城市轨道交通弓网拉弧打火原因分析及其处理措施

引言

城市轨道交通弓网系统由电客车受电弓与接触网结合而成,两者既相互作用又相互依赖。随着城市轨道交通的发展,弓网系统的稳定性随着电客车速度的不断提升而备受考验,弓网关系已经成为影响地铁能否稳定运行的重要因素之一。

1问题的引出

在地铁运行过程中,电客车车体经过其顶部抬升的受电弓与接触线发生接触从而获取电能。稳定的受流过程依托于受电弓与接触网的良好接触,保证电客车可靠、安全以及不间断地运行。但在地铁实际运行过程中,弓网间发生拉弧打火的现象较为普遍,影响着接触网对电客车的稳定供电。如何避免城市轨道交通运营中的拉弧打火现象,成为了亟需解决的问题。

2弓网拉弧打火的原因分析

电客车受流过程中,其受电弓碳滑板经过与接触线底面的相对滑动获取电能,这个过程包括了两者间的机械运动和电气传输。机械运动过程中,当弓网出现离线现象,即受电弓与接触线瞬时分离、跳跃式接触时,会出现拉弧打火现象:电气传输过程中,当受电弓通过两个存在电压差的供电分区分界点时,也会出现拉弧打火现象。因此,存在空气间隙和一定程度的电压差是出现拉弧打火现象的两大基本原因。现从受电弓与接触网本身角度出发,具体分析拉弧打火产生的原因。

2.1弓网间接触压力的影响

受电弓与接触网的接触状态决定了弓网间是否会发生离线现象。当弓网间接触压力过大时,会加剧受电弓碳滑板和接触线的磨耗:当弓网间接触压力过小时,会导致离线,从而引发拉弧打火现象,烧伤受电弓碳滑板和接触线底面,严重时可能烧断接触线。

2.2接触线动态抬升量的影响

理想状态下,接触线导高值应保持恒定不变,以确保受电弓与接触线的稳定接触。但在实际运行中,接触线在受到受电弓的抬升力作用下,会有一定的抬升以及后续跟随的上下振动。当受电弓经过定位点时,接触线在定位器的作用下抬升量较小,但在远离定位点位置时,由于没有定位器的限制,接触线在受电弓的作用下抬升量相应升高,经过跨中位置时达到峰值。实践表明,接触线的抬升量变化幅度越小,受流质量越好:抬升量变化幅度越大,电客车在高速运行通过时引起的接触线振动越大,影响弓网间的跟随性,可能造成离线,产生拉弧打火现象。

就接触网而言,跨距内导高值的剧烈变化、锚段关节过渡处不水平、中锚出现负驰度等都会引起抬升量的突然变化,进而导致因离线产生拉弧打火现象。

2.3电客车速度的影响

当电客车运行速度较低时,受电弓能够较好地跟随接触线振动,弓网间接触状态良好。当电客车行驶至出站台等加速区段时,电客车速度的提升将引起接触悬挂的振动,进而导致弓网间良好的接触状态被打破,受流质量下降。当受电弓无法良好地追随接触线的振动轨迹时,与接触线发生跳跃式接触,出现拉弧打火现象。

本文对广州地铁一号线从2017年1月至2018年8月发生的12起打火现象发生的位置进行了分析,发现12次打火事件中,有3次位于花地湾上行站台,3次位于坑口上行站台,2次位于公园前上行站台,其他打火位置均无固定站点,可见打火点大多集中于列车出站的加速区段处。

2.4接触线自身原因

2.4.1接触线材质

接触线自身材质要求刚度均匀,而刚度又取决于接触线内部颗粒的质量。若接触线内部存在间隙、颗粒大小不一或分布不均匀,加上工作张力后接触线会出现刚度不均的情况。投入运行后,受电弓与接触线进行摩擦时,不均匀的刚度易引起小幅度冲击,形成离线火花。

2.4.2接触线不平顺

接触线在出厂时因本身质量问题或由于放线施工时操作不当导致接触线存在硬弯,均是可能导致接触线不平顺的原因。当接触线不平顺时,受电弓与接触线的接触稳定性下降,弓网发生剧烈振动,可能造成离线打火现象。

