运行的电动车组，这个问题尤为突出。三、针对关节式电分相存在问题的改良1、为防止列车停在锚段关节式电分相中性无电区内，确保列车正常运
11、行，在改造电分相时，电 分相尽量设置在没有坡道或坡道较小的线路上，同 时不能距原分相位置太远；必 须设在坡道上时，要 考虑电分相所处位置的线路坡度、列 车速度和惰性距离的关系；必要时在列车进入电分相的前方 300m 处，设置列车断电利用惯性通过电分相的最低速度标志。2、电分相改造时要注意其位置与信号机的距离，不能设在信号机前方太近的地方。当电分相设在相当于车站的疏解区内时，尤其要注意。3、为防止电力机车通过七跨锚段关节式电分相时烧伤、烧断电分相中性无电区内承力索，保 证供电设备安全，在 机车上设置自动断电装置；当 电力机车运行至电分相标志牌“T 断”牌所在里程时，机车自动断电通过电分相，通过电
12、分相后，合上机车开关继续运行。4、在改造七跨锚段关节式电分相时适当增大七跨锚段关节式电分相内接触网的结构高度，同时在电分相范围内的承力索上缠绕绝缘热缩带。防止关节式电分相线索烧损应从以下几个方面采取防范措施：1、根据电力机车运用区段的不同，合理修正车顶放电间隙的距离。2、完善机车监控仪的功能。将机车主断路器操作开关分合位置信号接入监控仪进行监控，这可有效地减少司乘人员因不断载过分相造成接触网跳闸及关节分相线索烧损故障的发生。3、优化关节式电分相各部结构及参数的检调。对于多次发生上述故障的电分相，必 须认真检查各部支柱拉出值布置是否合理，定 位器的状态如何。起 弧跨和交叉跨应防止重合，假 设改动
13、困难，可 采取在交叉点处承力索 一侧上 加装绝缘护套，防 止烧损承力索。吊 弦布置应尽量采取不对应布置，即 相互间错位并有一定的间隔距离，减少燃弧通道。4、重视关节式电分相绝缘距离的检调。从现场运行看，有 2 个环节是至关重要的：一是中心柱线索与相邻水平腕臂、定位管、定位器的最小距离即绝缘距离应保证 500mm ，不能到达的可临时采取在腕臂、定位管上加装绝缘护套来满足绝缘要求；二 是相邻线索的水平距离必须保证在 500mm 以上，这 样可以防止机车通过电分相时引起线索、吊弦摆动缩短彼此绝缘距离，为燃弧提供通道，造成息弧困难。5、加 强“ 2 个坡度”的 检调，即 导线坡度和定位器坡度的调整。关
14、 节处导线坡度应不大于 1且应以连续坡度设置为宜，相 邻点高度差应控制在 2040mm 。定 位器坡度的调整也是关节式电分相检调的重点之一，定位器坡度偏小极易形成硬点。6、使用可调式绝缘吊弦。由于关节式电分相不具备越区供电的能力，只需考虑机车掉坑后的应急供电，一般电流在 500A 以下，因此可以将载流整体吊弦更换为绝缘吊弦，减 少燃弧通道。为 保证电气回路的畅通和电分相末端电压，可 在电分相进、出口处分别加装一组横向电连接。综上所述，造成关节式电分相线索烧损的主要原因是机车不断载过电分相和过电压致使机车放电间隙击穿造成的电弧烧损。对 于前者，应 加快关节式电分相配套设施的建设，即 地面感应式机车自动断载装置的安装使用；对 于后者，由 于过电压发生的概率较大，随 机性较强，且 目前还缺乏对过电压的有效抑制手段，因 此必须从关节式电分相的结构优化和参数检调入手。只 有多种措施并用，才 能有效防范线索烧损故障的发生，提高关节式电分相的安全运行性能。