城市軌道交通接觸網(wǎng)打火分析論證及對(duì)策

余香山，孔金文，何 斐，裘 成，姜冬梅

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，弓網(wǎng)視頻監(jiān)控、弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)等技術(shù)手段不斷推廣應(yīng)用，牽引供電系統(tǒng)中越來越多的問題被暴露出來，其中以接觸網(wǎng)打火問題最為嚴(yán)重，且呈逐年上升趨勢(shì)。接觸網(wǎng)打火降低了弓網(wǎng)設(shè)備的使用壽命，對(duì)弓網(wǎng)檢測設(shè)備造成了非常大的干擾。近年來行業(yè)內(nèi)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[1～6]，對(duì)城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)、低速、大電流牽引系統(tǒng)的研究較少。本文突破本專業(yè)思維限制，對(duì)車輛ERME事件記錄進(jìn)行分析，通過客觀數(shù)據(jù)分析接觸網(wǎng)打火問題的根本原因，并上線進(jìn)行測試論證，同時(shí)結(jié)合運(yùn)營指標(biāo)提出相應(yīng)對(duì)策。

1 行業(yè)內(nèi)分析情況

針對(duì)接觸網(wǎng)打火問題，一般從以下幾方面進(jìn)行分析：

（1）接觸網(wǎng)、鋼軌平順性不良以及接觸線施工過程中出現(xiàn)硬點(diǎn)，導(dǎo)致弓網(wǎng)跟隨性差，離線率較高，甚至出現(xiàn)打弓等情況。通過調(diào)整軌道水平、接觸線高差，使其控制在細(xì)微誤差范圍內(nèi)，并通過檢查確保接觸線上幾乎無硬點(diǎn)，且將鋼軌打磨光滑，發(fā)現(xiàn)打火問題未得到明顯改善。

（2）剛性接觸網(wǎng)自身彈性不良，與柔性接觸網(wǎng)可通過吊弦、定位器以及補(bǔ)償裝置的上下伸縮相比存在明顯的劣勢(shì)，導(dǎo)致弓網(wǎng)之間機(jī)械磨損較為嚴(yán)重，長期惡化后出現(xiàn)打火。通過改良絕緣懸掛組件，增加彈性線夾，使剛性接觸網(wǎng)彈性更佳，理論上可實(shí)現(xiàn)更好的弓網(wǎng)關(guān)系，然而實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)效果不佳。

（3）弓網(wǎng)接觸壓力設(shè)置不合理，根據(jù)TB/T 3271-2011《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》相關(guān)規(guī)定，對(duì)于1.5 kV 直流系統(tǒng)，列車靜止時(shí)靜態(tài)接觸力為70～110 N，然而實(shí)際城市軌道交通弓網(wǎng)靜態(tài)接觸力普遍設(shè)置在120 N 左右，導(dǎo)致弓網(wǎng)機(jī)械磨損加重，最終影響弓網(wǎng)關(guān)系。通過對(duì)靜態(tài)接觸力進(jìn)行調(diào)整，將壓力值降低進(jìn)行測試，由于接觸力降低后弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸不夠密貼，離線率增高，使得打火問題更為嚴(yán)重。

（4）加速度對(duì)于拉弧的產(chǎn)生也有一定影響[10]：a.當(dāng)列車加速度突然增大時(shí)，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(shí)，牽引電流也同時(shí)增大）；b.電客車速度越高，急加速頻率越高，時(shí)間越長，燃弧次數(shù)越多；c.加速度越大，短時(shí)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，列車瞬間取流時(shí)（即加速度大）產(chǎn)生了較大的網(wǎng)流（即短時(shí)溫升大），從而易導(dǎo)致拉弧。

本文針對(duì)上述第（4）點(diǎn)，對(duì)車輛運(yùn)行中參數(shù)設(shè)置情況進(jìn)行深入研究分析并開展測試，找到車輛運(yùn)行中存在的客觀規(guī)律，通過在合理范圍內(nèi)對(duì)客觀規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，從而改善接觸網(wǎng)打火情況。

2 客觀數(shù)據(jù)分析

通過分析弓網(wǎng)監(jiān)控視頻可以發(fā)現(xiàn)，打火位置較為固定，主要集中在出站以及區(qū)間加速位置，這些位置處的接觸線由于長期經(jīng)受打火產(chǎn)生的電氣磨損，造成了不可逆的損傷，任何車輛運(yùn)行經(jīng)過這些位置時(shí)均可能出現(xiàn)打火?；诖耍槍?duì)這些固定位置與車輛ERME 事件記錄進(jìn)行匹配，圖1—圖4 幾乎涵蓋了所有ATO 模式下車輛運(yùn)行時(shí)的速度、牽引級(jí)位及DCU 中間電流（反映受電弓取流大?。┎ㄐ巫兓愋?，圖中畫圈處為打火位置。

圖1 客觀數(shù)據(jù)分析1

圖2 客觀數(shù)據(jù)分析2

圖3 客觀數(shù)據(jù)分析3

圖4 客觀數(shù)據(jù)分析4

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）圖1—圖3 中出站階段存在2 段加速：第1 段加速當(dāng)速度小于50 km/h 時(shí)，牽引級(jí)位一直維持最大，電流持續(xù)上升，未出現(xiàn)打火情況；第2段加速當(dāng)速度超過50 km/h 后，牽引級(jí)位、電流瞬間升至最大值并維持一小段時(shí)間，打火情況出現(xiàn)。