2.4.3接触线硬点

接触线的硬点为接触线不平直产生的凹凸点,通常出现在接触网零部件等弹性不均匀位置处,如定位线夹、接头线夹等位置。硬点较小时,受电弓通过时会造成受电弓碳滑板的异常磨损,当硬点达到一定程度时,受电弓在经过接触线硬点时受到硬点的冲击,出现瞬间离线现象,在硬点位置形成离线火花。

2.5受电弓自身原因

电客车通过受电弓碳滑板从上方的接触网获取电能,过程中受电弓有多种运动形式:(1）相对接触线的滑动取流:

(2）受空气动力影响的振动:(3）受接触线刚度变化引起的跟随振动:(4）受自身车体摆动而形成的横向振动:(5）受电弓设计或安装差异引起的振动。当受电弓的运动引发瞬间离线现象时,形成电弧火花。

2.6供电分区两端电压差的影响

当电客车在经过供电分段时,由于受电弓需要快速通过两个不同供电分区的重叠部分,供电分区之间的电压差会造成弓网间发生拉弧打火现象。

3弓网拉弧打火的危害

电客车运行时,受电弓与接触线瞬时分离或者跳跃式接触时会产生拉弧打火现象,这种有害现象可能造成多方面的危害:(1）造成接触线的磨耗不均匀和加速受电弓碳滑板的磨耗。离线产生的灼热电弧会烧伤接触线和受电弓滑板,使接触线与碳滑板的接触面粗糙不平,同时两者磨耗速度均大大增加,工作寿命缩短。(2）对沿线通信线路产生干扰。弓网电接触过程是一个电场、磁场等变化的综合作用过程,在拉弧瞬间,牵引电流的波形急剧变化,其中含有许多高次谐波,对邻近无线电通信线路造成有害干扰。(3）导致牵引变电设备,如整流器、整流变压器等的工作条件遭到破坏,列车的受流质量受损。

4应对措施

接触网检修、维护人员应加大自身设备的检查巡视力度,并且结合网轨检测、热滑等有效手段,对弓网关系加强监管。为确保接触网设备安全,保证正常运营,针对弓网拉弧打火事件的应对措施具体有:

(1）观察打火点接触网设备和取流状态。凡是接到弓网打火报告后,第一时间通知接触网在线值班人员和技术人员前往打火点检查接触网设备,并观察后续列车的取流状态。

(2）运营结束后安排接触网设备检查。凡是接到弓网打火报告的,当晚申请作业计划对电客车受电弓与接触网打火位置前后100m范围的接触网设备进行全面检查。主要检查接触线线面有无打火灼伤痕迹,测量导高、拉出值技术参数。此外还要对接触悬挂、定位装置和支持装置等设备进行全面检查。

(3）检查电客车受电弓。电客车回场后,安排人员协同车辆专业检修人员检查受电弓,杜绝病弓上线运行。

(4）后续设备状态跟踪。为确保运营正常,要求打火点接触网设备检查结束后,安排人员对打火点进行状态跟踪,观察第二天早班车以及后续列车的取流状态。若出现异常,立即报告调度。

5结语

结合现场的实际检查可知,弓网关系是一个不断变化的动态过程。电客车受电弓与接触线实际接触面的大小、受电弓离线的时间长短、碳滑板的材质、车辆受电弓的稳定性、弓网之间的跟随性、车辆运行状态,甚至在人工驾驶的时候司机的操作水平等都密切影响弓网关系。

通常电火花的形成时间在10-3s以内,尽管电弧温度很高,但其对弓网系统的侵蚀有限,对弓网系统的影响也有限。根据现行的接触线相关标准《电气化铁道用铜及铜合金接触线》(TB/T2809—2005）,地铁常用的银铜接触线允许最高工作温度达到150℃,受电弓碳滑板也具备熔点高、导热性良好等特点。

综上所述,结合国内外电气化铁路、地铁运营经验,参考众多专业学术研究,地铁运营过程中偶发性的电客车受电弓与接触网拉弧打火现象不会对地铁的运营造成影响。