城市軌道交通弓網(wǎng)拉弧打火原因分析及其處理措施

引言

城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)由電客車受電弓與接觸網(wǎng)結(jié)合而成,兩者既相互作用又相互依賴。隨著城市軌道交通的發(fā)展,弓網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性隨著電客車速度的不斷提升而備受考驗(yàn),弓網(wǎng)關(guān)系已經(jīng)成為影響地鐵能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。

1問題的引出

在地鐵運(yùn)行過程中,電客車車體經(jīng)過其頂部抬升的受電弓與接觸線發(fā)生接觸從而獲取電能。穩(wěn)定的受流過程依托于受電弓與接觸網(wǎng)的良好接觸,保證電客車可靠、安全以及不間斷地運(yùn)行。但在地鐵實(shí)際運(yùn)行過程中,弓網(wǎng)間發(fā)生拉弧打火的現(xiàn)象較為普遍,影響著接觸網(wǎng)對(duì)電客車的穩(wěn)定供電。如何避免城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中的拉弧打火現(xiàn)象,成為了亟需解決的問題。

2弓網(wǎng)拉弧打火的原因分析

電客車受流過程中,其受電弓碳滑板經(jīng)過與接觸線底面的相對(duì)滑動(dòng)獲取電能,這個(gè)過程包括了兩者間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電氣傳輸。機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中,當(dāng)弓網(wǎng)出現(xiàn)離線現(xiàn)象,即受電弓與接觸線瞬時(shí)分離、跳躍式接觸時(shí),會(huì)出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象:電氣傳輸過程中,當(dāng)受電弓通過兩個(gè)存在電壓差的供電分區(qū)分界點(diǎn)時(shí),也會(huì)出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象。因此,存在空氣間隙和一定程度的電壓差是出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象的兩大基本原因。現(xiàn)從受電弓與接觸網(wǎng)本身角度出發(fā),具體分析拉弧打火產(chǎn)生的原因。

2.1弓網(wǎng)間接觸壓力的影響

受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)決定了弓網(wǎng)間是否會(huì)發(fā)生離線現(xiàn)象。當(dāng)弓網(wǎng)間接觸壓力過大時(shí),會(huì)加劇受電弓碳滑板和接觸線的磨耗:當(dāng)弓網(wǎng)間接觸壓力過小時(shí),會(huì)導(dǎo)致離線,從而引發(fā)拉弧打火現(xiàn)象,燒傷受電弓碳滑板和接觸線底面,嚴(yán)重時(shí)可能燒斷接觸線。

2.2接觸線動(dòng)態(tài)抬升量的影響

理想狀態(tài)下,接觸線導(dǎo)高值應(yīng)保持恒定不變,以確保受電弓與接觸線的穩(wěn)定接觸。但在實(shí)際運(yùn)行中,接觸線在受到受電弓的抬升力作用下,會(huì)有一定的抬升以及后續(xù)跟隨的上下振動(dòng)。當(dāng)受電弓經(jīng)過定位點(diǎn)時(shí),接觸線在定位器的作用下抬升量較小,但在遠(yuǎn)離定位點(diǎn)位置時(shí),由于沒有定位器的限制,接觸線在受電弓的作用下抬升量相應(yīng)升高,經(jīng)過跨中位置時(shí)達(dá)到峰值。實(shí)踐表明,接觸線的抬升量變化幅度越小,受流質(zhì)量越好:抬升量變化幅度越大,電客車在高速運(yùn)行通過時(shí)引起的接觸線振動(dòng)越大,影響弓網(wǎng)間的跟隨性,可能造成離線,產(chǎn)生拉弧打火現(xiàn)象。

就接觸網(wǎng)而言,跨距內(nèi)導(dǎo)高值的劇烈變化、錨段關(guān)節(jié)過渡處不水平、中錨出現(xiàn)負(fù)馳度等都會(huì)引起抬升量的突然變化,進(jìn)而導(dǎo)致因離線產(chǎn)生拉弧打火現(xiàn)象。

