青島地鐵13號(hào)線(xiàn)接觸軌打火拉弧研究及預(yù)防措施研究

董　雪

摘 要：在接觸軌供電的軌道交通系統(tǒng)中，列車(chē)通過(guò)集電靴與接觸軌接觸摩擦取電，如果集電靴與接觸軌端部之間的絕緣距離較短或絕緣措施不全面則會(huì)產(chǎn)生拉弧或電火花，電弧、電火花侵入接觸軌造成集電靴與接觸軌的電灼傷。

本文以青島地鐵13號(hào)線(xiàn)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的打火拉弧為研究對(duì)象，深入分析、探究故障發(fā)生背后的深層次原因，并有針對(duì)性的提出改進(jìn)措施，盡最大可能的減少打火拉弧現(xiàn)象以及打火拉弧造成的危害。

關(guān)鍵詞：打火拉弧 接觸軌 集電靴 軌道交通

中圖分類(lèi)號(hào)：U231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2020）01-0-01

一、接觸軌打火拉弧現(xiàn)象概述

打火拉弧是由于導(dǎo)體之間絕緣被擊穿，形成放電通道的一種放電現(xiàn)象。在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，若開(kāi)斷電流或加在觸頭上的電壓大于生弧電流和生弧電壓時(shí)，觸頭間隙會(huì)因?yàn)楸粨舸┒a(chǎn)生電弧或電火花。在接觸軌供電的軌道交通系統(tǒng)中，列車(chē)通過(guò)集電靴與接觸軌端部接觸摩擦取電，集電靴與接觸軌端部端部彎頭脫離的瞬間，其開(kāi)斷電流和間隙電壓通常會(huì)大于生弧電流和生弧電壓，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生打火拉弧現(xiàn)象。

同時(shí)，由于交流（AC）和直流（DC）供電系統(tǒng)的不同，造成兩者系統(tǒng)中所產(chǎn)生的打火拉弧現(xiàn)象會(huì)有不同的特性。直流系統(tǒng)中的電流和電壓之間沒(méi)有相互作用，弧度僅為零，其自我可持續(xù)性更強(qiáng)。因此，一旦形成電弧，就很難快速消除。持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所造成的后果比之交流系統(tǒng)更加嚴(yán)重。

青島地鐵采用接觸軌直流系統(tǒng)供電。青島地鐵列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)在進(jìn)出車(chē)站以及進(jìn)出車(chē)廠(chǎng)時(shí)集電靴接觸、遠(yuǎn)離端部彎頭是最頻繁的開(kāi)關(guān)操作，因此在端部彎頭處最容易產(chǎn)生打火拉弧現(xiàn)象，而交叉渡線(xiàn)端部彎頭較多，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)集電靴接觸、遠(yuǎn)離操作更為頻繁;列車(chē)經(jīng)過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)電壓過(guò)大，也容易產(chǎn)生打火拉弧現(xiàn)象。因此，研究交叉渡線(xiàn)和無(wú)電區(qū)的打火拉弧現(xiàn)象更有針對(duì)性，且更容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，總結(jié)規(guī)律。

二、接觸軌打火拉弧原因分析

首先分析集電靴脫離端部彎頭前后的具體過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，集電靴和端部彎頭之間會(huì)經(jīng)歷從完全接觸、部分接觸到臨界接觸、再?gòu)拈_(kāi)始脫離到完全脫離的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。集電靴和端部彎頭實(shí)際接觸面積逐漸減小，接觸處的電流密度逐漸增大，導(dǎo)致接觸處的金屬被強(qiáng)烈加熱。在集電靴與端部彎頭脫離的瞬間，電能集中加熱到集電靴與端部彎頭最后一塊體積很小的接觸面上，使其溫度迅速上升到金屬的沸點(diǎn)，接觸處的金屬首先熔化，形成金屬蒸氣進(jìn)入弧隙。集電靴與端部彎頭開(kāi)始分開(kāi)時(shí)距離很小，兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，在電場(chǎng)的作用下，弧隙中產(chǎn)生大量的帶電粒子，在弧隙充滿(mǎn)高溫金屬蒸氣、帶電粒子的條件下，便形成了電弧;如若集電靴在遠(yuǎn)離端部彎頭時(shí)雖有電連接但達(dá)不到電弧生成的條件，便只會(huì)形成短時(shí)弧光放電的電火花，而無(wú)法形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電弧，這種情況下不會(huì)對(duì)接觸軌造成很大的危害，因此不必展開(kāi)單獨(dú)討論。

通過(guò)對(duì)打火拉弧的具體分析、查閱資料以及請(qǐng)教相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士并結(jié)合青島地鐵13號(hào)線(xiàn)的實(shí)際案例，總結(jié)得到了幾個(gè)易加劇打火拉弧的因素：

1.集電靴與接觸軌無(wú)適當(dāng)接觸壓力

為保證向列車(chē)連續(xù)而不間斷地供電，集電靴與接觸軌必須一直保持電接觸，獲得良好電接觸的關(guān)鍵要素是集電靴對(duì)接觸軌要有適當(dāng)?shù)膲毫?。接觸壓力不應(yīng)太小，如果太小，會(huì)造成離線(xiàn)，產(chǎn)生電火花或電弧。接觸壓力也不宜過(guò)大，如果太大加劇靴軌系統(tǒng)的磨損，降低接觸軌的使用壽命。

