關(guān)金發(fā)，田志軍，吳積欽

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復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)及其應(yīng)用

關(guān)金發(fā)，田志軍，吳積欽

針對大風(fēng)經(jīng)峽谷風(fēng)口、狹窄山丘、地塹路基等復(fù)雜地形后對弓網(wǎng)運行可靠性的影響問題，搭建了復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬的技術(shù)構(gòu)架，利用軟件平臺建立了計及復(fù)雜地形風(fēng)增速效應(yīng)的風(fēng)-弓-網(wǎng)動態(tài)耦合仿真模型，計算大風(fēng)經(jīng)過不同地形、構(gòu)筑物后對接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)了復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬，并應(yīng)用該模擬技術(shù)對某強風(fēng)地區(qū)鐵路線路局部區(qū)段出現(xiàn)電力機車無網(wǎng)壓、接觸網(wǎng)跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題進行了故障診斷與分析，提出解決問題的思路，以指導(dǎo)復(fù)雜地形大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)的設(shè)計和運維。

受電弓；接觸網(wǎng)；復(fù)雜地形；大風(fēng)；運行狀態(tài)；仿真

0 引言

近年來，隨著全球氣候變暖趨勢的加快，世界范圍內(nèi)極端天氣在強度和頻率上都有所加劇，導(dǎo)致大風(fēng)天氣頻發(fā)。大風(fēng)經(jīng)過近地表的復(fù)雜地形區(qū)域，如峽谷風(fēng)口、狹窄山丘、地塹路基等，改變了氣流方向，使得氣流在特定方向明顯增速，加劇大風(fēng)對鐵路固定設(shè)備的沖擊，易引起弓網(wǎng)間燃弧拉弧、打弓鉆弓、燒損受電弓和接觸網(wǎng)，導(dǎo)致斷線塌網(wǎng)、受電弓無法正常取流，造成復(fù)雜地形風(fēng)場下行車供電安全問題突出，嚴(yán)重威脅鐵路的運行安全。因此，開展復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)研究十分必要。

國內(nèi)外已有不少有關(guān)風(fēng)對接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)影響的研究。文獻[1～5]從隧道、擋風(fēng)墻等鐵路自身構(gòu)筑物的角度，利用數(shù)值仿真手段研究了大風(fēng)經(jīng)過不同構(gòu)筑物后對接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響；文獻[6]從高橋、路堤等鐵路自身構(gòu)筑物的角度，利用風(fēng)洞試驗手段研究了大風(fēng)經(jīng)過不同構(gòu)筑物后對接觸網(wǎng)的影響；文獻[7～10]利用數(shù)值仿真手段研究了不同風(fēng)速、風(fēng)向?qū)W(wǎng)動態(tài)性能的影響。綜合以上分析，現(xiàn)有研究尚未考慮外部復(fù)雜地形引起的大風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向變化，而地形的差異造成不同區(qū)段接觸網(wǎng)的風(fēng)致形變不同，會直接影響弓網(wǎng)運行質(zhì)量。

為解決復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)可靠穩(wěn)定受流問題，需利用數(shù)值仿真手段，建立計及復(fù)雜地形風(fēng)增速效應(yīng)的風(fēng)-弓-網(wǎng)動態(tài)耦合仿真模型，模擬不同復(fù)雜地形均勻和脈動風(fēng)作用下的弓網(wǎng)運行狀態(tài)，探明風(fēng)、地形與接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)動態(tài)相互作用的規(guī)律。

1 復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)

復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)主要由不同來流風(fēng)速的復(fù)雜地形三維流體動力學(xué)計算和計及接觸網(wǎng)上部風(fēng)場的風(fēng)-弓-網(wǎng)彈性動力學(xué)計算2部分組成。第1部分針對地形對風(fēng)的影響問題，第2部分針對風(fēng)對弓網(wǎng)的影響問題。

