淺談?dòng)熊夒娷?chē)接觸網(wǎng)局部磨耗異常

張竹林 張小寧

1. 蘇州高新有軌電車(chē)有限集團(tuán)有限運(yùn)營(yíng)分公司 江蘇 蘇州 215000；

2. 同濟(jì)大學(xué)城市交通研究院 上海 200092

引言

現(xiàn)代有軌電車(chē)做城市軌道交通的主要交通工具之一，在運(yùn)營(yíng)服務(wù)方面具有低碳環(huán)保、運(yùn)量適中、方便快捷、準(zhǔn)點(diǎn)舒適等眾多優(yōu)點(diǎn)，在建設(shè)上具有投資少，建設(shè)周期短，在城市規(guī)劃中作為地鐵線的補(bǔ)充起到關(guān)鍵作用，受到廣大市民青睞，因此國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)的建設(shè)也進(jìn)入了高速發(fā)展階段，部分有軌電車(chē)采用技術(shù)相對(duì)成熟的觸網(wǎng)供電，作為接觸網(wǎng)供電，接觸網(wǎng)的磨耗必不可少，因此對(duì)于降低接觸網(wǎng)磨耗是作為供電運(yùn)營(yíng)管理者需進(jìn)一步研究的課題。

1 蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線全線25km，全線目前與社會(huì)道路在22個(gè)交通路口，14座站臺(tái)，當(dāng)電車(chē)通過(guò)路口、站臺(tái)等位置時(shí)，根據(jù)行車(chē)規(guī)定都會(huì)有相應(yīng)的限速以及通過(guò)后進(jìn)行相應(yīng)提速過(guò)程，在這種情況下對(duì)弓網(wǎng)的相互參數(shù)調(diào)整要求及其重要，否則對(duì)受電弓的取流、碳滑板的磨耗以及接觸線的磨耗都會(huì)大大增加。蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線2014年10月試運(yùn)營(yíng)至今已有8年時(shí)間，接觸線通過(guò)受電弓架次約40萬(wàn)弓架次，接觸網(wǎng)運(yùn)行至今，總體上運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。但是仍然有局部區(qū)位存在局部磨耗異常情況，并且磨耗速度隨著時(shí)間的推移逐漸加快。

2 磨耗異常分析

通過(guò)運(yùn)行檢修發(fā)現(xiàn)蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線接觸線磨耗異常位置絕大部分處在出分段絕緣器1.5m左右的范圍內(nèi)。對(duì)于磨耗異常相對(duì)較大的主要有3處，具體位置分別在09-43下行分段絕緣器小里程電纜線夾處、02-54#上行分段絕緣器大里程電纜線夾處、03-55#上行分段絕緣器大里程電纜線夾處。并對(duì)以上接觸線進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具體磨耗數(shù)據(jù)如下，表1。

表1 接觸線磨耗記錄

2.1 接觸線運(yùn)行分析

09-43接觸網(wǎng)桿處接觸線磨耗異常，根據(jù)蘇州有軌電車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，可以推算出2019年11月30日至2021年2月9日這段時(shí)間內(nèi)各個(gè)階段接觸網(wǎng)通過(guò)的受電弓架次，其中2020年12月12日進(jìn)行了相關(guān)調(diào)圖，詳見(jiàn)表2。

表2 09-43受電弓架次計(jì)算

接觸線磨耗比=接觸線磨耗面積/通過(guò)受電弓架次。通過(guò)表1和表2可以計(jì)算出09-43處接觸線和受電弓通過(guò)架次各階段的磨耗比，2019年11月30日至2021年2月9日為1.89mm2/萬(wàn)弓架次，2021年1月27日至2021年2月9日為15.8mm2/萬(wàn)弓架次。

02-54、03-55接觸網(wǎng)，根據(jù)蘇州有軌電車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，可以計(jì)算出2022年02月18日至2022年05月18日，該接觸線通過(guò)受電弓架次為1.33萬(wàn)次。02-54接觸網(wǎng)桿處接觸線磨耗比通過(guò)計(jì)算為0.922mm2/萬(wàn)弓架次；03-55接觸網(wǎng)桿處接觸線磨耗比通過(guò)計(jì)算為1.859mm2/萬(wàn)弓架次；

接觸線磨耗可采用接觸線磨耗比進(jìn)行分析，接觸線磨耗掉的高度和通過(guò)的弓架次成正比關(guān)系，每萬(wàn)弓架次磨耗應(yīng)≤0.015mm2。由此可見(jiàn)以上3處接觸線磨耗率均超出規(guī)范要求。

達(dá)到局部磨耗百分比33%，應(yīng)局部切斷后做接頭。根據(jù)目前磨耗速度計(jì)算，可大致得出通過(guò)弓架次要達(dá)到32.65萬(wàn)，依據(jù)運(yùn)行圖計(jì)算，09-43接觸網(wǎng)桿處接觸線磨耗到33%時(shí)所需時(shí)間大約為6.2年。但是因磨耗速度會(huì)隨著線徑的減小隨著線阻的增大等多方面因素，接觸線的使用實(shí)際年限往往小低于計(jì)算值。

