接觸軌端部彎頭

陳祥

摘 要：通過集電靴與端部彎頭的電接觸分析，梳理拉弧現(xiàn)象產(chǎn)生的過程，結(jié)合廣州地鐵6號(hào)線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的嚴(yán)重拉弧現(xiàn)象，分析了運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)易加劇拉弧的因素，指出了日常設(shè)備維護(hù)中的關(guān)注重點(diǎn)，以期能夠減輕拉弧對(duì)靴軌系統(tǒng)帶來的影響，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：接觸軌；端部彎頭；集電靴；拉弧

廣州地鐵4、5、6號(hào)線均采用下部接觸式接觸軌供電方式，運(yùn)營(yíng)列車通過集電靴與接觸軌下部鋼帶接觸而獲得電能。接觸軌端部彎頭作為接觸軌供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，能否順利平滑地引導(dǎo)集電靴可靠接觸或平穩(wěn)脫離接觸軌端部彎頭，是保證列車能否良好受流和運(yùn)行的關(guān)鍵。

以廣州地鐵6號(hào)線為例，潯峰崗-長(zhǎng)湴區(qū)間上下行接觸軌長(zhǎng)約50km（含輔助線），共計(jì)有320個(gè)端部彎頭，每一處端部彎頭的端部都經(jīng)過預(yù)彎，形成一定的坡度，保證端部彎頭具有良好的自熄弧特性。

大多數(shù)情況下，集電靴在脫離端部彎頭的瞬間，基于開斷電流和開斷電壓的原因，不可避免地會(huì)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。

對(duì)接觸軌端部彎頭-集電靴拉弧現(xiàn)象的產(chǎn)生和影響進(jìn)行研究，有助于采取相應(yīng)措施減輕拉弧對(duì)接觸軌、集電靴設(shè)備的損害，降低對(duì)集電靴-接觸軌（簡(jiǎn)稱靴軌）受流質(zhì)量的影響，以保障運(yùn)營(yíng)安全。

1 拉弧現(xiàn)象

在大氣中開斷電路時(shí)，若開斷電流大于0.25-1A，電路開斷后加在觸頭上的電壓大于12-20V，在觸頭間隙（簡(jiǎn)稱弧隙）中，通常會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光、能夠?qū)щ姡庑谓茍A柱形的氣體——電弧，這種由觸頭斷開電路而引燃的電弧通常稱為拉弧。

若電流或電壓若小于一定數(shù)值，則開斷時(shí)只能產(chǎn)生為時(shí)極短的弧光放電——通常稱之為電火花。

拉弧實(shí)質(zhì)上就是氣體放電的一種形式。在靴軌系統(tǒng)中，大部分情況下，集電靴與端部彎頭脫離的瞬間，其開斷電流和間隙電壓都大于生弧電流和生弧電壓，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生電弧。

2 集電靴與端部彎頭的電接觸分析

一般情況下，集電靴與端部彎頭接觸的運(yùn)動(dòng)過程中（簡(jiǎn)稱入靴），端部彎頭主要承受集電靴的沖擊作用，拉弧現(xiàn)象比較輕微；集電靴與端部彎頭脫離的運(yùn)動(dòng)過程中（簡(jiǎn)稱出靴），端部彎頭的拉弧會(huì)比較嚴(yán)重。

出靴過程中，集電靴和端部彎頭從完全接觸、部分接觸到臨界接觸、再從開始脫離到完全脫離的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。以5.2m端部彎頭為例，具體分析其電接觸過程如下：

Ⅰ階段，端部彎頭高度為200mm，集電靴碳滑板與端部彎頭鋼帶受流面完全接觸。

Ⅱ階段，預(yù)彎點(diǎn)1#處端部彎頭開始按照一定的坡度逐漸抬高，集電靴也跟隨著緩慢抬高，集電靴碳滑板與端部彎頭鋼帶受流面僅有部分接觸。由于集電靴升靴高度為260mm，現(xiàn)場(chǎng)按照端部彎頭坡度1∶41測(cè)算，集電靴和端部彎頭臨界接觸點(diǎn)距端部彎頭末端1.84m左右。

