城市軌道交通接觸網(wǎng)打火拉弧原因及影響分析

吳超亮

摘 要 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國交通行業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展，電氣化鐵路是我國重要的交通設(shè)施之一，接觸網(wǎng)施工技術(shù)的質(zhì)量直接影響電氣化鐵路的運行安全，所以想要確保電氣化鐵路保持良好的運行狀態(tài)，就需要提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通;接觸網(wǎng);受電弓;電接觸

引言

隨著近年來城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通牽引供電質(zhì)量越來越受到關(guān)注。在運營管理過程中，常常出現(xiàn)接觸網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象，行業(yè)內(nèi)也進行了一些研究，多為針對弓網(wǎng)理論和高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的分析，缺乏對城市軌道交通中低速、大電流牽引系統(tǒng)的弓網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象的專門研究。本文主要歸納分析了弓網(wǎng)滑動電接觸特性，結(jié)合地鐵的運營測試和實踐，分析總結(jié)了接觸網(wǎng)打火拉弧的原因和影響，作為研究地鐵接觸網(wǎng)打火拉弧現(xiàn)象的參考。

1弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動電接觸特性分析

1.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)的電接觸方式

接觸網(wǎng)與受電弓的電接觸方式分3類：固定接觸、滑動接觸、可分合接觸。列車靜止取流時，弓網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)為固定電接觸。接觸電阻隨著接觸壓力的增加單調(diào)遞減，在接觸壓力相同的情況下，接觸電阻隨著牽引電流的增加而減小。

1.2 電流、速度變化與接觸電阻的關(guān)系

根據(jù)接觸電阻隨列車速度變化的規(guī)律，存在先增大后減小再增大的過程，滑動接觸電阻存在1個極小值，該極小值與動車速度、電流、接觸壓力有關(guān)。

1.3 接觸壓力與接觸電阻的關(guān)系

弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力對接觸電阻雖然有重要影響，但接觸電阻與導(dǎo)電斑點數(shù)目不是線性關(guān)系，接觸壓力減小到一定值后，接觸電阻明顯上升，但在一定接觸壓力范圍內(nèi)，只靠加大接觸壓力并不一定使接觸電阻顯著減小。關(guān)于弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻的研究表明，隨著接觸壓力的增加接觸電阻減小，當接觸壓力大于70N后，接觸電阻及消耗的功率隨接觸壓力的變化不明顯，故運行時較理想的初始接觸壓力為70N，且弓網(wǎng)接觸壓力存在1個最優(yōu)值。

1.4 電流變化與接觸電阻的關(guān)系

隨著電流的增加，接觸電阻近似線性變化地增大，電流對碳滑板的溫升影響隨著時間的延長而加大。由于電流的增大，加劇了接觸斑點的電弧燒蝕，且磨損過程中，滑板溫度的升高使接觸面的磨粒黏著增強，實際的接觸點減少，接觸電阻增大;同時由于碳滑板內(nèi)碳潤滑劑的存在，在接觸表面形成一種膜，導(dǎo)致接觸電阻緩慢上升。

2接觸網(wǎng)打火拉弧的原因

2.1 打火花的原因

由于短時間內(nèi)受電弓與接觸線之間電流加大，摩擦熱效應(yīng)和電流熱效應(yīng)使接觸斑點軟化、融化甚至汽化，接觸斑點表面發(fā)生熱電離，形成電火花。如果導(dǎo)電斑點間隙電壓較小，則電火花處于非自持放電階段，放電將很短暫并會停止。

2.2 拉弧的原因

從電氣學(xué)的理論分析，在滑動電接觸過程中離線導(dǎo)致電壓突升或金屬汽化都將引起拉弧。當受電弓滑板與接觸線之間因各種原因?qū)е禄迮c接觸網(wǎng)設(shè)備整體或部分分離而發(fā)生離線時，滑板和接觸線之間的電壓便會突升，出現(xiàn)一個很大的電壓，此時碳滑板和接觸網(wǎng)的間隙將可能發(fā)生電場電離放電。另外一種情況是弓網(wǎng)離線時牽引電流通過接觸電阻引起的熱能集中在最后分離的導(dǎo)電斑點上，使其溫度迅速上升到接觸材料的熔點而汽化，在滑板和接觸線之間發(fā)生熱電離放電。這2種情況下因為間隙電壓較高將處于自持放電階段，導(dǎo)致氣隙擊穿并轉(zhuǎn)為弧光放電產(chǎn)生大量電弧。

