首都機場APM捷運系統拉弧原因分析

劉 慷 孫海嘯 于 淼

(北京首都機場動力能源有限公司，北京 100621)

首都機場APM捷運系統拉弧原因分析

劉 慷 孫海嘯 于 淼

(北京首都機場動力能源有限公司，北京 100621)

APM捷運系統作為現代社會一種方便、快捷的交通運輸方式，已經廣泛運用在國內外城市軌道交通、大型樞紐機場等公共場合。以首都機場三號航站樓APM捷運系統為例，通過類比電氣鐵路的弓網接觸特性，探究APM捷運系統產生拉弧的原因。

首都機場；APM捷運系統；拉弧原因；供電方式；接觸電阻

1 首都機場APM捷運系統簡介

旅客自動捷運系統(Automated People Mover，APM)是指在鋼軌上或混凝土梁上運行，由全計算機控制、電力驅動、全自動無人駕駛的大眾運輸系統，目前正廣泛應用在世界各國大型機場樞紐及城市軌道交通等公共場合。北京首都國際機場APM捷運系統于2008年奧運會期間正式投入運行，是國內首個全自動無人駕駛的捷運系統，采用的是龐巴迪CX-100型車輛，主要承擔三號航站樓旅客進出港的運輸任務。

2 電接觸理論的幾個基本概念

2.1 拉弧定義

大氣中開斷電路時，如果被斷開的電流超過0.25～1 A，斷開后加在觸頭上的電壓超過12～20 V，則在觸頭間隙中通常會產生一團溫度極高、發強光和能夠導電的近似圓柱形氣體——電弧，也就是這里所說的拉弧[1]。

2.2 接觸電阻

根據電接觸理論，APM捷運系統在運行過程中所需的電流是通過集電靴與動力軌之間導電斑點的電氣接觸進行傳輸的，這些接觸點不僅傳輸電能，而且之間的電阻會產生大量的焦耳熱，我們稱之為接觸電阻。

接觸電阻的存在使得觸點在斷開時釋放大量焦耳熱，因此，掌握接觸電阻的影響因素顯得十分重要。大量實驗證明，接觸電阻與觸點間的接觸面積成負相關性：接觸面積越大，接觸電阻越小，接觸面積越小，接觸電阻越大；而接觸質量的好壞直接影響實際有效接觸面積的大小[2]。

2.3 APM產生拉弧機理

基本的一階感性電路在開關斷開過程中會產生很大的感應電流，根據楞次定律，當一階感性電路突然分斷開關時，電感中會激發出一個阻礙磁通量變化的磁場，這個磁場會在電感中激發出感應電流，感應電流的大小與開關分斷時間成反比，與分斷開關兩端電壓成正比。

APM捷運系統供電回路主要是感性負載，其拉弧電流產生機理與上述一階感性電路產生感應電流原理相同，即：當機車通過道岔或是斷電區時，集電靴與動力軌有短暫分離狀態，在分離瞬間會在電感負載上激發出很高的拉弧電流。在列車集電靴與動力軌的接觸部分從正常閉合位置向斷開的方向運動時，因接觸壓力逐漸減小，實際接觸面和導電面積減小，接觸電阻相應增大，在接觸面最后分斷前一瞬間，觸點兩端電壓差會激發一個很高的拉弧電流，其產生的能量集中加熱最后離開點的一個極小的金屬體積，使其溫度迅速上升到金屬沸點而引起爆炸式汽化[3]，在充滿金屬蒸汽的條件下，間隙被擊穿，集電靴與動力軌間形成拉弧。有如下3個公式：

拉弧電流與觸點兩端電壓差成正比：

I∝ΔU

(1)

拉弧電流與接觸面分斷時間成反比：

(2)

拉弧所產生能量：

Q=I2RcΔT

(3)

式中，I為APM拉弧電流；ΔU為觸點軌道兩端的電壓差；ΔT為APM集電靴與動力軌道的分斷時間；Q為拉弧過程中產生的熱量；Rc為接觸面間的接觸電阻。

由式(1)(2)(3)可知，預防拉弧產生的危害，關鍵在于減小拉弧電流及拉弧過程中所生成的熱能。因此，降低拉弧過程中的電壓差、增大分斷時間、減小接觸電阻是降低拉弧危害的有效手段。

3 拉弧原因分析

3.1 拉弧數據統計

在實際運行當中，發生拉弧的位置一般在軌道沿線的各絕緣點處動力軌絕緣節、道岔處軌條接縫等區域。為進一步研究分析拉弧原因，對2008—2013年6年間動力軌各個位置的拉弧數據進行統計，如圖1所示。

圖1 APM捷運系統在軌道上各區域拉弧次數統計

注：圖中的字母GB、SW分別表示絕緣點處動力軌絕緣節、道岔處動力軌條接縫。

數據表明，近6年來發生拉弧次數最高的幾個區域分別為：SW11-14-15(18次)、SW21-22-23-24(25次)及SW41-44(12次)，均分布在道岔處，其在軌道上的分布位置如圖2所示。

從圖2的主要拉弧分布位置可以看出：捷運系統發生拉弧的位置主要位于兩條動力軌的道岔轉彎處，APM列車往返時會跨軌、跨間隙運行，拉弧現象最容易發生在集電靴與動力軌條分離過程中。