Ⅲ階段，此時(shí)集電靴開始脫離端部彎頭，二者間始終存在一個(gè)接觸空擋區(qū)域，直至端部彎頭末端預(yù)彎點(diǎn)3#后，集電靴完全脫離端部彎頭區(qū)域。

結(jié)合以上分析，出靴過程中，集電靴從端部彎頭處逐漸脫離，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)致接觸處的金屬強(qiáng)烈發(fā)熱。在靴軌脫離的瞬間，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，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。

靴軌開始分開時(shí)距離很小，兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度甚高，在電場(chǎng)的作用下，弧隙中產(chǎn)生大量的帶電粒子，在弧隙充滿高溫金屬蒸氣、帶電粒子的條件下，便形成電弧。

3 易加劇拉弧的幾個(gè)因素

3.1 集電靴接觸力不足

為保證向列車連續(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)鍵要素是集電靴維持恰到好處的接觸力。

如果集電靴接觸力不足，降低集電靴的跟隨性，在滑動(dòng)接觸的過程中，易發(fā)生“離線”現(xiàn)象，靴軌系統(tǒng)便會(huì)產(chǎn)生電弧。相反，機(jī)械接觸也不宜過大，因?yàn)檫@會(huì)給靴軌系統(tǒng)帶來無法承受的機(jī)械磨耗，并給接觸軌定位裝置帶來過大的振動(dòng)荷載。

3.2 集電靴安裝偏差

集電靴設(shè)計(jì)應(yīng)與軌面保持平行，但因安裝精度等因素，實(shí)際中可能造成部分集電靴存在偏斜、高差等問題。在接觸軌安裝與軌面平行的理想狀態(tài)下，偏斜的集電靴與接觸軌接觸時(shí)僅為線接觸，減少了實(shí)際接觸面積，加劇拉弧的情況。

3.3 帶負(fù)載降靴

集電靴降靴過程需要切斷列車的負(fù)載，為避免產(chǎn)生嚴(yán)重的拉弧現(xiàn)象，降靴應(yīng)為無負(fù)載或小負(fù)載操作，列車的主斷路器應(yīng)處于分狀態(tài)，在集電靴脫離端部彎頭的瞬間，因?yàn)槠淠芰枯^小，不會(huì)對(duì)靴軌系統(tǒng)帶來不良后果。

當(dāng)列車主回路處于合狀態(tài)時(shí)，集電靴仍需要向列車輔助供電系統(tǒng)供電，尤其是空調(diào)系統(tǒng)，此時(shí)的降靴操作無異于帶負(fù)荷斷開無滅弧裝置的電器開關(guān)，形成的供電大電流造成集電靴與接觸軌之間較強(qiáng)烈的拉弧。

降靴過程，列車處于停車狀態(tài)，集電靴與接觸軌的相對(duì)位置靜止，此時(shí)只能通過集電靴的下降改變觸頭間的距離，以此增大電弧長(zhǎng)度來熄弧，相比于運(yùn)動(dòng)電弧，該狀況下的靜止電弧的燃弧時(shí)間過長(zhǎng)， 強(qiáng)烈的電弧長(zhǎng)時(shí)間地作用于集電靴和接觸軌的同一點(diǎn)上，將造成局部嚴(yán)重?zé)齻踔翢芏鴮?dǎo)致設(shè)備無法繼續(xù)使用。

3.4 特殊空間限制造成的列車失電區(qū)

在潯峰崗折返線區(qū)域，基于接觸軌斷口的布置、限界要求、線路條件以及列車編組、集電靴的布置等因素，造成了道岔區(qū)域不同程度的失電區(qū)，列車運(yùn)行至該區(qū)域時(shí)，所有集電靴都無法與接觸軌接觸取電，從而造成列車失電。

在列車進(jìn)出失電區(qū)時(shí)，整列車僅有一處集電靴與接觸軌接觸，大大減小了靴軌間的接觸面積，同時(shí)又承載著整車負(fù)荷，故在失電區(qū)端部彎頭處易出現(xiàn)嚴(yán)重的拉弧現(xiàn)象。

此外，為避免列車停在失電區(qū)而造成整車失電無法運(yùn)營(yíng)的事故，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)了實(shí)際失電區(qū)域，部分司機(jī)為順利通過失電區(qū)，在看到失電區(qū)域標(biāo)識(shí)后采取了加速的措施，增加了列車取流，在集電靴脫離端部彎頭的瞬間，需要開斷更大的負(fù)荷，加劇了拉弧燒傷情況。

