楊 佳,魯小兵,陳 可,繆曉宇,楊 承
隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展,為考慮供電的靈活性和可靠性,需設(shè)置接觸網(wǎng)隔離開關(guān)[1]。接觸網(wǎng)隔離開關(guān)設(shè)置于接觸網(wǎng)沿線,一端通過(guò)軟銅絞線和線夾與接觸網(wǎng)的承力索及接觸線電氣連接,另一端在隔離開關(guān)的設(shè)備線夾或支撐絕緣子處安裝固定。目前,對(duì)于隔離開關(guān)引線(以下簡(jiǎn)稱“引線”)的安裝長(zhǎng)度,現(xiàn)場(chǎng)一般根據(jù)引線兩端點(diǎn)間距離、環(huán)境溫度,結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)考慮引線弛度直接確定。該方式施工簡(jiǎn)捷,但精度較差,未充分考慮溫度、覆冰及風(fēng)速等多種工況下接觸網(wǎng)、引線各種線索的長(zhǎng)度變化,以及對(duì)線索、線夾等安裝荷載的影響。隨著近年來(lái)低溫、重覆冰以及大風(fēng)等極端天氣頻發(fā),極易出現(xiàn)引線等弛度過(guò)大而導(dǎo)致電氣絕緣距離不夠[2],或引線張拉過(guò)緊而導(dǎo)致引線脫落或線夾斷裂等問(wèn)題,引發(fā)接觸網(wǎng)停電跳閘,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車停運(yùn)甚至行車安全事故。因此,接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長(zhǎng)度的確定及安裝非常重要,其可靠性、穩(wěn)定性已成為影響電氣化鐵路正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。
本文基于電氣化鐵路接觸網(wǎng)服役特性、隔離開關(guān)及引線安裝特征,結(jié)合工程各種環(huán)境工況,提出引線長(zhǎng)度計(jì)算方法、步驟,同時(shí)推導(dǎo)各種安裝工況下的引線長(zhǎng)度計(jì)算式,并給出實(shí)際工程計(jì)算示例。
接觸網(wǎng)隔離開關(guān)安裝在線路側(cè)支柱上,用于接觸網(wǎng)的供電分段,當(dāng)某一側(cè)接觸網(wǎng)發(fā)生故障或因檢修需要停電時(shí),可打開該分段處的隔離開關(guān),將該部分接觸網(wǎng)斷電,而其他部分接觸網(wǎng)仍能正常供電,從而提高了接觸網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。
引線用于隔離開關(guān)本體與接觸網(wǎng)間的電氣連接,從安裝位置上來(lái)看,一般可分為如下兩種情形:(1)引線相對(duì)隔離開關(guān)遠(yuǎn)離中心錨結(jié)安裝,即隔離開關(guān)位于引線與中心錨結(jié)之間,如圖1(a)所示;(2)引線相對(duì)隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝,即隔離開關(guān)位于引線與下錨之間,如圖1(b)所示。
圖1 隔離開關(guān)引線安裝示意
接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長(zhǎng)度的選取主要考慮接觸網(wǎng)、引線長(zhǎng)度及空間位置變化后引起相應(yīng)線索電氣絕緣間隙、機(jī)械荷載等性能變化,因此,在進(jìn)行引線長(zhǎng)度計(jì)算時(shí),應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況充分考慮各種極限工況。基于我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)工作條件,極限工況應(yīng)至少包括最低氣溫、最高溫度、最大覆冰、最大風(fēng)速等4種計(jì)算工況[3],典型工況極限取值見表1。
表1 引線長(zhǎng)度計(jì)算典型工況
基于接觸網(wǎng)服役特性以及隔離開關(guān)、引線安裝特征,結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,經(jīng)綜合研究與分析,得出與接觸網(wǎng)相連的隔離開關(guān)引線長(zhǎng)度的計(jì)算方法及步驟:
