地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)受流試驗及評估分析

倪慶博 郭鑫穎 李瑞平

摘 要：地鐵列車通常采用電力驅(qū)動，弓網(wǎng)系統(tǒng)是地鐵列車獲取電能的主要方式，弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流性能對地鐵列車的安全運營起關(guān)鍵作用。因此，新建地鐵線路開通或新車上線運營之前，通常需對弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量進(jìn)行線路試驗評估。文章首先介紹弓網(wǎng)系統(tǒng)的試驗內(nèi)容、試驗方法和評價指標(biāo)，然后，基于先期積累的弓網(wǎng)線路試驗數(shù)據(jù)，對弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)燃弧、受電弓垂向加速度等評價指標(biāo)提出合理化建議，以期為地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量評估提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;弓網(wǎng)系統(tǒng);受流質(zhì)量;評估分析

中圖分類號：U231.8

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)

速度120 km/h以下的地鐵列車通常采用DC 1500V

接觸網(wǎng)供電。受電弓/架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)（下文簡稱“弓網(wǎng)系統(tǒng)”）擔(dān)負(fù)著地鐵列車電能傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，對地鐵列車的安全、可靠運行起關(guān)鍵作用。地鐵列車頂部安裝有受電弓，列車運行過程中，受電弓依靠升弓機構(gòu)保持其滑板與接觸網(wǎng)的接觸線滑動接觸，從而將接觸網(wǎng)上的電能通過受電弓傳輸至地鐵列車，一方面為牽引電機提供電能，驅(qū)動列車運行;另一方面為列車的其他用電設(shè)備提供電能。弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量受諸多因素影響，主要包括：弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)離線燃弧、受電弓振動加速度、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)以及線路條件等[1-4]。弓網(wǎng)受流質(zhì)量的惡化會對受電弓和接觸網(wǎng)造成不同程度的侵害，例如：接觸壓力過大會加劇受電弓滑板和接觸線的機械磨損，接觸壓力過小會導(dǎo)致燃弧增加，從而加劇滑板和接觸線的電氣磨損，燃弧嚴(yán)重時會擊穿滑板，甚至燒斷接觸線;接觸線幾何參數(shù)超限，會導(dǎo)致滑板產(chǎn)生偏磨和燃弧現(xiàn)象[5-8];接觸線上存在硬點會導(dǎo)致受電弓振動加速度和動應(yīng)力增加[9-11]，同時，也更易產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。因此，弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量會對地鐵列車的安全運營產(chǎn)生重要影響。

2 弓網(wǎng)關(guān)系測試系統(tǒng)

2019年，中華人民共和國交通運輸部印發(fā)了《城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范 第1部分：地鐵和輕軌》[12]（交辦運[2019] 17號），對弓網(wǎng)關(guān)系的測試目的、測試項點、測試方法以及評價指標(biāo)等做出了相應(yīng)的規(guī)定。其中，弓網(wǎng)關(guān)系的測試項點主要包括：接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)燃弧、弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力以及受電弓垂向加速度（硬點）。弓網(wǎng)關(guān)系測試系統(tǒng)如圖1所示。

接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)和弓網(wǎng)燃弧分別采用安裝在列車頂部的工業(yè)相機和燃弧探測儀（圖2）測量，屬于非接觸式測量部分，不帶高壓電。因此，測試信號經(jīng)信號線直接引入車內(nèi)的檢測主機，經(jīng)檢測主機處理后可直接輸出接觸線動態(tài)導(dǎo)高、拉出值和燃弧數(shù)據(jù)。

弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力和受電弓垂向加速度分別采用安裝在受電弓上的力傳感器（圖3）和加速度傳感器（圖 4）測量，屬于接觸式測量部分。力傳感器與加速度傳感器的測試信號由安裝在受電弓底座處的車頂采集盒（圖5）獲取。由于弓網(wǎng)關(guān)系測試是在受電弓與接觸網(wǎng)取流過程中進(jìn)行，車頂采集盒與受電弓同樣具有DC1500V高壓電，為了避免將受電弓高壓電引入車內(nèi)的信號檢測主機，在車頂采集盒內(nèi)裝有光電轉(zhuǎn)換模塊，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)光纖引入車內(nèi)，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，輸入檢測主機，從而實現(xiàn)弓網(wǎng)接觸壓力和受電弓振動加速度的信號采集。