但是根據(jù)09-43接觸網(wǎng)桿處2021年1月27日至2021年2月9日時(shí)間段接觸線的磨耗量飆升至15.8mm2/萬(wàn)弓架次。因此可以得知當(dāng)剩余線徑到一定量時(shí)，接觸線磨損速度會(huì)加快，若按照此數(shù)據(jù)同等方法計(jì)算，線徑由14.09mm磨至9.43mm僅需8個(gè)月左右就達(dá)到規(guī)程要求限值。

2.2 磨耗異常原因分析

通過(guò)圖1，我們可以看出蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線09-43處接觸網(wǎng)正好為第九、十供電分區(qū)交接處，該處安裝了分段絕緣器，同時(shí)處在社會(huì)交通路口處。

圖1 09-43接觸網(wǎng)位置示意圖

根據(jù)司機(jī)駕駛習(xí)慣，電車(chē)通過(guò)路口時(shí)有一個(gè)減速過(guò)程，一旦通過(guò)路口后會(huì)有一個(gè)較大的加速。同時(shí)02-54和03-55處接觸網(wǎng)處于一個(gè)上坡的區(qū)段，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)牽引功率也會(huì)隨之加大。

由于受電弓與接觸網(wǎng)是兩個(gè)不同的振動(dòng)子系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)受流的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)燃弧，帶來(lái)接觸線的機(jī)械和電氣磨耗，以及不同環(huán)境條件下可能帶來(lái)的化學(xué)磨耗[1]。通過(guò)初步分析接觸線磨耗異常主要在以下幾個(gè)方面：

2.2.1 分段絕緣器受安裝形式限制，目前安裝只有一側(cè)有兩根平衡桿將其吊住，無(wú)法保證絕對(duì)的平衡，當(dāng)有軌電車(chē)通過(guò)時(shí)，接觸網(wǎng)和有軌電車(chē)受電弓震動(dòng)不處在同一個(gè)頻率上，會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸不良現(xiàn)象發(fā)生，增加打火拉弧現(xiàn)象。

2.2.2 由于下行車(chē)輛通過(guò)09-43接觸網(wǎng)前需要通過(guò)鄧蔚路路口，司機(jī)往往會(huì)又一個(gè)減速過(guò)程，一旦車(chē)輛通過(guò)路口，車(chē)輛會(huì)增加一個(gè)大的牽引，來(lái)進(jìn)行提速，此時(shí)車(chē)輛取流也會(huì)大大提高，拉弧現(xiàn)象也會(huì)提高。

2.2.3 受電弓抬升力大小不合適造成磨耗加劇。在受電弓滑動(dòng)過(guò)程中，若弓網(wǎng)間的抬升力過(guò)小，會(huì)增大接觸網(wǎng)間的接地電阻，造成功耗損耗加大且極其容易產(chǎn)生離線及拉弧現(xiàn)象，從而導(dǎo)致受電弓的碳滑板與接觸線表面灼傷，形成粗糙的接觸面，加大受電弓與接觸網(wǎng)的磨耗。若受電弓抬升力過(guò)大，會(huì)造成受電弓碳滑板磨耗加大，長(zhǎng)期下去碳滑板形成局部凹槽，進(jìn)而造成接觸線彈跳拉弧，加劇接觸線磨耗[2]。

3 存在隱患

據(jù)統(tǒng)計(jì)2021年軌道交通系統(tǒng)重大故障中就有兩起接觸網(wǎng)故障，分別為2021年4月3日，深圳地鐵2號(hào)線世界之窗至紅樹(shù)灣下行區(qū)段接觸網(wǎng)塌網(wǎng)，中斷運(yùn)營(yíng)5小時(shí)58分，導(dǎo)致受電弓等設(shè)備故障，直接造成損失17萬(wàn)。以及2021年8余額26日，深圳地鐵4號(hào)線紅山站至清湖站下行區(qū)間發(fā)生接觸網(wǎng)斷裂故障。造成紅山站至清湖站下行區(qū)間中斷運(yùn)營(yíng)2小時(shí)11分鐘，上行區(qū)間中斷運(yùn)營(yíng)約1小時(shí)24分鐘，導(dǎo)致受電弓等設(shè)備故障，直接造成損失14萬(wàn)。因此解決此類(lèi)接觸線磨耗異常問(wèn)題迫在眉睫，否則將會(huì)在運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本方面加大投入，同時(shí)在有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)安全方面存在重大隱患。

根據(jù)蘇州有軌電車(chē)接觸網(wǎng)簡(jiǎn)單懸掛特點(diǎn)、《接觸網(wǎng)檢修規(guī)程》以及結(jié)合接觸線磨耗和損傷程度、接觸線最大載流、機(jī)械強(qiáng)度和安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行綜合判斷主要隱患為以下幾點(diǎn)：

