城市軌道交通接觸網(wǎng)打火拉弧原因及影響分析

吳超亮

摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)交通行業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展，電氣化鐵路是我國(guó)重要的交通設(shè)施之一，接觸網(wǎng)施工技術(shù)的質(zhì)量直接影響電氣化鐵路的運(yùn)行安全，所以想要確保電氣化鐵路保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，就需要提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通;接觸網(wǎng);受電弓;電接觸

引言

隨著近年來(lái)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(lái)越受到關(guān)注。在運(yùn)營(yíng)管理過(guò)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(duì)弓網(wǎng)理論和高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的分析，缺乏對(duì)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(dòng)電接觸特性，結(jié)合地鐵的運(yùn)營(yíng)測(cè)試和實(shí)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(dòng)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(dòng)接觸、可分合接觸。列車靜止取流時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)為固定電接觸。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 電流、速度變化與接觸電阻的關(guān)系

根據(jù)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(guò)程，滑動(dòng)接觸電阻存在1個(gè)極小值，該極小值與動(dòng)車速度、電流、接觸壓力有關(guān)。

1.3 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(duì)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。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70N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(shí)較理想的初始接觸壓力為70N，且弓網(wǎng)接觸壓力存在1個(gè)最優(yōu)值。

1.4 電流變化與接觸電阻的關(guān)系

隨著電流的增加，接觸電阻近似線性變化地增大，電流對(duì)碳滑板的溫升影響隨著時(shí)間的延長(zhǎng)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(guò)程中，滑板溫度的升高使接觸面的磨粒黏著增強(qiáng)，實(shí)際的接觸點(diǎn)減少，接觸電阻增大;同時(shí)由于碳滑板內(nèi)碳潤(rùn)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。

2接觸網(wǎng)打火拉弧的原因

2.1 打火花的原因

由于短時(shí)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，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，放電將很短暫并會(huì)停止。

2.2 拉弧的原因

從電氣學(xué)的理論分析，在滑動(dòng)電接觸過(guò)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(shí)，滑板和接觸線之間的電壓便會(huì)突升，出現(xiàn)一個(gè)很大的電壓，此時(shí)碳滑板和接觸網(wǎng)的間隙將可能發(fā)生電場(chǎng)電離放電。另外一種情況是弓網(wǎng)離線時(shí)牽引電流通過(guò)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)生熱電離放電。這2種情況下因?yàn)殚g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。

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(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)沒(méi)有影響。例如，當(dāng)列車靜止，受電弓升降弓時(shí)，碳滑板與接觸線接觸或脫離接觸瞬間，其開(kāi)斷電流不大，接觸點(diǎn)有電火花現(xiàn)象發(fā)生，但一般不會(huì)帶來(lái)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(lái)分析拉弧的影響。①對(duì)于高速列車，研究表明：當(dāng)列車高速取流時(shí)，電弧能維持弓網(wǎng)系統(tǒng)電流的持續(xù)性，弓網(wǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)或在很短的時(shí)間內(nèi)熄滅，其熱流對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的侵蝕有限，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響也有限。②對(duì)于中低速地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)（一般電客車的運(yùn)行速度在120km/h以下，市域快軌160km/h以下）而言，文獻(xiàn)[1]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(shí)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(shí)，磨損量減小。根據(jù)實(shí)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(gè)結(jié)果對(duì)地鐵而言尤為符合。雖然一般的拉弧不影響弓網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行，但是會(huì)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(chǎng)實(shí)際觀察，當(dāng)列車以較大取流運(yùn)行時(shí)，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(wú)電區(qū)時(shí)，均能導(dǎo)致強(qiáng)烈的電弧現(xiàn)象，給弓網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)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)束語(yǔ)

從弓網(wǎng)打火拉弧的現(xiàn)象和本質(zhì)來(lái)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(guò)對(duì)接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸的特性研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知，當(dāng)列車取流較大，尤其是加速取流時(shí)，發(fā)生拉弧的概率較大。正常情況下的打火、拉弧現(xiàn)象輕微且很短暫，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行影響較小，但會(huì)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(wú)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(shí)，列車穿越不同供電區(qū)段時(shí)，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(cè)、檢調(diào)，滿足相互之間滑動(dòng)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(shí)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(gè)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(duì)列車啟動(dòng)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(jì)及運(yùn)營(yíng)管理提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷棟，吳廣寧，張雪原，等.高速鐵路弓網(wǎng)電弧抑制方法的研究[J].電氣化鐵道，2008，（5）：1-4.