3 測試結(jié)果與評價指標(biāo)

3.1 弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力

弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力是受電弓靜態(tài)抬升力、慣性力和氣動抬升力的矢量和。由于地鐵列車速度相對較低，氣動抬升力并不顯著[13]，測試過程中通常不予考慮。列車運行過程中，由于接觸線和軌道存在不平順，并且每跨內(nèi)的接觸網(wǎng)彈性存在不均勻性，導(dǎo)致受電弓與接觸網(wǎng)組成了耦合振動系統(tǒng)[14-15]，使得接觸壓力在其平均值上下產(chǎn)生一定的波動。當(dāng)接觸壓力小于零時，表明受電弓滑板與接觸線產(chǎn)生了離線，此時，弓網(wǎng)之間必將產(chǎn)生離線燃弧;當(dāng)接觸壓力過大時，會加劇滑板和接觸線的機械磨損，因此，接觸壓力是表征弓網(wǎng)受流質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。EN 50367-2012《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[16] 中，針對速度160 km/h以下的直流弓網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了不同國家對接觸壓力最大值和最小值的規(guī)定，其中，接觸壓力最大值的閾值均為300 N;除了法國將接觸壓力最小值的閾值規(guī)定為20 N，其他國家均規(guī)定為40 N。

交辦運[2019] 17號文中，對DC 1500 V供電制式的弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力測試結(jié)果作了如下規(guī)定：

式（1）中，F(xiàn)m，max為平均接觸壓力最大值，N;Fm，min為平均接觸壓力最小值，N;σ為接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差，N;v為列車運行速度，km/h。

當(dāng)列車以50 km/h的速度通過剛性和柔性接觸網(wǎng)過渡段時，接觸壓力時程曲線測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，接觸壓力平均值為111.45 N，標(biāo)準(zhǔn)差為11.68N，滿足式（1）的規(guī)定。但是，在560.65 s時，接觸壓力出現(xiàn)了小于零的情況，此時，弓網(wǎng)之間產(chǎn)生離線并出現(xiàn)燃弧現(xiàn)象。

當(dāng)列車以100 km/h的速度運行時，不同線路實測的接觸壓力統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，由表可知，接觸壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均符合交辦運[2019] 17號文的規(guī)定，并且接觸壓力最小值均大于20 N，最大值均小于300 N。

綜上所述，當(dāng)弓網(wǎng)接觸壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均滿足交辦運[2019] 17號文的規(guī)定時，接觸壓力最小值可能小于零。因此，僅對接觸壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作出相應(yīng)規(guī)定，不能有效的對弓網(wǎng)接觸壓力進(jìn)行評價以及查找出弓網(wǎng)系統(tǒng)存在的一些問題，可能導(dǎo)致弓網(wǎng)受流性能不滿足實際運營的需求。

3.2 弓網(wǎng)燃弧

弓網(wǎng)燃弧是弓網(wǎng)受流質(zhì)量優(yōu)劣的最直接表現(xiàn)[17-18]。弓網(wǎng)動力學(xué)性能、滑板材質(zhì)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、受電弓取流量、列車運行速度等均會對弓網(wǎng)燃弧產(chǎn)生重要影響。弓網(wǎng)燃弧會加劇受電弓滑板和接觸線的電氣磨損，同時，也會對車載電氣設(shè)備和線路上的信號設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，從而影響行車安全。國內(nèi)外通常采用燃弧率作為弓網(wǎng)燃弧的評價指標(biāo)，其計算公式如下[19]：

式（2）中，NQ為燃弧率;tarc為燃弧持續(xù)時間大于等于5ms的燃弧時長，ms;ttotal為測量電流超過標(biāo)稱電流的30%的時間，ms。

交辦運[2019] 17號文中，對DC 1500 V供電制式的弓網(wǎng)燃弧測試結(jié)果規(guī)定“燃弧次數(shù)應(yīng)小于1次/160m，燃弧率應(yīng)小于5%，一次燃弧最大時間應(yīng)小于100ms”。但是， EN 50367-2012中，針對速度小于160km/h的直流弓網(wǎng)系統(tǒng)，要求燃弧率應(yīng)小于0.1%，與交辦運[2019] 17號文中的評價標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。