(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定隔離開關(guān)引線在隔離開關(guān)設(shè)備線夾處安裝固定點(diǎn)與承力索間的垂直和水平距離。
(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定引線與承力索連接固定點(diǎn)距中心錨結(jié)裝置的距離。
(3)根據(jù)承力索的線脹系數(shù),結(jié)合溫度、覆冰及風(fēng)速等工況環(huán)境條件,確定引線與承力索連接固定點(diǎn)隨溫度變化的偏移量,以及引線在隔離開關(guān)設(shè)備線夾處的安裝固定點(diǎn)及與承力索連接固定點(diǎn)間的距離。
(4)根據(jù)引線的線脹系數(shù),結(jié)合引線許用應(yīng)力或安裝允許張力,確定引線在不同工況環(huán)境條件的長(zhǎng)度。
(5)結(jié)合引線在線夾處的安裝、固定、綁扎長(zhǎng)度,確定引線所需長(zhǎng)度。
結(jié)合上述引線計(jì)算方法及步驟,為方便現(xiàn)場(chǎng)施工并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性及便捷性,結(jié)合圖1,其簡(jiǎn)化計(jì)算式推導(dǎo)如下:
(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定引線在隔離開關(guān)線夾處固定點(diǎn)(A)與其連接承力索上投影點(diǎn)(E)的垂直距離(LAO)以及水平距離(LOE)。
(2)在接觸網(wǎng)腕臂和定位器正常位置的溫度時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定引線與承力索連接固定點(diǎn)(C)與該接觸網(wǎng)錨段中心錨結(jié)裝置間的距離(LZ-C)以及與E點(diǎn)間的距離LEC正。
(3)結(jié)合工程環(huán)境條件,分別確定在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰以及最大風(fēng)速4種環(huán)境工況下引線與承力索連接固定點(diǎn)(C)隨溫度變化偏移(至B或D)后,與引線在隔離開關(guān)線夾固定點(diǎn)(A)間的距離(HAD)。由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線隨溫度變化熱脹冷縮,并與接觸網(wǎng)下錨墜砣位置密切相關(guān),因此,HAD的確定需充分考慮引線與下錨(或中心錨結(jié))間的相互位置關(guān)系,結(jié)合第1節(jié)中引線安裝位置,HAD的計(jì)算應(yīng)包含以下兩種情況:
a.引線相對(duì)隔離開關(guān)遠(yuǎn)離中心錨結(jié)安裝(即靠近接觸網(wǎng)下錨端),詳見圖1(a)。若溫度降低,引線與承力索連接固定點(diǎn)(C)向中心錨結(jié)處移動(dòng)(至B),引線弛度將增加;若溫度升高,C點(diǎn)將向下錨端移動(dòng)(至D),引線弛度將減小。由于引線長(zhǎng)度較短,其自身變化量較小,與最大覆冰以及最大風(fēng)速相比,最高溫度顯然應(yīng)屬于最不利工況,此時(shí)引線安裝長(zhǎng)度一般可按最高溫度工況進(jìn)行控制,計(jì)算式如下:
式中:tmax為最高計(jì)算溫度,℃;tmin為最低氣溫,℃;α為承力索線脹系數(shù),1/℃。
b.引線相對(duì)隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝(即遠(yuǎn)離接觸網(wǎng)下錨端),詳見圖1(b)。若溫度升高,引線與承力索連接固定點(diǎn)(C)向接觸網(wǎng)下錨端移動(dòng)(至B),引線弛度增加;若溫度降低,C點(diǎn)將向接觸網(wǎng)下錨端移動(dòng)(至D),引線弛度減小。結(jié)合接觸網(wǎng)工程特點(diǎn),此時(shí)引線安裝長(zhǎng)度一般可按最低氣溫或最大覆冰工況進(jìn)行控制。
最低氣溫時(shí),計(jì)算式同式(1)。
最大覆冰時(shí):
式中:tb為最大覆冰時(shí)溫度,℃。
(4)根據(jù)引線的許用應(yīng)力或安裝允許工作張力,分別確定引線在最高溫度、最低氣溫、最大覆冰及最大風(fēng)速4種環(huán)境工況時(shí)的線索長(zhǎng)度[4]:
