城市軌道交通接觸網(wǎng)打火拉弧原因及影響分析

吳 畏, 馬俊杰, 蘭志坤, 王秀紅

（成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川成都 610051）

0 引言

隨著近年來城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通牽引供電質(zhì)量越來越受到關(guān)注。在運(yùn)營管理過程中，常常出現(xiàn)接觸網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象，行業(yè)內(nèi)也進(jìn)行了一些研究，多為針對弓網(wǎng)理論和高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的分析[1-8]，缺乏對城市軌道交通中低速、大電流牽引系統(tǒng)的弓網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象的專門研究。本文主要?dú)w納分析了弓網(wǎng)滑動電接觸特性，結(jié)合地鐵的運(yùn)營測試和實踐，分析總結(jié)了接觸網(wǎng)打火拉弧的原因和影響，作為研究地鐵接觸網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象的參考。

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動電接觸特性分析

1.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)的電接觸方式

接觸網(wǎng)與受電弓的電接觸方式分?3?類：固定接觸、滑動接觸、可分合接觸。列車靜止取流時，弓網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)為固定電接觸。文獻(xiàn)[2]的研究表明，接觸電阻隨著接觸壓力的增加單調(diào)遞減，在接觸壓力相同的情況下，接觸電阻隨著牽引電流的增加而減小。

1.2 接觸壓力與接觸電阻的關(guān)系

弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力對接觸電阻雖然有重要影響，但接觸電阻與導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目不是線性關(guān)系，接觸壓力減小到一定值后，接觸電阻明顯上升，但在一定接觸壓力范圍內(nèi)，只靠加大接觸壓力并不一定使接觸電阻顯著減小[3]。文獻(xiàn)[2]關(guān)于弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻的研究表明，隨著接觸壓力的增加接觸電阻減小，當(dāng)接觸壓力大于?70??N后，接觸電阻及消耗的功率隨接觸壓力的變化不明顯，故運(yùn)行時較理想的初始接觸壓力為?70??N，且弓網(wǎng)接觸壓力存在?1?個最優(yōu)值。

1.3 電流變化與接觸電阻的關(guān)系

文獻(xiàn)[4]研究電流變化和接觸電阻之間的關(guān)系，當(dāng)列車運(yùn)行時，隨著電流的增加，接觸電阻近似線性變化地增大，電流對碳滑板的溫升影響隨著時間的延長而加大。由于電流的增大，加劇了接觸斑點(diǎn)的電弧燒蝕，且磨損過程中，滑板溫度的升高使接觸面的磨粒黏著增強(qiáng)，實際的接觸點(diǎn)減少，接觸電阻增大；同時由于碳滑板內(nèi)碳潤滑劑的存在，在接觸表面形成一種膜，導(dǎo)致接觸電阻緩慢上升。

1.4 電流、速度變化與接觸電阻的關(guān)系

文獻(xiàn)[2]研究了接觸電阻隨列車速度變化的規(guī)律，存在先增大后減小再增大的過程，滑動接觸電阻存在?1?個極小值，該極小值與動車速度、電流、接觸壓力有關(guān)。列車運(yùn)行速度越高，接觸電阻的極小值越大；而電流越大，接觸電阻的極小值則越小。這說明在弓網(wǎng)運(yùn)行過程中存在?1?個接觸電阻的最優(yōu)值，此時可能為弓網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)接觸狀態(tài)。

1.5 弓網(wǎng)系統(tǒng)的電接觸特性小結(jié)

弓網(wǎng)系統(tǒng)具有滑動電接觸的特點(diǎn)，多個因素之間的影響關(guān)系較為復(fù)雜。當(dāng)列車正常靜止取流時，弓網(wǎng)系統(tǒng)處于一個良好的狀態(tài)；當(dāng)列車運(yùn)行時，接觸電阻存在?1?個最優(yōu)值，即當(dāng)速度較低且加速度小、電流大時，弓網(wǎng)滑動電接觸性能最佳。

2 接觸網(wǎng)打火拉弧的原因

在大氣中開斷電路時，如果被斷開的電流超過?0.25～1??A，斷開后加在觸頭上的電壓超過?12～20??V，則在觸頭間隙中通常會產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體[5]。受電弓與接觸線從分離到接觸或從接觸到分離時，如果能滿足一定的條件，滑板與接觸線之間便會產(chǎn)生電火花、電弧等放電現(xiàn)象。

列車在實際運(yùn)行過程中，不可能一直在滑動電接觸性能的最佳條件運(yùn)行，故接觸網(wǎng)打火、拉弧現(xiàn)象必然產(chǎn)生。受電弓與接觸網(wǎng)滑動電接觸的分離程度，即接觸電阻的大小不同，將產(chǎn)生打火和拉弧?2?種能量不同的電弧放電過程。

2.1 打火花的原因

由于短時間內(nèi)受電弓與接觸線之間電流加大，摩擦熱效應(yīng)和電流熱效應(yīng)使接觸斑點(diǎn)軟化、融化甚至汽化[3]，接觸斑點(diǎn)表面發(fā)生熱電離，形成電火花。如果導(dǎo)電斑點(diǎn)間隙電壓較小，則電火花處于非自持放電階段[5]，放電將很短暫并會停止。