當(dāng)列車以100 km/h的速度運行時，線路試驗測得的燃弧散點如圖7所示，不同線路實測的弓網(wǎng)燃弧統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，由表可知，燃弧次數(shù)均小于1次/160m，一次燃弧最大時長為97 ms，燃弧率為1.26%，測試結(jié)果均滿足交辦運[2019] 17號文的規(guī)定，但是，僅當(dāng)燃弧率大于1%時，其受電弓滑板出現(xiàn)了較大的電氣磨損，甚至出現(xiàn)了異常磨耗。由此可知，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50367-2012關(guān)于燃弧率的評價指標(biāo)過于嚴(yán)苛，而交辦運[2019] 17號文的評價指標(biāo)又較為粗獷，不易發(fā)現(xiàn)實際線路中存在的問題。

3.3 受電弓垂向加速度

列車運行過程中，當(dāng)受電弓垂向加速度超過設(shè)定的閾值時，稱之為硬點，主要用于評價接觸線的平順性是否符合設(shè)計要求。DB32/T 3291-2017《城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)與檢修技術(shù)規(guī)范》[20]中規(guī)定，當(dāng)接觸線導(dǎo)高超出設(shè)計值±30mm時，將其定義為接觸網(wǎng)1類缺陷。當(dāng)接觸線上存在硬彎或者接觸線導(dǎo)高存在缺陷時，均會導(dǎo)致受電弓垂向加速度增加，從而判斷此處的接觸線存在硬點。

當(dāng)列車以速度100 km/h運行時，不同線路實測的受電弓垂向加速度統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。實測獲得的受電弓垂向加速度時程曲線如圖8所示，動態(tài)導(dǎo)高時程曲線如圖9所示。動態(tài)導(dǎo)高從4045.3mm突變至4079.5mm，幅值達(dá)到34.2 mm，已存在接觸網(wǎng)1類缺陷情況，此時受電弓垂向加速度最大值為31.79g，小于交辦運17號文中設(shè)定的50g閾值?？梢姡晦k運[2019] 17號文中設(shè)定的受電弓垂向加速度最大值50g的閾值偏大，不易發(fā)現(xiàn)接觸線不平順現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

（1） 弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力是評價弓網(wǎng)耦合振動行為的重要參數(shù)，僅用接觸壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評價，難以發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)之間存在的離線現(xiàn)象，不利于對弓網(wǎng)振動行為做出科學(xué)評價，應(yīng)將接觸壓力最小值和最大值同時作為評價指標(biāo)。結(jié)合我國地鐵線路實測數(shù)據(jù)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50367-2012，建議將接觸壓力最小值和最大值的閾值分別設(shè)定為20 N和300 N。

（2） 弓網(wǎng)燃弧率是弓網(wǎng)受流質(zhì)量優(yōu)劣的最直接表征，交辦運[2019]17號文將燃弧率閾值設(shè)定為5%，遠(yuǎn)大于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50367-2012中規(guī)定的0.1%。結(jié)合我國地鐵線路的實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃弧率閾值設(shè)定為5%時，絕大多數(shù)線路均能滿足規(guī)范要求，但是，實際情況中當(dāng)燃弧率大于1%時，受電弓碳滑板已經(jīng)出現(xiàn)了異常磨耗，因此，建議將燃弧率閾值設(shè)定為1%。

（3） 接觸線硬點主要用于評價接觸線的平順性是否滿足設(shè)計要求，當(dāng)接觸線存在硬彎或?qū)Ц叽嬖谌毕輹r，受電弓會產(chǎn)生劇烈振動。線路試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛性接觸網(wǎng)導(dǎo)高存在1類缺陷時，受電弓振動加速度達(dá)到31.79g。由此可知，目前交辦運[2019] 17號文設(shè)定的硬點閾值50g不利于發(fā)現(xiàn)接觸線導(dǎo)高存在缺陷情況。結(jié)合我國地鐵線路的實測數(shù)據(jù)，建議將硬點閾值設(shè)定為30g，以確保地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運行。

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收稿日期 2020-06-15

責(zé)任編輯 宗仁莉