復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)構(gòu)架如圖1所示。首先根據(jù)氣象資料和線路勘察資料，確定鐵路線路的大風(fēng)區(qū)段及有可能造成風(fēng)增速效應(yīng)的地形區(qū)段，篩選復(fù)雜地形有可能受到大風(fēng)影響的接觸網(wǎng)區(qū)域。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源獲取研究區(qū)域的數(shù)字高程模型，即地形的經(jīng)緯度和高度信息。通過一定技術(shù)手段重建復(fù)雜地形的三維風(fēng)場模型，獲取不同區(qū)段的接觸網(wǎng)上部風(fēng)速風(fēng)向。根據(jù)接觸網(wǎng)的設(shè)計風(fēng)速和結(jié)構(gòu)風(fēng)速，利用TB10009[11]給出的風(fēng)速與接觸網(wǎng)線索和結(jié)構(gòu)單位面積的風(fēng)載荷計算公式進行接觸網(wǎng)風(fēng)載荷計算。結(jié)合接觸網(wǎng)有限元模型，進行風(fēng)載荷的單位節(jié)點力等效與積分時間步加載。建立脈動風(fēng)載荷和受電弓共同作用下的接觸網(wǎng)動態(tài)耦合仿真模型。輸入接觸網(wǎng)設(shè)計風(fēng)速、結(jié)構(gòu)風(fēng)速及受電弓運行參數(shù)，獲取弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)，如接觸力、弓頭垂向位移、定位點抬升等，以及接觸網(wǎng)零部件受力狀態(tài)，如結(jié)構(gòu)位移、載荷、應(yīng)力應(yīng)變等。

圖1 模擬技術(shù)構(gòu)架

復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)依托一系列軟件平臺實現(xiàn)，如圖2所示。從SRTM和GSCloud得到的高程數(shù)據(jù)量較大，需要對研究區(qū)域的數(shù)據(jù)進行提取與處理，以獲得精確的三維地理信息（需要利用Global Mapper地圖繪制軟件）。數(shù)字高程模型為一組三維云點數(shù)據(jù)，需要三維重建生成實體模型，才能進行下一步的風(fēng)場計算（需要利用Imageware點云處理與曲面編輯軟件）。利用Fluent流場計算軟件，進一步建立三維實體風(fēng)場模型。最后利用Ansys有限元計算軟件，建立風(fēng)-弓-網(wǎng)動力耦合仿真模型，得到最終的計及復(fù)雜地形風(fēng)增速效應(yīng)的接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)。

圖2 模擬過程利用的計算機軟件

利用以上分析軟件，模擬技術(shù)各層次生成的主要數(shù)學(xué)模型及輸出結(jié)果如圖3所示。其中接觸網(wǎng)上部風(fēng)場獲取是模擬分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，獲取途徑有：（1）利用氣象局提供的平均風(fēng)速風(fēng)向資料，獲得復(fù)雜地形下接觸網(wǎng)上部的均勻風(fēng)速風(fēng)向變化規(guī)律，進一步利用風(fēng)功率密度譜模擬隨機來流風(fēng)源，獲得復(fù)雜地形下接觸網(wǎng)上部的脈動風(fēng)速風(fēng)向變化規(guī)律；（2）利用長期實測的隨機風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，獲得復(fù)雜地形下接觸網(wǎng)上部的脈動風(fēng)速風(fēng)向變化規(guī)律。

另外，復(fù)雜地形風(fēng)場模型中，可以增加隧道、擋風(fēng)墻等構(gòu)筑物，進一步精細化接觸網(wǎng)上部風(fēng)場的分析結(jié)果。

圖3 模擬技術(shù)構(gòu)架各層次的分析模型及主要輸出結(jié)果

利用復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)，可預(yù)測某復(fù)雜地形區(qū)段風(fēng)場下弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)和接觸網(wǎng)零部件受力狀態(tài)，評估弓網(wǎng)運行質(zhì)量，獲取該區(qū)段弓網(wǎng)可靠運行的極限風(fēng)速條件數(shù)據(jù)，提出改善弓網(wǎng)動態(tài)受流的有效措施，指導(dǎo)復(fù)雜地形大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)的設(shè)計和運維。