2.3電客車速度的影響

當(dāng)電客車運(yùn)行速度較低時(shí),受電弓能夠較好地跟隨接觸線振動(dòng),弓網(wǎng)間接觸狀態(tài)良好。當(dāng)電客車行駛至出站臺(tái)等加速區(qū)段時(shí),電客車速度的提升將引起接觸懸掛的振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致弓網(wǎng)間良好的接觸狀態(tài)被打破,受流質(zhì)量下降。當(dāng)受電弓無(wú)法良好地追隨接觸線的振動(dòng)軌跡時(shí),與接觸線發(fā)生跳躍式接觸,出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象。

本文對(duì)廣州地鐵一號(hào)線從2017年1月至2018年8月發(fā)生的12起打火現(xiàn)象發(fā)生的位置進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)12次打火事件中,有3次位于花地灣上行站臺(tái),3次位于坑口上行站臺(tái),2次位于公園前上行站臺(tái),其他打火位置均無(wú)固定站點(diǎn),可見打火點(diǎn)大多集中于列車出站的加速區(qū)段處。

2.4接觸線自身原因

2.4.1接觸線材質(zhì)

接觸線自身材質(zhì)要求剛度均勻,而剛度又取決于接觸線內(nèi)部顆粒的質(zhì)量。若接觸線內(nèi)部存在間隙、顆粒大小不一或分布不均勻,加上工作張力后接觸線會(huì)出現(xiàn)剛度不均的情況。投入運(yùn)行后,受電弓與接觸線進(jìn)行摩擦?xí)r,不均勻的剛度易引起小幅度沖擊,形成離線火花。

2.4.2接觸線不平順

接觸線在出廠時(shí)因本身質(zhì)量問題或由于放線施工時(shí)操作不當(dāng)導(dǎo)致接觸線存在硬彎,均是可能導(dǎo)致接觸線不平順的原因。當(dāng)接觸線不平順時(shí),受電弓與接觸線的接觸穩(wěn)定性下降,弓網(wǎng)發(fā)生劇烈振動(dòng),可能造成離線打火現(xiàn)象。

2.4.3接觸線硬點(diǎn)

接觸線的硬點(diǎn)為接觸線不平直產(chǎn)生的凹凸點(diǎn),通常出現(xiàn)在接觸網(wǎng)零部件等彈性不均勻位置處,如定位線夾、接頭線夾等位置。硬點(diǎn)較小時(shí),受電弓通過時(shí)會(huì)造成受電弓碳滑板的異常磨損,當(dāng)硬點(diǎn)達(dá)到一定程度時(shí),受電弓在經(jīng)過接觸線硬點(diǎn)時(shí)受到硬點(diǎn)的沖擊,出現(xiàn)瞬間離線現(xiàn)象,在硬點(diǎn)位置形成離線火花。

2.5受電弓自身原因

電客車通過受電弓碳滑板從上方的接觸網(wǎng)獲取電能,過程中受電弓有多種運(yùn)動(dòng)形式:(1）相對(duì)接觸線的滑動(dòng)取流:

(2）受空氣動(dòng)力影響的振動(dòng):(3）受接觸線剛度變化引起的跟隨振動(dòng):(4）受自身車體擺動(dòng)而形成的橫向振動(dòng):(5）受電弓設(shè)計(jì)或安裝差異引起的振動(dòng)。當(dāng)受電弓的運(yùn)動(dòng)引發(fā)瞬間離線現(xiàn)象時(shí),形成電弧火花。

2.6供電分區(qū)兩端電壓差的影響

當(dāng)電客車在經(jīng)過供電分段時(shí),由于受電弓需要快速通過兩個(gè)不同供電分區(qū)的重疊部分,供電分區(qū)之間的電壓差會(huì)造成弓網(wǎng)間發(fā)生拉弧打火現(xiàn)象。