3.1 行車(chē)安全方面

接觸線局部磨耗過(guò)大，增大接觸線與受電弓的離線率及機(jī)械磨耗，由于受電弓與接觸線間的接觸不良以及接觸線的線徑變小將會(huì)進(jìn)一步增大電阻，從而產(chǎn)生大量熱量，又因?yàn)橛熊夒娷?chē)運(yùn)營(yíng)基本屬于開(kāi)放室外，其在運(yùn)行過(guò)程中收到外部異物、雨水等影響提高線路短路概率。導(dǎo)致接觸線局部位置快速升溫，致使接觸線局部軟化，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)進(jìn)一步加大接觸線的磨耗以及接觸線的溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)接觸線燒斷現(xiàn)象[3]。同時(shí)隨著接觸線磨耗的增大，接觸線承載的張力也會(huì)逐漸變小，一旦不滿足張力安全系數(shù)時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致接觸線斷線，同時(shí)會(huì)引起受電弓的二次傷害，從而引發(fā)重大行車(chē)安全事故。

3.2 運(yùn)營(yíng)成本方面

當(dāng)接觸線異常磨耗過(guò)大，受電弓與接觸線之間的工作面不平整，將會(huì)進(jìn)一步加速受電弓碳滑板的磨耗，降低碳滑板壽命，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因弓網(wǎng)關(guān)系不良，碳滑板使用壽命將會(huì)縮短至原有壽命的2/3。同時(shí)因接觸線異常磨耗過(guò)大，接觸線的使用壽命也會(huì)大大縮短，正常情況下會(huì)因?yàn)槟骋惶幗佑|線磨耗異常達(dá)不到運(yùn)營(yíng)安全標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致整個(gè)接觸線錨段1500m左右的接觸線需要進(jìn)行更換處理（因有軌電車(chē)接觸線采用柔性簡(jiǎn)單懸掛安裝形式，正常情況不建議對(duì)接觸線做接頭處理）。不管是在人力成本上還是物資成本上都會(huì)加大運(yùn)營(yíng)投入。

4 應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)排查，09-43接觸線離落錨處距離為300m左右，距離相對(duì)較短，可以先將接觸線磨耗異常部位裁剪，然后在落錨組件處加長(zhǎng)鋼絲繩，將整個(gè)接觸線向09-43接觸線分段絕緣器處，確保接觸線運(yùn)行正常。

多部門(mén)共同研究，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整弓網(wǎng)關(guān)系，其中觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)可以從接觸線分段絕緣器安裝形式、接觸線拉出值、張力和導(dǎo)高等方面著手，車(chē)輛專(zhuān)業(yè)可以從受電弓抬升力、受電弓左右擺動(dòng)范圍等方面著手。接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)通過(guò)對(duì)接觸線拉出值和分段安裝方面進(jìn)行調(diào)整。接觸線分段絕緣器選取一處由原來(lái)的兩點(diǎn)懸吊固定平衡改為四點(diǎn)懸吊固定平衡。車(chē)輛專(zhuān)業(yè)也對(duì)受電弓抬升力進(jìn)行多次調(diào)整以及調(diào)后狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)車(chē)輛加強(qiáng)受電弓部位的檢修。

如圖2所示，車(chē)輛在惰性時(shí)，車(chē)輛所需的牽引力最小，因此有軌電車(chē)電車(chē)受電弓的取流值也相應(yīng)最小。在同等工況下取流值變小就能夠有效改善弓網(wǎng)間拉弧情況，接觸線的電化學(xué)腐蝕就會(huì)相應(yīng)減小。因此可以重點(diǎn)在行車(chē)組織方面著手想辦法解決接觸線磨耗嚴(yán)重問(wèn)題。在09-43接觸網(wǎng)桿分段絕緣器處增加惰性行駛提示牌，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)分段絕緣器后再解除惰性行駛提示?？梢杂行p小拉弧現(xiàn)象，降低電化學(xué)腐蝕。

圖2 牽引力與速度關(guān)系圖

通過(guò)采取以上措施，安排接觸網(wǎng)工班檢修人員進(jìn)行為期15天50列次車(chē)輛經(jīng)過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)間拉孤先現(xiàn)象大大減少，緊緊出現(xiàn)7列次輕微拉弧現(xiàn)象，43列次的車(chē)輛通過(guò)未出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，且弓網(wǎng)關(guān)系得到改善，經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)接觸線磨耗基本與正線保持一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

接觸線異常磨耗受眾多因素影響，通過(guò)本文分析蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線接觸線磨耗異常主要受到分段絕緣器安裝形式限制、電車(chē)通過(guò)路口后提速加牽引以及車(chē)輛受電弓抬升力與接觸網(wǎng)的匹配等因素，引起該處接觸線震動(dòng)導(dǎo)致弓網(wǎng)關(guān)系無(wú)法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，加劇弓網(wǎng)拉弧現(xiàn)象發(fā)生，而產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)。最終通過(guò)采取車(chē)輛通過(guò)路口后繼續(xù)惰行，通過(guò)分段絕緣器后再進(jìn)行提速，有效地降低了拉弧現(xiàn)象的發(fā)生，降低該處接觸線的磨耗。