地鐵弓網系統受流試驗及評估分析

倪慶博 郭鑫穎 李瑞平

摘 要：地鐵列車通常采用電力驅動，弓網系統是地鐵列車獲取電能的主要方式，弓網系統的受流性能對地鐵列車的安全運營起關鍵作用。因此，新建地鐵線路開通或新車上線運營之前，通常需對弓網系統的受流質量進行線路試驗評估。文章首先介紹弓網系統的試驗內容、試驗方法和評價指標，然后，基于先期積累的弓網線路試驗數據，對弓網接觸壓力、弓網燃弧、受電弓垂向加速度等評價指標提出合理化建議，以期為地鐵弓網系統的受流質量評估提供參考。

關鍵詞：地鐵;弓網系統;受流質量;評估分析

中圖分類號：U231.8

1 弓網系統

速度120 km/h以下的地鐵列車通常采用DC 1500V

接觸網供電。受電弓/架空接觸網系統（下文簡稱“弓網系統”）擔負著地鐵列車電能傳輸的重要任務，對地鐵列車的安全、可靠運行起關鍵作用。地鐵列車頂部安裝有受電弓，列車運行過程中，受電弓依靠升弓機構保持其滑板與接觸網的接觸線滑動接觸，從而將接觸網上的電能通過受電弓傳輸至地鐵列車，一方面為牽引電機提供電能，驅動列車運行;另一方面為列車的其他用電設備提供電能。弓網系統的受流質量受諸多因素影響，主要包括：弓網接觸壓力、弓網離線燃弧、受電弓振動加速度、接觸網幾何參數以及線路條件等[1-4]。弓網受流質量的惡化會對受電弓和接觸網造成不同程度的侵害，例如：接觸壓力過大會加劇受電弓滑板和接觸線的機械磨損，接觸壓力過小會導致燃弧增加，從而加劇滑板和接觸線的電氣磨損，燃弧嚴重時會擊穿滑板，甚至燒斷接觸線;接觸線幾何參數超限，會導致滑板產生偏磨和燃弧現象[5-8];接觸線上存在硬點會導致受電弓振動加速度和動應力增加[9-11]，同時，也更易產生燃弧現象。因此，弓網系統的受流質量會對地鐵列車的安全運營產生重要影響。

2 弓網關系測試系統

2019年，中華人民共和國交通運輸部印發了《城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范 第1部分：地鐵和輕軌》[12]（交辦運[2019] 17號），對弓網關系的測試目的、測試項點、測試方法以及評價指標等做出了相應的規定。其中，弓網關系的測試項點主要包括：接觸網動態幾何參數、弓網燃弧、弓網動態接觸壓力以及受電弓垂向加速度（硬點）。弓網關系測試系統如圖1所示。

接觸網動態幾何參數和弓網燃弧分別采用安裝在列車頂部的工業相機和燃弧探測儀（圖2）測量，屬于非接觸式測量部分，不帶高壓電。因此，測試信號經信號線直接引入車內的檢測主機，經檢測主機處理后可直接輸出接觸線動態導高、拉出值和燃弧數據。

弓網動態接觸壓力和受電弓垂向加速度分別采用安裝在受電弓上的力傳感器（圖3）和加速度傳感器（圖 4）測量，屬于接觸式測量部分。力傳感器與加速度傳感器的測試信號由安裝在受電弓底座處的車頂采集盒（圖5）獲取。由于弓網關系測試是在受電弓與接觸網取流過程中進行，車頂采集盒與受電弓同樣具有DC1500V高壓電，為了避免將受電弓高壓電引入車內的信號檢測主機，在車頂采集盒內裝有光電轉換模塊，將電信號轉換成光信號，經光纖引入車內，再經光電轉換模塊將光信號轉換成電信號后，輸入檢測主機，從而實現弓網接觸壓力和受電弓振動加速度的信號采集。

3 測試結果與評價指標

3.1 弓網動態接觸壓力

弓網動態接觸壓力是受電弓靜態抬升力、慣性力和氣動抬升力的矢量和。由于地鐵列車速度相對較低，氣動抬升力并不顯著[13]，測試過程中通常不予考慮。列車運行過程中，由于接觸線和軌道存在不平順，并且每跨內的接觸網彈性存在不均勻性，導致受電弓與接觸網組成了耦合振動系統[14-15]，使得接觸壓力在其平均值上下產生一定的波動。當接觸壓力小于零時，表明受電弓滑板與接觸線產生了離線，此時，弓網之間必將產生離線燃弧;當接觸壓力過大時，會加劇滑板和接觸線的機械磨損，因此，接觸壓力是表征弓網受流質量的重要指標之一。EN 50367-2012《軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網相互作用技術標準》[16] 中，針對速度160 km/h以下的直流弓網系統，介紹了不同國家對接觸壓力最大值和最小值的規定，其中，接觸壓力最大值的閾值均為300 N;除了法國將接觸壓力最小值的閾值規定為20 N，其他國家均規定為40 N。

交辦運[2019] 17號文中，對DC 1500 V供電制式的弓網系統接觸壓力測試結果作了如下規定：

式（1）中，Fm，max為平均接觸壓力最大值，N;Fm，min為平均接觸壓力最小值，N;σ為接觸壓力標準差，N;v為列車運行速度，km/h。

當列車以50 km/h的速度通過剛性和柔性接觸網過渡段時，接觸壓力時程曲線測試結果如圖6所示。由圖可知，接觸壓力平均值為111.45 N，標準差為11.68N，滿足式（1）的規定。但是，在560.65 s時，接觸壓力出現了小于零的情況，此時，弓網之間產生離線并出現燃弧現象。