2.2 拉弧的原因

從電氣學(xué)的理論分析，在滑動電接觸過程中離線導(dǎo)致電壓突升或金屬汽化都將引起拉弧。當(dāng)受電弓滑板與接觸線之間因各種原因?qū)е禄迮c接觸網(wǎng)設(shè)備整體或部分分離而發(fā)生離線時，滑板和接觸線之間的電壓便會突升，出現(xiàn)一個很大的電壓[6-7]，此時碳滑板和接觸網(wǎng)的間隙將可能發(fā)生電場電離[5]放電。另外一種情況是弓網(wǎng)離線時牽引電流通過接觸電阻引起的熱能集中在最后分離的導(dǎo)電斑點(diǎn)上,?使其溫度迅速上升到接觸材料的熔點(diǎn)而汽化，在滑板和接觸線之間發(fā)生熱電離[5]放電。這?2?種情況下因為間隙電壓較高將處于自持放電階段，導(dǎo)致氣隙擊穿并轉(zhuǎn)為弧光放電產(chǎn)生大量電弧。

從列車實際運(yùn)行工況中宏觀條件來看，加速度對于拉弧的產(chǎn)生也有一定的影響。根據(jù)成都地鐵?2號線弓網(wǎng)受流性能試驗[8]可知：①當(dāng)列車加速度突然增大時，列車取流增大，出現(xiàn)燃弧的現(xiàn)象增多（即電客車急劇加速時，牽引電流也同時增大）；②電客車速度越高，急加速頻率和時間越長，燃弧次數(shù)越多；③加速度越大，短時牽引電流上升越快，燃弧的程度也越劇烈。結(jié)合電氣學(xué)理論不難看出，正是列車瞬間取流（即加速度大）時，產(chǎn)生了較大的網(wǎng)流（即短時溫升大）而導(dǎo)致了拉弧。

3 接觸網(wǎng)打火拉弧的影響

3.1 打火花的影響

由于接觸網(wǎng)打火花的能量較弱，一般對弓網(wǎng)系統(tǒng)沒有影響。例如，當(dāng)列車靜止，受電弓升降弓時，碳滑板與接觸線接觸或脫離接觸瞬間，其開斷電流不大，接觸點(diǎn)有電火花現(xiàn)象發(fā)生，但一般不會帶來嚴(yán)重后果。

3.2 拉弧的影響

根據(jù)列車的運(yùn)行狀態(tài)，可以分幾種情況來分析拉弧的影響。

（1）對于高速列車，文獻(xiàn)[9]研究表明：當(dāng)列車高速取流時，電弧能維持弓網(wǎng)系統(tǒng)電流的持續(xù)性，弓網(wǎng)相對運(yùn)動過程中，滑板和接觸線的接觸位置不斷變化，盡管電弧溫度很高，但電弧與弓網(wǎng)一起快速移動或在很短的時間內(nèi)熄滅，其熱流對弓網(wǎng)系統(tǒng)的侵蝕有限，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響也有限。

（2）對于中低速地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)（一般電客車的運(yùn)行速度在?120??km/h?以下，市域快軌?160??km/h?以下）而言，文獻(xiàn)[10]的研究表明速度與弓網(wǎng)受流質(zhì)量相矛盾：受流效率隨著速度的增加逐漸降低，但同時運(yùn)行速度越慢，弓網(wǎng)磨損量越大，當(dāng)運(yùn)行速度增加時，磨損量減小。根據(jù)實際運(yùn)行情況反饋，剛性接觸網(wǎng)的打火拉弧和異常磨耗現(xiàn)象大部分集中在出站和上坡加速區(qū)，這個結(jié)果對地鐵而言尤為符合。雖然一般的拉弧不影響弓網(wǎng)實時運(yùn)行，但是會造成接觸網(wǎng)的局部磨耗加劇，故為減小拉弧的影響，應(yīng)考慮將控制電客車加速度納入地鐵電客車運(yùn)行條件中。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實際觀察，當(dāng)列車以較大取流運(yùn)行時，不管列車是高速還是低速行駛，受電弓穿越不同供電分區(qū)，尤其是有單邊供電情況或由帶電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)時，均能導(dǎo)致強(qiáng)烈的電弧現(xiàn)象，給弓網(wǎng)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的不良后果。因此，應(yīng)盡量避免該種情況的發(fā)生。

4 結(jié)論及建議

從弓網(wǎng)打火拉弧的現(xiàn)象和本質(zhì)來分析，接觸網(wǎng)打火、拉弧是受電弓與接觸線電接觸的一種固有現(xiàn)象。通過對接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)滑動電接觸的特性研究和現(xiàn)場測試可知，當(dāng)列車取流較大，尤其是加速取流時，發(fā)生拉弧的幾率較大。正常情況下的打火、拉弧現(xiàn)象輕微且很短暫，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的實時運(yùn)行影響較小，但會增大磨耗。須注意非正常運(yùn)行情況下列車升降弓或由帶電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)等情況，特別要注意直流牽引供電系統(tǒng)單邊供電時，列車穿越不同供電區(qū)段時，較大電壓差引起拉弧加劇導(dǎo)致的弧光短路。

減輕地鐵打火現(xiàn)象，改善地鐵弓網(wǎng)關(guān)系，一方面要做好受電弓、接觸網(wǎng)的檢測、檢調(diào)，滿足相互之間滑動的平順性和跟隨性，減少離線率；另一方面要做好列車在較大牽引電流時降弓和穿越電分段的技術(shù)和管理措施；尤其要注意急加速引起的打火現(xiàn)象。最終減輕弓網(wǎng)磨耗，應(yīng)從系統(tǒng)入手，將弓網(wǎng)關(guān)系作為一個整體，研究滿足受流質(zhì)量情況下合理的電客車運(yùn)行速度、弓網(wǎng)接觸壓力值及對列車啟動速度和加速度的控制，掌握其成因及規(guī)律，不斷研究改善弓網(wǎng)關(guān)系的新措施，為城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計及運(yùn)營管理提供參考依據(jù)。