式中:g為引線在不同環(huán)境工況下的荷載,N;N為引線的許用應(yīng)力或安裝允許工作張力,N。
(5)結(jié)合引線兩端安裝、固定及綁扎等所需長(zhǎng)度(L安裝綁扎),并考慮施工裕量50mm,最終確定引線的安裝長(zhǎng)度L:
某工程項(xiàng)目環(huán)境工況組合如下:最高計(jì)算溫度80℃(覆冰0mm、風(fēng)速0m/s);最低氣溫?40℃(覆冰0mm、風(fēng)速0m/s);最大覆冰20mm(溫度?5℃、風(fēng)速10m/s),最大風(fēng)速30m/s(覆冰0 mm、溫度10℃)。承力索采用銅合金絞線(線脹系數(shù)為0.17×10-4)[5];隔離開關(guān)引線采用TJR1-95(外徑14.28mm、單位質(zhì)量0.895kg/m),許用應(yīng)力23500N,其安裝允許工作張力500N。引線相對(duì)隔離開關(guān)靠近中心錨結(jié)安裝度?,F(xiàn)根據(jù)第3節(jié)中引線長(zhǎng)度計(jì)算方法、步驟計(jì)算隔離開關(guān)引線長(zhǎng)度。
(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定:LAO=3m,LOE=3.1m。
(2)在腕臂和定位器正常位置時(shí)的溫度,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定:LEC正=5.5m,LZ-C=600m。
(3)根據(jù)計(jì)算式計(jì)算線索長(zhǎng)度HAD。
工況1:最低氣溫?40℃(覆冰0mm、風(fēng)速0 m/s)時(shí),由式(1)可得HAD= 7.48m。
工況2:最大覆冰20mm(溫度?5℃,風(fēng)速10m/s)時(shí),由式(2)可得HAD= 7.19m。
(4)結(jié)合引線安裝的允許工作張力(500N),根據(jù)式(3)計(jì)算LAD。
工況1:最低氣溫?40℃(覆冰0mm、風(fēng)速0 m/s)時(shí),LAD= 7.49 m。
工況2:在最大覆冰20mm(溫度?5℃,風(fēng)速10m/s)時(shí),LAD= 7.24 m。
綜上,引線安裝長(zhǎng)度在考慮允許工作張力及最低氣溫(工況1)時(shí)為最不利工況,LAD=7.49m。
(5)結(jié)合引線兩端安裝、固定、綁扎等所需長(zhǎng)度L安裝綁扎=100mm,以及施工裕量50mm,且考慮引線距接地體以及其他線索較遠(yuǎn),最終確定該工點(diǎn)的隔離開關(guān)引線安裝長(zhǎng)度L為7640mm。
結(jié)合成渝客專提質(zhì)改造工程,選取最大風(fēng)速時(shí)工況為最不利工況,計(jì)算確定出隔離開關(guān)引線安裝長(zhǎng)度的理論值;同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的隔離開關(guān)引線進(jìn)行多次測(cè)量,并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比(表2),可知理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)差距非常小,在工程應(yīng)用中可忽略不計(jì),驗(yàn)證了本文提出的簡(jiǎn)化計(jì)算式的正確性及實(shí)用性。
表2 計(jì)算實(shí)例計(jì)算結(jié)果對(duì)比 m
本文結(jié)合接觸網(wǎng)服役特性,充分考慮工程多種環(huán)境工況,提出接觸網(wǎng)隔離開關(guān)引線長(zhǎng)度計(jì)算方法、步驟,并推導(dǎo)出簡(jiǎn)化計(jì)算式,通過(guò)工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證,該方法簡(jiǎn)單、高效、易用,計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn),避免了事故隱患,可替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)操作方法,同時(shí)也為引線施工工廠化預(yù)配提供了理論數(shù)據(jù),進(jìn)一步優(yōu)化了高質(zhì)量、精細(xì)化設(shè)計(jì)及施工工藝控制[6],有利于推進(jìn)精品工程建設(shè),保障電氣化鐵路可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。