當列車以100 km/h的速度運行時，不同線路實測的接觸壓力統計結果如表1所示，由表可知，接觸壓力平均值和標準差均符合交辦運[2019] 17號文的規定，并且接觸壓力最小值均大于20 N，最大值均小于300 N。

綜上所述，當弓網接觸壓力的平均值和標準差均滿足交辦運[2019] 17號文的規定時，接觸壓力最小值可能小于零。因此，僅對接觸壓力平均值和標準差作出相應規定，不能有效的對弓網接觸壓力進行評價以及查找出弓網系統存在的一些問題，可能導致弓網受流性能不滿足實際運營的需求。

3.2 弓網燃弧

弓網燃弧是弓網受流質量優劣的最直接表現[17-18]。弓網動力學性能、滑板材質、接觸網幾何參數、受電弓取流量、列車運行速度等均會對弓網燃弧產生重要影響。弓網燃弧會加劇受電弓滑板和接觸線的電氣磨損，同時，也會對車載電氣設備和線路上的信號設備產生電磁干擾，從而影響行車安全。國內外通常采用燃弧率作為弓網燃弧的評價指標，其計算公式如下[19]：

式（2）中，NQ為燃弧率;tarc為燃弧持續時間大于等于5ms的燃弧時長，ms;ttotal為測量電流超過標稱電流的30%的時間，ms。

交辦運[2019] 17號文中，對DC 1500 V供電制式的弓網燃弧測試結果規定“燃弧次數應小于1次/160m，燃弧率應小于5%，一次燃弧最大時間應小于100ms”。但是， EN 50367-2012中，針對速度小于160km/h的直流弓網系統，要求燃弧率應小于0.1%，與交辦運[2019] 17號文中的評價標準相差甚遠。

當列車以100 km/h的速度運行時，線路試驗測得的燃弧散點如圖7所示，不同線路實測的弓網燃弧統計結果如表2所示，由表可知，燃弧次數均小于1次/160m，一次燃弧最大時長為97 ms，燃弧率為1.26%，測試結果均滿足交辦運[2019] 17號文的規定，但是，僅當燃弧率大于1%時，其受電弓滑板出現了較大的電氣磨損，甚至出現了異常磨耗。由此可知，歐洲標準EN50367-2012關于燃弧率的評價指標過于嚴苛，而交辦運[2019] 17號文的評價指標又較為粗獷，不易發現實際線路中存在的問題。

3.3 受電弓垂向加速度

列車運行過程中，當受電弓垂向加速度超過設定的閾值時，稱之為硬點，主要用于評價接觸線的平順性是否符合設計要求。DB32/T 3291-2017《城市軌道交通接觸網系統維護與檢修技術規范》[20]中規定，當接觸線導高超出設計值±30mm時，將其定義為接觸網1類缺陷。當接觸線上存在硬彎或者接觸線導高存在缺陷時，均會導致受電弓垂向加速度增加，從而判斷此處的接觸線存在硬點。

當列車以速度100 km/h運行時，不同線路實測的受電弓垂向加速度統計結果如表3所示。實測獲得的受電弓垂向加速度時程曲線如圖8所示，動態導高時程曲線如圖9所示。動態導高從4045.3mm突變至4079.5mm，幅值達到34.2 mm，已存在接觸網1類缺陷情況，此時受電弓垂向加速度最大值為31.79g，小于交辦運17號文中設定的50g閾值。可見，交辦運[2019] 17號文中設定的受電弓垂向加速度最大值50g的閾值偏大，不易發現接觸線不平順現象。

4 結論及建議

（1） 弓網動態接觸壓力是評價弓網耦合振動行為的重要參數，僅用接觸壓力的平均值和標準差進行評價，難以發現弓網之間存在的離線現象，不利于對弓網振動行為做出科學評價，應將接觸壓力最小值和最大值同時作為評價指標。結合我國地鐵線路實測數據和歐洲標準EN 50367-2012，建議將接觸壓力最小值和最大值的閾值分別設定為20 N和300 N。

（2） 弓網燃弧率是弓網受流質量優劣的最直接表征，交辦運[2019]17號文將燃弧率閾值設定為5%，遠大于歐洲標準EN 50367-2012中規定的0.1%。結合我國地鐵線路的實測數據發現，當燃弧率閾值設定為5%時，絕大多數線路均能滿足規范要求，但是，實際情況中當燃弧率大于1%時，受電弓碳滑板已經出現了異常磨耗，因此，建議將燃弧率閾值設定為1%。

（3） 接觸線硬點主要用于評價接觸線的平順性是否滿足設計要求，當接觸線存在硬彎或導高存在缺陷時，受電弓會產生劇烈振動。線路試驗中發現，當剛性接觸網導高存在1類缺陷時，受電弓振動加速度達到31.79g。由此可知，目前交辦運[2019] 17號文設定的硬點閾值50g不利于發現接觸線導高存在缺陷情況。結合我國地鐵線路的實測數據，建議將硬點閾值設定為30g，以確保地鐵弓網系統的安全、可靠運行。

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收稿日期 2020-06-15

責任編輯 宗仁莉