3接觸網(wǎng)打火拉弧的影響

3.1 打火花的影響

由于接觸網(wǎng)打火花的能量較弱，一般對弓網(wǎng)系統(tǒng)沒有影響。例如，當列車靜止，受電弓升降弓時，碳滑板與接觸線接觸或脫離接觸瞬間，其開斷電流不大，接觸點有電火花現(xiàn)象發(fā)生，但一般不會帶來嚴重后果。

3.2 拉弧的影響

根據(jù)列車的運行狀態(tài)，可以分幾種情況來分析拉弧的影響。①對于高速列車，研究表明：當列車高速取流時，電弧能維持弓網(wǎng)系統(tǒng)電流的持續(xù)性，弓網(wǎng)相對運動過程中，滑板和接觸線的接觸位置不斷變化，盡管電弧溫度很高，但電弧與弓網(wǎng)一起快速移動或在很短的時間內(nèi)熄滅，其熱流對弓網(wǎng)系統(tǒng)的侵蝕有限，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響也有限。②對于中低速地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)（一般電客車的運行速度在120km/h以下，市域快軌160km/h以下）而言，文獻[1]的研究表明速度與弓網(wǎng)受流質(zhì)量相矛盾：受流效率隨著速度的增加逐漸降低，但同時運行速度越慢，弓網(wǎng)磨損量越大，當運行速度增加時，磨損量減小。根據(jù)實際運行情況反饋，剛性接觸網(wǎng)的打火拉弧和異常磨耗現(xiàn)象大部分集中在出站和上坡加速區(qū)，這個結(jié)果對地鐵而言尤為符合。雖然一般的拉弧不影響弓網(wǎng)實時運行，但是會造成接觸網(wǎng)的局部磨耗加劇，故為減小拉弧的影響，應(yīng)考慮將控制電客車加速度納入地鐵電客車運行條件中。③根據(jù)現(xiàn)場實際觀察，當列車以較大取流運行時，不管列車是高速還是低速行駛，受電弓穿越不同供電分區(qū)，尤其是有單邊供電情況或由帶電區(qū)進入無電區(qū)時，均能導(dǎo)致強烈的電弧現(xiàn)象，給弓網(wǎng)系統(tǒng)帶來嚴重的不良后果。因此，應(yīng)盡量避免該種情況的發(fā)生。

4結(jié)束語

從弓網(wǎng)打火拉弧的現(xiàn)象和本質(zhì)來分析，接觸網(wǎng)打火、拉弧是受電弓與接觸線電接觸的一種固有現(xiàn)象。通過對接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)滑動電接觸的特性研究和現(xiàn)場測試可知，當列車取流較大，尤其是加速取流時，發(fā)生拉弧的概率較大。正常情況下的打火、拉弧現(xiàn)象輕微且很短暫，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的實時運行影響較小，但會增大磨耗。須注意非正常運行情況下列車升降弓或由帶電區(qū)進入無電區(qū)等情況，特別要注意直流牽引供電系統(tǒng)單邊供電時，列車穿越不同供電區(qū)段時，較大電壓差引起拉弧加劇導(dǎo)致的弧光短路。減輕地鐵打火現(xiàn)象，改善地鐵弓網(wǎng)關(guān)系，一方面要做好受電弓、接觸網(wǎng)的檢測、檢調(diào)，滿足相互之間滑動的平順性和跟隨性，減少離線率;另一方面要做好列車在較大牽引電流時降弓和穿越電分段的技術(shù)和管理措施;尤其要注意急加速引起的打火現(xiàn)象。最終減輕弓網(wǎng)磨耗，應(yīng)從系統(tǒng)入手，將弓網(wǎng)關(guān)系作為一個整體，研究滿足受流質(zhì)量情況下合理的電客車運行速度、弓網(wǎng)接觸壓力值及對列車啟動速度和加速度的控制，掌握其成因及規(guī)律，不斷研究改善弓網(wǎng)關(guān)系的新措施，為城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計及運營管理提供參考依據(jù)。

參考文獻

[1] 雷棟，吳廣寧，張雪原，等.高速鐵路弓網(wǎng)電弧抑制方法的研究[J].電氣化鐵道，2008，（5）：1-4.