2.集電靴或端部彎頭安裝偏差

集電靴理論設(shè)計(jì)上應(yīng)與軌面保持平行，否則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)從而引起離線(xiàn)拉弧。但在實(shí)際安裝中，由于安裝精度，操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，可能造成部分集電靴存在偏斜、高差等?wèn)題。尤其引發(fā)集電靴與接觸軌實(shí)際接觸面積減少，加劇打火拉弧的情況

3.列車(chē)通過(guò)無(wú)電區(qū)

基于限界要求、接觸軌斷口的布置、線(xiàn)路條件、集電靴的布置及設(shè)計(jì)缺陷等因素，在一些道岔區(qū)域存在不同程度的無(wú)電區(qū)，列車(chē)運(yùn)行至該區(qū)域時(shí)，列車(chē)集電靴間的長(zhǎng)度小魚(yú)接觸軌相鄰的錨段距離，這就造成列車(chē)部分單元失電，使得靴軌間的接觸面積大大減少，從而造成無(wú)電區(qū)端部彎頭處易出現(xiàn)嚴(yán)重的打火拉弧現(xiàn)象。

4.列車(chē)速度的影響

當(dāng)列車(chē)在低速運(yùn)行時(shí)，集電靴和接觸軌保持良好接觸，但隨著列車(chē)速度的提高，集電靴和接觸軌接觸壓力會(huì)隨之而發(fā)生變化劇烈，至到失去接觸而發(fā)生離線(xiàn)。

三、接觸軌打火拉弧預(yù)防措施

針對(duì)以上原因，本論文提出幾條切實(shí)可行的預(yù)防措施：

1.在設(shè)計(jì)中，在容許的條件下，加大集電靴與接觸軌的補(bǔ)償張力，減少“離線(xiàn)”現(xiàn)象。另外，在集電靴日常維護(hù)時(shí)，還有加強(qiáng)集電靴拉簧系統(tǒng)的檢查，一方面確保集電靴的升靴高度符合技術(shù)要求，另一方面測(cè)試其接觸壓力應(yīng)滿(mǎn)足正常升靴狀態(tài)。

2.定期檢測(cè)接觸軌定位點(diǎn)的工作高度，應(yīng)滿(mǎn)足技術(shù)要求，每跨距定位點(diǎn)的工作高度相差不宜過(guò)大，一般不超過(guò)5mm，避免加劇接觸軌和集電靴接觸力的不均勻，減小集電靴垂向振動(dòng)幅度。同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注端部彎頭的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合要求。

3.優(yōu)化接觸網(wǎng)，調(diào)整集電靴與接觸軌的接觸面積，在設(shè)計(jì)階段，充分考慮線(xiàn)路條件和列車(chē)取流的實(shí)際情況，盡可能地避免無(wú)電區(qū)的存在，盡量縮短集電靴與接觸軌的接觸空擋區(qū)域，合理地減少集電靴對(duì)其放電距離，確保列車(chē)能夠連續(xù)、平穩(wěn)地取流，從而延長(zhǎng)端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命。

4.提高波動(dòng)傳播速度。在選擇接觸軌導(dǎo)線(xiàn)是時(shí)，可采用一些取抗高溫軟化性能好、導(dǎo)電率高、質(zhì)量輕、綜合拉斷力大的合金導(dǎo)線(xiàn)，從而增加導(dǎo)線(xiàn)的補(bǔ)償張力，提高波動(dòng)傳播速度，防止列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生波動(dòng)，產(chǎn)生離線(xiàn)現(xiàn)象。

5.建立預(yù)防機(jī)制。充分利用接觸軌綜合檢修和端部彎頭檢修等作業(yè)及時(shí)掌握接觸軌的實(shí)際情況，一旦發(fā)現(xiàn)有打火拉弧問(wèn)題，要及時(shí)分析，采取有效措施，把問(wèn)題消滅在萌芽狀態(tài)。在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中加大對(duì)對(duì)打火拉弧的排查、監(jiān)控力度，同時(shí)采取多種切實(shí)可行的預(yù)防措施，盡可能減少打火拉弧的發(fā)生以及打火拉弧造成的后果。

結(jié)語(yǔ)

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運(yùn)動(dòng)瞬間，想要徹底地消除打火拉弧是不現(xiàn)實(shí)的，本文著重結(jié)合運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的嚴(yán)重打火拉弧的現(xiàn)象，指出日常設(shè)備維護(hù)過(guò)程中的關(guān)注重點(diǎn)，有效避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉弧現(xiàn)象，改善靴軌受流質(zhì)量，從而延長(zhǎng)端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]黃馳.廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)列車(chē)降靴過(guò)程的拉弧分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010.35.

[2]張雪.GIS設(shè)備VFTO仿真中隔離開(kāi)關(guān)電弧模型的研究[D].北京，2010.3.

[3]陳祥.接觸軌端部彎頭：集電拉弧的產(chǎn)生及其影響[J].科技前言，2016.