孫國政 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥供電段

1 引言

近年來，我國電氣化鐵路飛速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計截至2019年，中國鐵路營業(yè)總里程超過13 萬公里，規(guī)模居世界第二，其中電氣化鐵道占67%，位居世界第一；高速鐵路里程近3萬公里，位居世界第一。全國鐵路不僅完成了全面電氣化的轉(zhuǎn)變，更實現(xiàn)了從常速向高速的跨越。接觸網(wǎng)作為電力機(jī)車電能的來源，是電氣化鐵路系統(tǒng)的重要組成部分。保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，對鐵路運輸安全至關(guān)重要。

舞動與普通的導(dǎo)線振動有所不同，它是導(dǎo)線在某一特定風(fēng)速條件下發(fā)生的一種低頻率(0.1 Hz～3 Hz)、長時間、大振幅(約為導(dǎo)線直徑5～300 倍)的自激振動現(xiàn)象。接觸網(wǎng)系統(tǒng)在大振幅的長時間的振動作用下，不僅有可能因絕緣距離不足而放電，還會對支持結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損害，對運輸安全造成重大威脅。例如2011 年洛襄線某段接觸網(wǎng)發(fā)生劇烈舞動，接觸網(wǎng)上下振幅約500 mm，水平振幅約200 mm，使得該段接觸網(wǎng)大規(guī)模嚴(yán)重?fù)p毀，導(dǎo)致兩輛列車停運，對運輸安全造成了嚴(yán)重影響。

2 接觸網(wǎng)舞動成因

舞動現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)在原因較為復(fù)雜，一方面接觸網(wǎng)在覆冰情況下導(dǎo)線的截面形狀被表面的冰改變，通常會形成橢圓、扇形或新月等形狀，這會改變導(dǎo)線原始的氣動特性；另一方面覆冰還改變了導(dǎo)線整體質(zhì)心的位置，使其偏離彈性中心，使導(dǎo)線發(fā)生慣性耦合失穩(wěn)。到目前為止對接觸網(wǎng)舞動的機(jī)理研究以鄧哈托判定（垂直激發(fā)理論）和尼格爾判定（扭轉(zhuǎn)振動理論）為主要的覆冰導(dǎo)線發(fā)生舞動的判斷依據(jù)。

鄧哈托指出覆冰輸電線在強風(fēng)中會發(fā)生低頻率、大振幅的舞動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與高頻率小振幅的微風(fēng)振動現(xiàn)象有著本質(zhì)上的不同，并且證明了舞動是由氣動力不穩(wěn)定性所引起鄧哈托通過集中質(zhì)量法將大跨度單導(dǎo)線簡化為單自由度集中質(zhì)量模型，建立了如下的氣動力方程：

在上述氣動力方程中，系統(tǒng)的阻尼由機(jī)械振動的機(jī)械阻尼和氣動阻尼構(gòu)成，系統(tǒng)總阻尼

根據(jù)鄧哈托理論，結(jié)構(gòu)在總阻尼小于0 時振動的能量無法耗散，會發(fā)生氣動失穩(wěn)從而產(chǎn)生舞動，當(dāng)δCL/δα+CD<0時結(jié)構(gòu)總阻尼有小于0 的可能，這是舞動產(chǎn)生的必要條件，但是不能作為充分條件，因為總阻尼項d中機(jī)械阻尼大小不明確，因而無法確定總阻尼是否小于0。式中m為單位長度導(dǎo)線的質(zhì)量，ζy為接觸網(wǎng)的豎向阻尼，ky為接觸網(wǎng)的豎向剛度，ωy為接觸網(wǎng)豎向振動的圓頻率；y、和分別為接觸網(wǎng)豎向振動的位移、速度和加速度；ρ為空氣密度，U為水平方向上的風(fēng)速，D為導(dǎo)線的參考直徑；CL、CD分別為導(dǎo)線氣動升力系數(shù)和阻力系數(shù)；α為偏心覆冰導(dǎo)線迎風(fēng)攻角，d為系統(tǒng)總阻尼。

尼格爾利用風(fēng)洞試驗測試了導(dǎo)線在覆冰時的靜態(tài)和動態(tài)氣動特性，通過對測試結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)鄧哈托判定中低估了振動中粘性阻尼的作用。隨后尼格爾又提出了另一個關(guān)于覆冰導(dǎo)線舞動理論，即扭轉(zhuǎn)振動理論。該理論指出：當(dāng)氣動力矩曲線的斜率小于零時，系統(tǒng)才會存在扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)的可能性，且這種扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)會導(dǎo)致垂向舞動的發(fā)生。從以上的研究可以看出，舞動是一種多因素導(dǎo)致的多維度的氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，形成機(jī)理較為復(fù)雜。