4 拉弧對(duì)靴軌系統(tǒng)的影響

集電靴與端部彎頭的電接觸過程中，其脫離操作是一種典型的直流高電壓、大電流開關(guān)過程。直流系統(tǒng)因不存在交變，電弧不過零點(diǎn)，其自持性更強(qiáng)，而且沒有專門的滅弧裝置和抑制方法，只能靠列車運(yùn)動(dòng)過程中的氣流運(yùn)動(dòng)以及端部彎頭本身良好的自熄弧特性來進(jìn)行熄弧，因此該電弧一旦形成難以快速消除，從而造成比較嚴(yán)重的后果。

集電靴與端部彎頭間產(chǎn)生的拉弧，對(duì)靴軌系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在電弧熔損，即電弧對(duì)接觸材料的侵蝕而加劇的損耗。當(dāng)集電靴每次經(jīng)過相同的端部彎頭位置時(shí)，在拉弧較為嚴(yán)重的情況下，可能燒傷接觸軌鋼帶，產(chǎn)生麻點(diǎn)。

周而復(fù)始，在長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)營(yíng)過程中，由于電弧引起的磨損導(dǎo)致鋼帶產(chǎn)生魚鱗狀的磨痕，整個(gè)鋼帶面坑洼不平，局部磨損嚴(yán)重甚至出現(xiàn)凹槽，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致集電靴碳滑板燒傷，嚴(yán)重影響靴軌受流質(zhì)量，同時(shí)也縮短端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

5 減輕拉弧影響的措施

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運(yùn)動(dòng)瞬間，接觸點(diǎn)有電火花或輕微的電弧現(xiàn)象發(fā)生，一般不會(huì)帶來嚴(yán)重后果。在集電靴安裝工藝問題、列車取流量較大時(shí)的帶負(fù)載降靴或出入失電區(qū)等情況下，均能夠?qū)е聫?qiáng)烈的拉弧現(xiàn)象，對(duì)靴軌系統(tǒng)帶來嚴(yán)重不良后果，該情況是日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中需要避免的。

1）在設(shè)計(jì)階段，充分考慮線路條件和列車取流的實(shí)際情況，盡可能地避免失電區(qū)的存在，盡量縮短集電靴與接觸軌的接觸空擋區(qū)域，合理地減少集電靴碳滑板對(duì)其放電距離，確保列車能夠連續(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。

2）定期檢測(cè)接觸軌定位的工作高度，應(yīng)滿足技術(shù)要求，每跨距定位點(diǎn)的工作高度相差不宜過大（一般不超過3mm），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。重點(diǎn)關(guān)注端部彎頭末端定位點(diǎn)的工作高度。

3）恰當(dāng)選取集電靴與接觸軌的接觸作用力，維持集電靴良好的跟隨性，減少“離線”現(xiàn)象。因此，在集電靴日常維護(hù)時(shí)，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)滿足正常升靴狀態(tài)。

4）加強(qiáng)集電靴絕緣性能檢查，定期測(cè)量集電靴絕緣蓋板的絕緣電阻，確保主回路電壓與轉(zhuǎn)向架之間的絕緣良好。基于車輛下部安裝空間限制，集電靴距離轉(zhuǎn)向架較近，其與周圍的絕緣距離可能不夠，如若沒有完備的絕緣措施，在集電靴運(yùn)動(dòng)脫離端部彎頭瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重拉弧的情況下，電弧可能侵入而且燒傷轉(zhuǎn)向架，甚至引起集電靴與轉(zhuǎn)向架之間的拉弧，造成供電保護(hù)跳閘，影響列車運(yùn)營(yíng)。因此，需對(duì)集電靴周圍采取必要的絕緣防護(hù)。

6 結(jié)語

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運(yùn)動(dòng)瞬間，想要徹底地消除拉弧是不現(xiàn)實(shí)的，因此本文著重結(jié)合運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的嚴(yán)重拉弧的現(xiàn)象，指出日常設(shè)備維護(hù)過程中的關(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。

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