2 模擬技術(shù)應(yīng)用—故障診斷與分析

以下針對現(xiàn)場出現(xiàn)的風(fēng)-弓-網(wǎng)故障問題，應(yīng)用復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)，剖析故障原因，提出故障解決措施。

2.1 故障問題及調(diào)研

某強風(fēng)地區(qū)鐵路線路局部區(qū)段出現(xiàn)電力機車無網(wǎng)壓、接觸網(wǎng)跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題。該問題2年內(nèi)發(fā)生了十多起，故障區(qū)段長度為6 km，故障點分散性強。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)電力機車無網(wǎng)壓、接觸網(wǎng)跳閘故障時的風(fēng)力等級一般為十一級及以上，列車運行速度為40～80 km/h，故障點處的接觸線底面和背風(fēng)面沿受電弓前進方向均出現(xiàn)一段小范圍的放電、燒蝕痕跡，嚴(yán)重處需加裝接觸線接頭線夾進行補強處理。某些接觸線故障點處的對應(yīng)外側(cè)保護線也出現(xiàn)表面燒蝕痕跡。觀察接觸網(wǎng)故障現(xiàn)場附近地形（圖4），發(fā)現(xiàn)故障點現(xiàn)場周圍存在比接觸網(wǎng)稍高的山丘，屬于地塹路段，且故障位置均出現(xiàn)在山丘的邊坡，遠離山丘側(cè)的一支接觸網(wǎng)。進一步結(jié)合該區(qū)段常年主風(fēng)向，觀察該故障點現(xiàn)場附近整體的地形，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)主風(fēng)向與山丘走向基本平行。通過以上分析，該區(qū)段接觸網(wǎng)故障問題與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、地形的相關(guān)性較強。

圖4 接觸網(wǎng)故障現(xiàn)場附近地形

圖5 接觸網(wǎng)故障現(xiàn)場附近地形整體鳥瞰圖

經(jīng)進一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段均為曲線，接觸網(wǎng)的拉出值布置與直線區(qū)段有一定區(qū)別，拉出值均為正定位或反定位。風(fēng)作用于接觸網(wǎng)直線區(qū)段與曲線區(qū)段引起的零部件受力及位移有一定區(qū)別。

2.2 接觸網(wǎng)上部風(fēng)場模擬

以圖5所示的某一故障點現(xiàn)場附近地形為例，按照復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬分析步驟，首先建立該點附近的數(shù)字高程模型。故障位置發(fā)生在東經(jīng)43.134063°、北緯91.444702°附近，利用精度為90 m的SRTM數(shù)據(jù)，建立該故障點周圍2 km的地形三維風(fēng)場模型，如圖6所示。風(fēng)場模型中監(jiān)測4個等接觸線高度的點，其中測點1、3靠近山丘側(cè)，測點2、4遠離山丘側(cè)，測點3、4位于山丘邊坡等高位置。

圖6 接觸網(wǎng)故障現(xiàn)場附近地形三維風(fēng)場模型

結(jié)合發(fā)生故障時當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力等級以及接觸網(wǎng)基本設(shè)計風(fēng)速條件，風(fēng)場的來流平均風(fēng)速為30 m/s，利用復(fù)雜地形風(fēng)場模型進行均勻風(fēng)穩(wěn)態(tài)計算，得到接觸線高度切面的風(fēng)速風(fēng)向分布及測點1～4的風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)態(tài)值，如圖7—10所示。