（2）圖1、圖2 中顯示，除出站加速外，區(qū)間運(yùn)行時(shí)也同樣存在瞬間大電流牽引的加速情況，該位置同樣出現(xiàn)打火。

（3）圖4 中未出現(xiàn)第2 段加速，區(qū)間運(yùn)行時(shí)最大牽引升至70%左右，未出現(xiàn)打火。

（4）打火情況出現(xiàn)時(shí)，受電弓取流達(dá)到峰值。

因此，可以得出結(jié)論：（1）隨著牽引級(jí)位、速度的增大，受電弓取流也逐漸增大，造成弓網(wǎng)電氣磨損增大；（2）在既有受損的接觸線上，當(dāng)速度、牽引級(jí)位同時(shí)達(dá)到一定條件時(shí)，容易出現(xiàn)接觸網(wǎng)打火問題。

3 測試論證

為了驗(yàn)證接觸網(wǎng)打火與牽引級(jí)位、速度之間的關(guān)系，在某運(yùn)營線路上，通過限制ATP 模式下牽引級(jí)位的方式進(jìn)行測試。

從啟動(dòng)開始維持固定牽引級(jí)位至最大速度，將牽引級(jí)位由最大值開始逐漸降低進(jìn)行測試，降低過程中打火情況逐漸發(fā)生細(xì)微改善。

當(dāng)牽引級(jí)位降至30%時(shí)，經(jīng)過打火位置時(shí)速度處于40～55 km/h 之間，電流在1 000 A 以內(nèi)，打火情況較之前有明顯改善，打火持續(xù)時(shí)長明顯縮短，火花明顯變小，見圖5、圖6。

圖5 測試數(shù)據(jù)分析1

圖6 測試數(shù)據(jù)分析2

當(dāng)以30%牽引級(jí)位啟動(dòng)維持30 s，再惰行30 s，將經(jīng)過打火位置時(shí)的牽引級(jí)位、電流降為零，此時(shí)速度處于30～45 km/h 之間，與圖5、圖6 的相同地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，打火情況基本消失，見圖7、圖8。

圖7 測試數(shù)據(jù)分析3

圖8 測試數(shù)據(jù)分析4

4 整改建議及對(duì)策

打火情況演變過程：新線開通初期接觸線均為全新狀態(tài)，之后經(jīng)過長期運(yùn)行，對(duì)于其中部分經(jīng)受大功率牽引、大電流、高速度的接觸線，電氣、機(jī)械磨損逐漸增大直至出現(xiàn)異常，長此以往，陷入惡性循環(huán)造成打火。

通過采取限制牽引級(jí)位的方式限制經(jīng)過打火位置時(shí)的速度與電流，可以從根本上消除除接觸網(wǎng)設(shè)備本身異常外的幾乎所有接觸網(wǎng)打火問題。然而考慮到運(yùn)營指標(biāo)，牽引級(jí)位無法降低至測試值，因此打火情況無法避免，因此在牽引級(jí)位、運(yùn)營指標(biāo)兩者之間需找到一個(gè)平衡點(diǎn)，在確保運(yùn)營指標(biāo)基本不受影響的情況下盡量平緩增大牽引級(jí)位并避免出現(xiàn)大電流牽引，進(jìn)而延長弓網(wǎng)設(shè)備使用壽命。同時(shí)考慮到站臺(tái)位置接觸網(wǎng)磨耗情況同樣較為嚴(yán)重，因此建議車輛在運(yùn)行過程中的任何時(shí)間段內(nèi)牽引級(jí)位均不超過70%。

同時(shí)，在日常維修作業(yè)過程中，做好接觸網(wǎng)、軌道參數(shù)的調(diào)整工作，保持接觸網(wǎng)、軌道的平順性，可以在一定程度上改善打火情況；當(dāng)弓網(wǎng)、輪軌磨損較大影響其平順性時(shí)，除需做好調(diào)整工作以外，還需做好受電弓滑板、接觸線及車輪、軌道的打磨工作，確保弓網(wǎng)、輪軌間平滑過渡。

正常情況下發(fā)生的打火、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[10]，而對(duì)于不僅火花大而且持續(xù)時(shí)間長的接觸網(wǎng)打火，為非正常情況，這與剛性接觸網(wǎng)自身特性密切相關(guān)，特別是出站加速位置，可以考慮針對(duì)出站位置的特殊性對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。隨著弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以了解到更多關(guān)于弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)特性，再通過新技術(shù)新產(chǎn)品研制對(duì)弓網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行改良，尋找進(jìn)一步改善弓網(wǎng)關(guān)系的方法。

5 結(jié)語

接觸網(wǎng)打火問題一直是城市軌道交通供電系統(tǒng)的難題，本文為解決接觸網(wǎng)打火問題從車輛運(yùn)行中存在的客觀規(guī)律找到了新的解決思路和方法，并對(duì)采用降低牽引級(jí)位（加速度）的方式進(jìn)行了測試，打火問題得到改善，對(duì)城市軌道交通供電、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)營管理具有一定的借鑒意義。