軌道交通接觸網電分段及單向導通絕緣軌縫拉弧現象分析

王永平

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300250)

1 概述

在城市軌道交通車輛段出入口處，車輛受電弓通過接觸網四跨電分段常出現拉弧現象，當機車誤停于四跨電分段處時，還會燒斷接觸線，經對測試數據分析，探究接觸網四跨電分段拉弧及燒斷接觸線的原因及車輛段出入口處單向導通配置的絕緣軌縫出現拉弧現象，燒蝕軌縫接頭原因。

2 四跨電分段受電弓拉弧原因測試

在上海九亭停車場西岔出庫線接觸網絕緣錨段關節處進行弓網試驗，當機車運行到四跨電分段中部時，即受電弓將正線與車輛段間的接觸網短接，當兩線間網壓不等時產生電流越區供電現象，且間斷產生瞬間電流變化，因電感電流不能突變受電弓與接觸線產生拉弧現象。通過測試停車場、九亭站、七寶站對應的饋線電壓、電流，得到如下的動態圖形，正線車站的九亭站牽引所及七寶站牽引所同時產生向九亭停車場牽引所瞬間越區供電：

(1)在九亭停車場牽引所測試電流、電壓波形見圖1。

(注：圖中上部曲線線為車輛段牽引所網壓，中部曲線為停車場牽引所饋線電流，下部曲線為停車場牽引所入口處的回流電纜回路電流)

圖1九亭停車場牽引所電流，電壓波形

圖1為機車由停車場向正線運行至四跨電分段時，當受電弓由停車場接觸網向正線接觸網滑行瞬間短接兩接觸線時，因正線越區供電使停車場牽引所饋線電流及回流電流在正線越區供電時瞬間減少。

(2)在九亭站牽引所動作網壓及饋線電流、電壓波形見圖2。

圖2為在同一時間機車由停車場向正線運行至四跨電分段時，當受電弓由停車場接觸網向正線接觸網滑行的瞬間短接兩接觸線時，因正線網壓高于停車場網壓而瞬間越區供電，九亭站牽引所饋線電流突增。

(注：圖中上部曲線為九亭站牽引所饋線網壓，下部曲線為九亭站牽引所饋線電流)

圖2九亭站牽引所電流，電壓波形

(3)在七寶站牽引所網壓及饋線動作電流、電壓波形見圖3。

圖3為在同一時間七寶站牽引所饋線電流瞬間向停車場越區供電，饋線電流突增。

(4)九亭站、七寶站、停車場3個牽引所對應的饋線網壓見圖4。

由圖4可以看出，正線九亭站牽引所(上部曲線)、七寶站牽引所(上部曲線)的母線電壓高于停車場牽引所母線電壓(下部曲線)，其正線電壓高于停車場電壓約160 V。

(5)九亭站、七寶站、停車場三個牽引所對應開關的電流見圖5。

(注：圖中上部曲線為九亭牽引站饋線網壓，下部曲線為七寶站牽引所饋線電流)

圖3七寶站牽引所電流，電壓波形

圖4 三個牽引所對應的饋線網壓波形

圖5 3個牽引所對應開關的電流波形

由圖5可見，上部及中部曲線為正線越區供電電流，下部曲線為四跨入口處反向電流。

3 四跨電分段受電弓拉弧原因分析

(1)正線網壓與停車場網壓不等

通過以上動態測試圖形可知，正線網壓高于停車場網壓，在列車經過四跨電分段關節處，通過受電弓滑板將正線及停車場的接觸網搭通短接，使正線的九亭站牽引所、七寶站牽引所同時向停車場倒灌電流，其停車場網壓低于正線原因有2個，其一是停車場牽引所網壓整定值低于正線，其二由于夜間機車基本回庫整備，庫內負荷較大，網壓下降，導致正線網壓高于庫區網壓。

(2)四跨電分段供電方向不同

在出入停車場口處的四跨電分段上，其相間的兩個接觸線來電方向相反，為不同方向的兩個牽引變電所，當機車通過四跨電分段時，其電流是由后方牽引所經接觸網、機車、鋼軌回到后方牽引所，瞬間電流又突變過渡到由前一方牽引所經接觸網、機車、鋼軌回到前方的牽引所，這樣的一個直流回路大突變，由空間磁場抑制電流不能突變而產生反電動勢的作用，導致拉弧現象。而正線上的四跨電分段均是由同一個牽引變電所的同一母線等值電壓供電，即不會由電壓不等或反電動勢產生拉弧現象。如圖6所示。