圖7 接觸線高度切面的橫向風(fēng)速分布

圖8 接觸線高度切面的豎向風(fēng)速分布

圖9 測點1～4的橫向風(fēng)速變化

圖10 測點1～4的豎向風(fēng)速變化

觀察圖7、圖8，風(fēng)經(jīng)過山丘邊坡對風(fēng)速有增加作用，比來流風(fēng)速增加2 m/s，山丘邊坡及邊坡外邊緣的風(fēng)速最大，山丘正后方風(fēng)速較小，且與來流風(fēng)方向相反；風(fēng)經(jīng)過山丘后會產(chǎn)生接觸網(wǎng)豎直方向上的風(fēng)分量，對接觸懸掛有抬升和下壓2種作用力，山丘邊坡處下壓，山丘正后方抬升，對遠離山丘一側(cè)的接觸懸掛影響明顯。

觀察圖9、圖10，測點1、2的橫向風(fēng)速最后數(shù)值比測點3、4大得多，說明山丘正后方接觸線高度上的風(fēng)速較小。測點4橫向風(fēng)速比測點3稍大，說明風(fēng)經(jīng)過山丘頂部下來對遠離山丘的接觸網(wǎng)影響稍大。測點1、3均比測點2、4風(fēng)速小，說明遠離山丘一側(cè)的接觸網(wǎng)受到豎直風(fēng)影響較明顯。

綜合以上分析，地形地貌改變了來流風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速，導(dǎo)致山丘附近接觸網(wǎng)連續(xù)幾跨受到不同的風(fēng)向和風(fēng)速作用，在遠離山丘一側(cè)的接觸網(wǎng)尤為明顯。接觸網(wǎng)連續(xù)不同跨受到不同的風(fēng)速風(fēng)向作用，與單一風(fēng)向作用的風(fēng)速變化規(guī)律顯然不同。

利用風(fēng)功率密度譜模擬來流平均風(fēng)速為30 m/s的脈動風(fēng)，通過風(fēng)場計算，得到遠離山丘側(cè)接觸線高度的風(fēng)速變化數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖11 測點2的脈動風(fēng)速變化

2.3 風(fēng)載荷與受電弓共同作用下接觸網(wǎng)運行狀態(tài)模擬

根據(jù)表1接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)建立故障點的接觸網(wǎng)仿真模型，如圖12所示。第2.2節(jié)分析結(jié)果表明山丘正后方的風(fēng)速變化較小，山丘邊坡以及風(fēng)口的風(fēng)速變化較大。

表1 故障點的接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)

圖12 接觸網(wǎng)的有限元仿真模型

與該線路接觸網(wǎng)配合使用的是DSA200型受電弓，假定運行速度為80 km/h。將2.2節(jié)求得的接觸網(wǎng)上部脈動風(fēng)載荷和受電弓同時作用于接觸網(wǎng)上，得到弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)曲線，如圖13所示。

圖13 接觸力和弓頭垂向位移曲線

當(dāng)受電弓運行在山丘正后方時，受電弓的弓頭運行平穩(wěn)，且弓網(wǎng)接觸力集中；當(dāng)受電弓運行在山丘邊坡時，受電弓的弓頭垂向位移、接觸力波動很大，最小接觸力為14 N；而后受電弓離開山丘邊坡，弓頭振幅和接觸力振幅有所減小。通過以上分析可知，受電弓運行在不同風(fēng)載荷作用下，接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)動態(tài)性能有很大差異，在山丘邊坡位置的受電弓跟隨性最差，易造成弓網(wǎng)離線、燃弧。該分析結(jié)果充分論證了關(guān)于故障點位置和故障原因的分析。