3弓網(wǎng)拉弧打火的危害

電客車運(yùn)行時(shí),受電弓與接觸線瞬時(shí)分離或者跳躍式接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧打火現(xiàn)象,這種有害現(xiàn)象可能造成多方面的危害:(1）造成接觸線的磨耗不均勻和加速受電弓碳滑板的磨耗。離線產(chǎn)生的灼熱電弧會(huì)燒傷接觸線和受電弓滑板,使接觸線與碳滑板的接觸面粗糙不平,同時(shí)兩者磨耗速度均大大增加,工作壽命縮短。(2）對(duì)沿線通信線路產(chǎn)生干擾。弓網(wǎng)電接觸過程是一個(gè)電場(chǎng)、磁場(chǎng)等變化的綜合作用過程,在拉弧瞬間,牽引電流的波形急劇變化,其中含有許多高次諧波,對(duì)鄰近無(wú)線電通信線路造成有害干擾。(3）導(dǎo)致牽引變電設(shè)備,如整流器、整流變壓器等的工作條件遭到破壞,列車的受流質(zhì)量受損。

4應(yīng)對(duì)措施

接觸網(wǎng)檢修、維護(hù)人員應(yīng)加大自身設(shè)備的檢查巡視力度,并且結(jié)合網(wǎng)軌檢測(cè)、熱滑等有效手段,對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系加強(qiáng)監(jiān)管。為確保接觸網(wǎng)設(shè)備安全,保證正常運(yùn)營(yíng),針對(duì)弓網(wǎng)拉弧打火事件的應(yīng)對(duì)措施具體有:

(1）觀察打火點(diǎn)接觸網(wǎng)設(shè)備和取流狀態(tài)。凡是接到弓網(wǎng)打火報(bào)告后,第一時(shí)間通知接觸網(wǎng)在線值班人員和技術(shù)人員前往打火點(diǎn)檢查接觸網(wǎng)設(shè)備,并觀察后續(xù)列車的取流狀態(tài)。

(2）運(yùn)營(yíng)結(jié)束后安排接觸網(wǎng)設(shè)備檢查。凡是接到弓網(wǎng)打火報(bào)告的,當(dāng)晚申請(qǐng)作業(yè)計(jì)劃對(duì)電客車受電弓與接觸網(wǎng)打火位置前后100m范圍的接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行全面檢查。主要檢查接觸線線面有無(wú)打火灼傷痕跡,測(cè)量導(dǎo)高、拉出值技術(shù)參數(shù)。此外還要對(duì)接觸懸掛、定位裝置和支持裝置等設(shè)備進(jìn)行全面檢查。

(3）檢查電客車受電弓。電客車回場(chǎng)后,安排人員協(xié)同車輛專業(yè)檢修人員檢查受電弓,杜絕病弓上線運(yùn)行。

(4）后續(xù)設(shè)備狀態(tài)跟蹤。為確保運(yùn)營(yíng)正常,要求打火點(diǎn)接觸網(wǎng)設(shè)備檢查結(jié)束后,安排人員對(duì)打火點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)跟蹤,觀察第二天早班車以及后續(xù)列車的取流狀態(tài)。若出現(xiàn)異常,立即報(bào)告調(diào)度。

5結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際檢查可知,弓網(wǎng)關(guān)系是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程。電客車受電弓與接觸線實(shí)際接觸面的大小、受電弓離線的時(shí)間長(zhǎng)短、碳滑板的材質(zhì)、車輛受電弓的穩(wěn)定性、弓網(wǎng)之間的跟隨性、車輛運(yùn)行狀態(tài),甚至在人工駕駛的時(shí)候司機(jī)的操作水平等都密切影響弓網(wǎng)關(guān)系。

通常電火花的形成時(shí)間在10-3s以內(nèi),盡管電弧溫度很高,但其對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的侵蝕有限,對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響也有限。根據(jù)現(xiàn)行的接觸線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》(TB/T2809—2005）,地鐵常用的銀銅接觸線允許最高工作溫度達(dá)到150℃,受電弓碳滑板也具備熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性良好等特點(diǎn)。

綜上所述,結(jié)合國(guó)內(nèi)外電氣化鐵路、地鐵運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),參考眾多專業(yè)學(xué)術(shù)研究,地鐵運(yùn)營(yíng)過程中偶發(fā)性的電客車受電弓與接觸網(wǎng)拉弧打火現(xiàn)象不會(huì)對(duì)地鐵的運(yùn)營(yíng)造成影響。