3 接觸網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)

由于現(xiàn)有的舞動理論的計算模型通常建立在單自由度振動方程的基礎(chǔ)之上，大幅簡化了實際的結(jié)構(gòu)形式及振動情況，并不能準(zhǔn)確的對接觸網(wǎng)舞動現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和預(yù)測，對于接觸網(wǎng)舞動實際的形成和發(fā)展的機(jī)理還有一些尚不明確的部分，因此通過一些手段對接觸網(wǎng)設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，及時的在初期發(fā)現(xiàn)舞動和覆冰等有可能引起舞動的因素，在對接觸網(wǎng)設(shè)備造成危害前及時采取停電封鎖等行動，做好準(zhǔn)備措施，是目前應(yīng)對接觸網(wǎng)舞動災(zāi)害的最有效的辦法之一。

現(xiàn)有接觸網(wǎng)監(jiān)測裝置多采用圖像檢測法和電子設(shè)備檢測法，通常需要動檢車或運營車輛作為搭載平臺，僅在部分特殊區(qū)段有地面監(jiān)測裝置。受搭載平臺的制約，各運行部門在沒有列車通過時無法對接觸網(wǎng)的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)測，及時掌握接觸網(wǎng)設(shè)備的狀況，接觸網(wǎng)如果在夜間或列車運行間隙發(fā)生覆冰或舞動，將對后續(xù)列車的運行造成安全隱患。由于接觸網(wǎng)運行里程長，電磁干擾大，需要采用一種無需電源供電和能抵抗強大電磁干擾的系統(tǒng)對接觸網(wǎng)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)采用光纖Bragg 光柵傳感器作為主要元件，光纖Bragg 光柵利用了光纖的光敏特性，在光纖纖芯形成周期性折射率分布，使得纖芯內(nèi)形成一個窄帶的反射濾波，將待測量的特定波長反射回來，光纖Bragg 光柵反射波的中心波長與光纖的有效折射率和光柵周期的乘積成正比，當(dāng)外界的力或者溫度改變時光纖的有效折射率和光柵周期將發(fā)生改變，我們通過測量反射波的中心波長的偏移量就能得到所需測得的物理量。通過在接觸網(wǎng)下錨處安裝光纖Bragg 光柵傳感器，可以遠(yuǎn)程實時監(jiān)測接觸線和承力索軸力和彎矩的實時變化情況。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生舞動時，接觸線和承力索的軸力會隨著振動的周期發(fā)生周期性的大幅改變，當(dāng)系統(tǒng)檢測到接觸線和承力索的軸力有大幅度低頻變化時發(fā)出報警，從而及時發(fā)現(xiàn)舞動的發(fā)生。通過分析力學(xué)特性和邊界條件，將承力索與接觸線簡化為兩端簡支的歐拉-伯努利梁，覆冰后由于線索上線索內(nèi)的彎矩會發(fā)生變化，通過對彎矩進(jìn)行測量可以反應(yīng)接觸網(wǎng)的覆冰情況。在及時的人工干預(yù)下，可以最大限度地減小舞動和覆冰對接觸網(wǎng)設(shè)備和行車安全的威脅。

光纖Bragg 光柵傳感器無需單獨工作電源供電，由解調(diào)儀發(fā)射傳輸信號的激光源，具有很強的抗電磁干擾和絕緣能力，使其在工作時可以抵抗外界強大的電壓和電磁干擾，無需平臺搭載，可對異常情況及時反饋，十分適合作為接觸網(wǎng)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)使用。

4 結(jié)束語

本文對電氣化鐵路舞動的危害和成因進(jìn)行了詳細(xì)闡述，介紹了目前主流的兩種舞動理論。由于氣動失穩(wěn)問題的復(fù)雜性，舞動問題很難從設(shè)計上預(yù)防，實時準(zhǔn)確的監(jiān)測就成了保護(hù)設(shè)備安全，為各部門采取措施提供依據(jù)的重要手段。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的各項特性為接觸網(wǎng)的在線監(jiān)測提供了可能，有助于預(yù)防和減弱舞動及覆冰對設(shè)備安全穩(wěn)定運行的影響。