带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器仿真分析及其应用

韩月明，王秋实，邓雪明，高金山，刘正盛，鲁 尧，严小宾，方 怡，杨 辉，蒋 佩，黄 帅，陶治杰

0 引言

随着我国经济社会高速发展、城市化进程日益加快，我国在轨道交通技术创新上取得了突飞猛进的发展。国内首个架空刚性接触网系统自2003年6月投入运营以来，其运营实践已取得良好的运行效果。在交流25 kV系统制式上，架空刚性接触网也成功应用于兰武二线乌鞘岭隧道、青藏铁路新关角隧道、南疆铁路中天山隧道等多个标志性铁路工程中。

在刚性接触网系统中，受电弓经过分段绝缘器时会引起弓网接触力的波动，在一定程度上影响弓网关系，因此分段绝缘器是刚性接触网系统的一个相对薄弱环节[1]。尤其当受电弓以120 km/h及以上速度运行时，受电弓对电分段处分段装置的机械强度和平顺度要求更高[2]。为此引入辅助绝缘滑靴的设计理念，使得受电弓以全接触方式通过分段绝缘器时平顺良好接触，无撞弓、钻弓等故障隐患，确保运营安全，提高了分段绝缘器设备本体的安全性和可靠性[3]。

1 带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器

带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器，其设计理念最早起源于瑞士Furrer+Frey公司，并且在国外多个隧道刚性接触网系统中已有使用。多年的运行表明，其机械性能和电气性能完全满足刚性接触网系统运行要求，设备运行情况良好。

带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器结构主要由连接汇流排、连接金具、长滑道、短滑道、铜滑道横撑、辅助绝缘滑靴和绝缘棒等组成，如图1所示。绝缘棒两端分别通过连接金具与两个连接汇流排连接；长、短滑道在设备两侧交错布置；辅助绝缘滑靴同样布置在设备两侧，并与连接金具连接；辅助绝缘滑靴底部与长、短滑道底部共同构成水平平面，可更好地保证受电弓经过时良好的平顺性和稳定性。

图1 结构组成

2 弓网动态关系仿真分析

利用ANSYS软件，对带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器在DC 1 500 V刚性接触网系统中的应用进行弓网动态有限元仿真分析[4，5]。篇幅所限，本文不展示带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器在交流供电系统中的仿真结果。

受电弓型号采用TSG23E，定位线夹采用非弹性线夹，悬挂方式为门型结构，布置形式为类“之”字型[6]，其他仿真参数见表1[7]。

表1 仿真参数

2.1 评价标准

根据国内外相关行业规范[8，9]、标准[10，11]的规定（如EN 50367—2020、EN 50119—2020等），具体评价标准如表2所示。

表2 弓网接触力评价标准 N

当所有指标均满足评价标准[12]时，以弓网接触力标准偏差为优选依据。

2.2 构建仿真模型

利用有限元仿真分析软件ANSYS构建刚性接触网动力学仿真模型，充分考虑各项仿真参数，将汇流排等效为梁单元，带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器等效为由各个不同截面组成的梁单元组合。带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器动力学仿真模型如图2所示。

图2 带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器动力学仿真模型

2.3 仿真方案及仿真结果

2.3.1 不同跨距对弓网动态关系的影响

设置跨距为3 m和3.5 m、静态接触力均为120 N的动力学仿真模型，模拟受电弓以120 km/h的运行速度通过刚性接触网系统，经过弓网动态仿真分析，得到弓网接触力仿真结果如图3所示。

图3 受电弓以时速120 km通过不同跨距刚性接触网系统分段绝缘器时接触力波形

由仿真结果可以看出，当受电弓以 120 km/h的运行速度分别通过3 m和3.5 m跨距刚性悬挂的分段绝缘器时，接触力均有一处明显的波动极值，但其能够很快稳定下来。

为进一步比较跨距对弓网关系的影响，整理受 电弓通过分段绝缘器时的接触力情况，如表3所示。

表3 受电弓分别通过3 m和3.5 m跨距刚性悬挂分段绝缘器时的接触力

由表3可知：当受电弓以120 km/h的运行速度分别通过3 m和3.5 m跨距刚性悬挂的分段绝缘器时，接触力F均满足0＜F≤300 N的要求；平均接触力Fm均满足86.128≤Fm≤153.968 N；接触力标准偏差σ均满足σ≤0.3Fm的要求。

分析3 m跨距和3.5 m跨距的两组数据，发现3 m跨距条件下的接触力标准偏差σ较小，弓网关系更好。因此，对使用带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器的刚性接触网，其跨距推荐采用3 m。

2.3.2 不同运行速度对弓网动态关系的影响

设置3 m跨距、静态接触力均为120 N的弓网动力学仿真模型，模拟受电弓以80～160 km/h的运行速度通过刚性接触网系统，经过弓网动态仿真分析，得到弓网接触力仿真结果，如图4所示。

图4 受电弓以不同时速通过分段绝缘器时接触力波形

由仿真结果可以看出，当受电弓分别以不同运行速度通过3 m跨距刚性悬挂的分段绝缘器时，接触力均有一处明显的波动极值，但其能够很快稳定下来。同时可以明显看到，随着运行速度的提高，接触力数值的波动范围也进一步增大。