2.4 故障原因分析

綜合以上分析，某強風(fēng)地區(qū)鐵路線路局部區(qū)段出現(xiàn)機車失電、接觸線燒蝕等問題屬于大風(fēng)經(jīng)復(fù)雜地形后引起的風(fēng)-弓-網(wǎng)三者動態(tài)匹配問題，初步分析其原因為在曲線線路下行的接觸網(wǎng)受到地塹區(qū)段山丘后方不同風(fēng)速風(fēng)向作用，連續(xù)幾個跨距的接觸網(wǎng)風(fēng)致振動情況不一致，受電弓經(jīng)過振動響應(yīng)不同的連續(xù)接觸網(wǎng)，影響受電弓的跟隨性，弓網(wǎng)出現(xiàn)離線燃弧，引起接觸線燒蝕，嚴(yán)重時燃弧可能與PW線或機車車頂接通，造成接觸線對地短路，引發(fā)接觸網(wǎng)跳閘、機車失電等問題。

2.5 故障解決思路

結(jié)合故障原因分析，提出以下解決思路：

（1）由于出現(xiàn)問題的地點均在曲線區(qū)段，因此，可通過研究相同風(fēng)場下不同接觸網(wǎng)拉出值布置的接觸懸掛風(fēng)致振動響應(yīng)和弓網(wǎng)動態(tài)性能，從接觸網(wǎng)平面布置角度提出問題的解決措施。

（2）調(diào)整接觸網(wǎng)線索線型、張力組合、吊弦布置等技術(shù)參數(shù)，研究相同風(fēng)場下不同接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)的接觸懸掛風(fēng)致振動響應(yīng)和弓網(wǎng)動態(tài)性能，從接觸網(wǎng)系統(tǒng)角度提出問題的解決措施。

（3）通過在山丘邊坡加裝擋風(fēng)墻，改變風(fēng)經(jīng)過山丘后的風(fēng)場，研究不同風(fēng)場下的接觸懸掛風(fēng)致振動響應(yīng)和弓網(wǎng)動態(tài)性能，從外部環(huán)境條件角度提出問題的解決措施。

制定具體措施時應(yīng)對比調(diào)整接觸網(wǎng)的平面布置、技術(shù)參數(shù)或加裝擋風(fēng)墻的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，確定最終解決問題的具體措施。

3 結(jié)語

通過搭建復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)的構(gòu)架，利用Global Mapper、Imageware、Fluent和Ansys等軟件平臺，建立計及復(fù)雜地形風(fēng)增速效應(yīng)的風(fēng)-弓-網(wǎng)動態(tài)耦合仿真模型，計算大風(fēng)經(jīng)過不同地形、構(gòu)筑物后對接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)了復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)的模擬。

應(yīng)用復(fù)雜地形風(fēng)場下弓網(wǎng)運行狀態(tài)模擬技術(shù)，對某強風(fēng)地區(qū)鐵路線路局部區(qū)段出現(xiàn)電力機車無網(wǎng)壓、接觸網(wǎng)跳閘、接觸線和保護線燒蝕問題進行了故障診斷與分析，并提出了解決問題的思路，對復(fù)雜地形大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)的設(shè)計和運維具有一定指導(dǎo)作用。

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With regard to the issues influencing the pantograph-catenary operation reliability caused by the strong wind running through complex landform of the canyon tuyere, narrow hills and graben subgrade, establish the technical structure for pantograph-catenary operation status simulation in wind field under complex landform, establish the wind-pantograph-catenary dynamic coupling simulation model with consideration of wind acceleration effect under complex landform by means of software platform, calculate the response to the overhead contact line and pantograph-catenary system by the strong wind passing through different landforms, buildings and structures, realize the simulation of pantograph-catenary operation under complex landform, carry out the fault diagnosis and analysis for issues of non-voltage network foe electric locomotive, tripping of overhead contact line, burning of contact wire and protection wires at local section along the railway line at some strong wind region by this simulation technology, put forward the line of thinking for solving the problems, so as to guide the design and operation maintenance of overhead contact line in strong wind field under complex landform.

Pantograph; overhead contact line; complex landform; strong wind; operation status; simulation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.011

U225.1

A

1007-936X(2018)06-0046-05

2018-09-10

關(guān)金發(fā).中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電化處，博士后；

田志軍.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電化處，教授級高級工程師；

吳積欽.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。