圖6 3個牽引所對應平面供電位置

(3)當機車常時間誤停于電分段處

由圖6可知，通過受電弓越區電流約為750 A，若當機車常時間誤停于電分段處，在接觸取流過程中，出現正線電流長時間流過接觸線及受電弓滑板進入庫區，并通過停車場內的負載形成回流通道。當接觸線與受電弓滑板間接觸電阻R與電流I2和時間T的乘積，造成接觸線局部溫升過高，將會使接觸線燒斷。

4 解決方法

(1)調整好停車場牽引所網壓，根據停車場最大負荷，正線無負荷時電分段末端電壓與正線有負荷停車場無負荷時電分段末端電壓之差，取其中值。

(2)加大回、饋線的導線截面，并查找導線銜接處接觸是否良好，降低銜接電阻。

(3)錯開機車入庫時與機車共同整備時間，減小庫內高負荷時產生壓降，導致電分段的壓差。

(4)停車牌位置與四跨電分段錯開，防止機車在四跨電分段處停車，在困難地段可考慮改用電分段器代替四跨電分段。

5 單向導通配置的絕緣軌縫拉弧原因及危害分析

在停車場出入口處鋼軌設置了絕緣軌縫及單項導通裝置，當機車運行通過此處時在該絕緣軌縫處常產生拉弧現象，使得軌頭燒蝕，而在入庫處的單導及絕緣軌縫就不會產生此現象。經分析有以下原因所致，其一，當正線軌電位高于庫區電位，由于單導及絕緣軌縫的作用，使得正線電流不能進入停車場，而當車輛通過此處時由多個車輪、車輛將軌縫短接，正線供電電流越過絕緣，導致反向大電流突變，在電感電流的作用下產生高壓形成拉弧現象，當機車受電弓越過電分段，停車場側的軌電位高于正線，單導開通，火花不再產生。其二，當停車場接觸網壓高于正線時，機車通過電分段產生停車場向正線瞬間越區供電，這時對應下部單向導通裝置則形成反向電流阻斷狀態，在輪軌短接絕緣軌縫時，產生反向通路，形成拉弧。如圖7所示。

圖7 機車通過單導進入四跨電分段軌電位示意

6 解決方法

(1)正線軌道電位高于停車場是由于停車場鋼軌為露天碎石道砟，對地絕緣電阻較低，在該處采用帶消弧裝置的單向導通或受控短接式單向導通裝置即可消除此現象。

(2)出入段處的絕緣軌縫位置應設置在四跨電分段轉換柱的正線端以外，防止單向導通處于反向回流狀態。

7 結語

由于機車整備晝出夜歸的現象，車輛段牽引所的負荷變化巨大，其網壓受整流機組阻抗及饋線阻抗壓降的影響，會發生相應的波動，且其變化與正線牽引所饋線空載電壓產生相反的偏移，從而導致這一現象的產生。為此，在設計、施工中應降低牽引回路的阻抗，在冬夏季節庫內機車整備時，應合理調整車輛整備時間及車輛空調工作時間，降低集中負荷，使網壓平穩。另外在車輛段、停車場出入段口處，機車出入庫通過電分段的運行速度不足40 km/h，可考慮采用機械電分段器取代四跨電分段，可降低電分段處的越區負荷時間，減少接觸網及絕緣軌縫的拉弧現象。

出入段口處應采用帶消弧裝置的單向導通或受控短接式單向導通裝置，使絕緣軌縫兩側電位相等，避免因反向回流產生拉弧現象。

[1] 楊建國.客運專線電氣化區段電力供電方式的探討[J].電氣化鐵道，2005(3)：20-21.

[2] 劉達民.分段絕緣器和分相絕緣器的性能分析[J].電氣化鐵道,2005(4):24-27.

[3] 張學子.電氣化鐵道站用牽引變壓器的過載能力問題[J].變壓器，1992(1).

[4] 易運軍.牽引變壓器的容量及其過負載能力[J].電氣化鐵道,1997(4)：4-10.

[5] 黃元才，吳良治.交流電氣化鐵道接觸網[M].北京:中國鐵道出版社,1988.

[6] 徐安.城市軌道交通電力牽引[M].北京：中國鐵道出版社，2000(3):33-45.

[7] 魯志偉.任意形狀接地網接地電阻的計算[J].中國電力，1994(3):19-20.

[8] 王先沖.電磁場理論及應用[M].北京：科學出版社，1991:346-350.