为了进一步分析80～160 km/h的运行速度对弓网关系的影响，整理受电弓通过分段绝缘器时的接触力情况，如表4所示。

表4 受电弓以80～160 km/h的运行速度通过3 m跨距刚性悬挂分段绝缘器时接触力

由表4可知：当受电弓分别以80、100、120、140、160 km/h的运行速度通过3 m跨距刚性悬挂的分段绝缘器时，接触力F的波动范围均满足0＜F≤300 N的要求；平均接触力Fm分别满足各速度等级下的要求；接触力标准偏差σ均满足σ≤0.3Fm的要求。

分析在5种不同运行速度下的数据结果发现，随着运行速度的提高，接触力标准偏差σ逐渐增大，说明随着运行速度的提高，弓网振动逐渐加剧，弓网关系逐渐变差。分析运行速度为160 km/h下的数据结果，发现接触力标准偏差σ与0.3Fm的差值为17.648 N，说明此款带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器的通过速度仍然可以进一步提高。

2.3.3 导高随机偏差对弓网动态关系的影响

设置120 N静态接触力、3 m跨距、附加导高随机偏差的弓网动力学仿真模型，模拟受电弓以120 km/h的运行速度通过刚性接触网系统，经过弓网动态仿真分析，得到弓网接触力仿真结果如图5所示。

图5 受电弓以120 km/h速度通过分段绝缘器（导高随机偏差±4 mm）时接触力波形

由仿真结果可以看出，当受电弓以 120 km/h速度通过附加导高随机偏差的分段绝缘器时，接触力有一处明显的波动极值，并且能够很快稳定下来。为了进一步分析导高随机偏差对弓网关系的影响，整理受电弓通过分段绝缘器时的接触力情况如表5所示。

表5 受电弓以120 km/h速度通过附加导高随机偏差的分段绝缘器时接触力

由表5可知：当受电弓以120 km/h速度通过3 m跨距、附加导高随机偏差的分段绝缘器时，接触力F均满足0＜F≤300 N的要求；平均接触力Fm均满足86.128≤Fm≤153.968 N；接触力标准偏差σ满足σ≤0.3Fm的要求。

分析在有/无附加导高随机偏差下的两组数据结果发现，有附加导高随机偏差的接触力标准偏差σ较大，说明导高随机偏差将使得弓网振动加剧，弓网关系将会变差。

2.3.4 静态接触力对弓网动态关系的影响

EN 50367—2020中对DC 1 500 V、运行速度不大于200 km/h的情况，规定静态接触力的最大值为140 N。为进一步比较静态接触力对弓网动态关系的影响，现设置一组静态接触力为140 N、3 m跨距、无附加导高随机偏差的弓网动力学仿真模型，模拟受电弓以120 km/h的速度通过刚性接触网系统。经过弓网动态仿真分析，得到弓网接触力仿真结果如图6所示。

图6 受电弓以120 km/h速度通过分段绝缘器（静态接触力为140 N）时接触力波形

由仿真结果可以看出，当受电弓以 120 km/h的速度通过静态接触力为140 N的分段绝缘器时，接触力有一处明显的波动极值，并且能够很快地稳定下来。为了进一步分析静态接触力对弓网关系的影响，整理受电弓通过分段绝缘器时的接触力情况如表6所示。

表6 受电弓以不同静态接触力通过分段绝缘器时接触力

由表6可知：当受电弓分别以不同静态接触力通过3 m跨距刚性悬挂的分段绝缘器时，接触力F均满足0＜F≤300 N的要求；平均接触力Fm均满足86.128≤Fm≤153.968 N；接触力标准偏差σ均满足σ≤0.3Fm的要求。

分析不同静态接触力下的两组数据结果发现，静态接触力为140 N时的接触力标准偏差σ较大，说明此时的弓网振动将加剧，弓网关系将会变差，因此推荐静态接触力采用120 N。

3 带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器工程应用

带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器系列产品因其合理的结构设计、优良的弓网动态关系，被应用于多个工程项目中。AC 25 kV系列带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器产品已在多年前成功用于南疆铁路土—库二线中天山隧道段、青藏铁路西-格关角隧道段、天津西站至天津站地下直径线、香港沙中线等项目中。DC 1 500 V系列带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器产品亦相继用于南宁、重庆、深圳、苏州等多个城市的轨道交通项目。所有设备运行良好，获得各方的一致好评。

4 结论

本文利用ANSYS仿真软件，根据线路实际需要，构建符合实际工况的弓网动态关系仿真模型，参照相关技术标准对仿真结果进行分析，得出以下结论：

（1）相比3.5 m的刚性悬挂跨距，3 m跨距条件下的接触力标准偏差σ较小，弓网关系更好。对使用带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器的刚性接触网，推荐其采用3 m跨距。

（2）当运行速度由80 km/h逐渐提高到160 km/h时，接触力标准偏差σ逐渐增大，弓网振动逐渐加剧，弓网关系逐渐变差。运行速度为 160 km/h时的数据结果表明，此款带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器的通过速度可以进一步提高。

（3）即使存在导高随机偏差，带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器仍能满足运行速度为120 km/h的线路需要。但有导高随机偏差时，接触力标准偏差σ较大，弓网振动加剧，弓网关系变差。

（4）无论静态接触力为120 N或是140 N，带辅助绝缘滑靴的分段绝缘器均能满足运行速度为120 km/h的线路需要。相比140 N时的静态接触力，静态接触力为120 N时的接触力标准偏差σ较小，弓网振动较小，弓网关系较好。