圖2 APM捷運系統軌道運行圖

注：圖中黑色橢圓表示APM的停靠位置，實線表示APM的運行軌跡，虛線表示軌條分布位置。

3.2 原因分析

3.2.1 供電方式

APM捷運系統的供電系統如圖3所示：由251、280開關來的10 kV電壓分別送至207、208兩條母線，兩條10 kV母線上的271、272、273及281、282、283饋出柜經過10/0.6 kV變壓器輸出600 V交流電至兩條列車軌道上，APM列車通過底部集電靴從軌道上取電，再由車廂上的整流裝置為列車供給直流電。

圖3 APM捷運系統供電系統圖

原先的供電方式為雙路供電，即10 kV側278母聯開關斷開，分別由207、208母線給軌道1、軌道2供電。由于207、208母線分別由不同的上級電網供電，彼此存在5～10 V的電壓差，根據公式(1)，拉弧過程中的電壓差越大，拉弧電流就越大。

為減小電壓差所帶來的拉弧電流，APM供電方式改為現在的單路供電，即合上10 kV側278母聯開關，斷開207母線進線開關，由208母線帶兩條軌道運行。在這種運行方式下，兩條軌道運行電壓基本一致，有效降低了拉弧電流。

3.2.2 運行速度

根據公式(2)，拉弧過程中的分斷時間也是影響拉弧電流大小的重要因素之一，分斷時間越長，拉弧電流越小，分斷時間越短，拉弧電流越大；而列車的運行速度直接影響拉弧分斷時間的長短，故降低列車在道岔轉彎處的運行速度可以顯著延長拉弧的分斷時間。APM在運行過程中既有直線段行駛，也有道岔轉彎行駛(圖2)。我們在保證直線段行駛速度的前提下，降低了道岔轉彎時的速度，對減少拉弧起到了顯著效果。具體降速情況如表1所示。

表1 APM捷運系統降速前后速度對比表

需要說明的是，列車降速是從到達道岔轉彎處之前的一段距離開始，這樣能保證列車盡早地在道岔轉彎處以勻低速運行，更好地達到減少拉弧的效果。

3.2.3 接觸質量

從公式(3)中可以看出，減小接觸電阻能夠直接減少拉弧所產生的熱量。根據之前的接觸電阻理論，接觸電阻和集電靴與動力軌之間接觸面的接觸質量直接相關。在實際運行中，影響接觸質量的因素有很多，最常見的包括軌條高度、集電靴姿態、軌條接觸面整潔度。

3.2.3.1 軌條高度

正常情況下，APM捷運系統的兩條軌條高度應該齊平，并且它們距離列車行走面的正常高度應該在45～51 mm之間。隨著系統運行多年，軌條的物理高度會發生變化，尤其在發生拉弧次數較多的道岔處軌條變化更加顯著(圖4)。

圖4 APM捷運系統道岔處軌條圖

圖4(a)虛線圓圈內的是道岔處的軌條分布圖，圓圈內實線軌條和虛線軌條分別表示列車直行和轉彎狀態下直行軌條和轉彎軌條的分布位置。為測量軌條各位置距離行走面的高度，規定各區域位置如圖4(b)所示，先確定正北方向，然后確定東、西邊緣，再依次測量軌條各區域距離行走面的高度，并計算高度差，其結果如表2所示。

表2 APM捷運系統部分道岔處軌條上的各區域距離行走面高度統計表 單位：mm

通過表2，我們能看出這些區域普遍存在軌條不齊平、軌條邊緣距離行走面高度過低或過高的問題，這都直接影響了集電靴與軌條的接觸質量。運維單位可以采取削減或墊高支架的方式調整軌條高度，改善接觸面情況，減小接觸電阻。

3.2.3.2 集電靴姿態

集電靴的姿態能直接影響接觸面的接觸質量。由于集電靴依靠彈簧張力接觸軌條，那么彈簧的彈性及張力大小會影響集電靴在運行過程中的姿態，且集電靴在正常情況下屬于自由狀態，很容易在接觸過程中受外力影響產生偏移而改變姿態，造成有效接觸面積降低，接觸電阻增大。因此，運行人員在定期巡查和維保過程中應當注重查看集電靴位置，及時調整集電靴姿態。

3.2.3.3 接觸面整潔度

接觸面的整潔度主要受APM捷運系統所處的外部環境影響。在雨、雪等惡劣天氣情況下，由于接觸面當中有冰、灰塵等雜質的存在，不僅會增加集電靴與動力軌之間的磨損，更容易在接觸表面上積聚形成黏狀物體，使正常情況下摩擦表面的潤滑膜遭到破壞，造成接觸電阻成倍增加。此外，集電靴與動力軌在不同季節會出現熱脹冷縮現象，導致內部張力發生不同程度的變化，這樣也會直接影響接觸電阻的大小，這就需要運行人員在日常巡視與檢修中做好軌條維護保養工作。

4 結語

本文分析了首都機場APM捷運系統的拉弧產生機理，從理論上確定了減小拉弧影響的3種方法：減小電壓差、延長分斷時間、減小接觸電阻。根據實際運行情況，選取了APM捷運系統頻繁發生拉弧的區域進行分析，總結歸納出導致拉弧產生的3個重要因素：供電方式、運行速度、接觸質量，為減小拉弧影響提供了一些建議。

[1]夏天偉，丁明道.電器學[M].北京：機械工業出版社，2001

[2]徐建忠.弓網電弧的物理場仿真分析[D].北京：北京交通大學，2012

[3]吳積欽.受電弓——接觸網系統電接觸特性研究[D].成都：西南交通大學，2009

2014-06-27

劉慷(1990—)，男，江西人，助理工程師，從事首都機場航站樓電氣設備運行與管理工作。