受電弓系統工作原理淺析

賈曉陽

摘 要：受電弓是鐵路車輛從架空接觸網取得電能的電氣設備，是車輛的動力源泉，也是車輛的關鍵技術之一。

關鍵詞：受電弓；氣路原理； 受流；故障

一、受電弓簡介

按受電弓結構分，受電弓可分為雙臂受電弓和單臂受電弓。雙臂受電弓結構對稱，側向穩定性好，但結構復雜，維護成本高。單臂受電弓結構簡單，尺寸小，重量輕，且具有良好的跟隨特性因此受流特性非常好，從而被動車組和地鐵項目廣泛應用，因此本文以單臂氣囊受電弓為例，介紹受電弓系統。

受電弓系統生產廠家眾多，在設計方式上會有些許差異，但是其主體結構上是類似的，以TSG19型受電弓為例，其主要由帶支撐絕緣子的底架、氣囊升弓驅動裝置、框架、弓頭、受電弓控制單元等裝置組成，受電弓總覽圖如圖1所示。

二、受電弓氣路原理

受電弓的升降弓控制，可簡單的看成是受電弓升弓電磁閥的得電失電控制。

當受電弓的升弓電磁閥得電時，車內的壓縮空氣通過升弓電磁閥，再經過濾器、減壓閥等，一路向氣囊充氣，同時另一路向受電弓碳滑板的氣腔充氣，當氣囊內氣壓達到一定壓力時，氣囊膨脹變形帶動鋼絲繩，鋼絲繩再帶動下臂桿運動，下臂桿在拉桿的協助下托起上臂桿及弓頭，弓頭在平衡桿的作用下，在工作高度范圍內始終保持水平狀態，整個升弓過程在規定的時間完成。在升弓過程中，受電弓遵循先快后慢的規則，即受電弓弓頭離開底架時快，在接近接觸網時慢，防止升弓過程對接觸網產生沖擊，造成弓網之間的拉弧現象；當電磁閥失電時，壓縮空氣由電磁閥口排向大氣，氣囊中的壓縮空氣壓力迅速減小，受電弓靠自身重力落下，降弓過程也是遵循先快后慢的規則，即降弓過程受電弓弓頭離開接觸網時快，防止弓網之間的拉弧現象，在接近底架時慢，防止拉弧和對底架的機械沖擊。

除了通過控制升弓電磁閥失電的正常降弓外，受電弓還設有ADD自動降弓系統。ADD自動降弓系統作用是，當受電弓碳滑板磨耗到限、碳滑板發生意外破裂或者危急情況引起的受電弓氣路泄漏時，受電弓能夠迅速有效的降下，避免受電弓與接觸網遭到進一步破壞。ADD自動降弓系統主要包括快排閥、帶氣道的碳滑板、壓力開關及相應的管路組成。 快排閥安裝在受電弓底架上，進氣口與通向氣囊的氣路連通，出氣口與通向碳滑板和壓力開關的氣路連通，排氣口與大氣連通。受電弓正常升弓時，快排閥進氣口的壓力等于出氣口的壓力，進氣口、出氣口的壓力差為零，壓力開關的常開觸點閉合。當受電弓碳滑板破裂時，碳滑板氣路泄露，快排閥出氣口的壓力下降，進氣口的壓力不變，進、出口形成壓力差。當出氣口壓力下降到壓力開關的斷開設定值，壓力開關常開觸點由閉合狀態跳轉為斷開狀態，同時快排閥排氣口打開，碳滑板和氣囊的壓縮空氣通過快排閥排氣口直接排向大氣，受電弓迅速自動的降下。

三、受電弓受流分析

受電弓的主要功能就是用來受流，其受流質量的好壞是一個綜合性的復雜問題，與接觸網和受電弓的技術參數，兩者之間的配合均有關系。如接觸網的高度、拉出值、導線坡度、定位器坡度等技術參數，接觸網的彈性均勻程度，接觸網上是否有硬點，受電弓與接觸網之間的壓力，碳滑板材質與接觸網材質之間的配合，空氣動力對受電弓的影響等等，都會影響弓網之間的動態性能。車組速度越高，弓網之間的接觸壓力變化幅度就會越大，當兩者之間的接觸力過小時，接觸電阻就會增大，不能保證受流質量，當接觸力小于零時，就出現離線現象，弓網之間的接觸完全斷開，從而造成放電現象，灼傷碳滑板和接觸網，影響兩者的工作壽命，同時如離線次數過多，會嚴重影響車組供電的穩定性。一般的受電弓由于受結構限制，在運行時與接觸網的接觸力只受空氣動力的影響，但如法維萊的CX018受電弓，它的受電弓控制閥板比一般的受電弓控制閥板增加了控制模塊，通過該控制模塊，可以直接讀取受電弓的一些參數和故障信息，且在運行時，該控制模塊甚至還能主動去控制調節受電弓與接觸網之間的接觸力，從而可以得到一個更好的受流性能。

受電弓從接觸網上取得電流后，其電流具體流向如下，接觸網的電流首先由碳滑板流入受電弓弓頭，然后依次經過上臂桿、下臂桿后流入底架，由底架上的導線導入車組高壓系統。

電流流經受電弓時會產生電腐蝕，為保護一些關鍵部件，受電弓上安裝有電流連接組裝，分為弓頭電流連接組裝、肘接電流連接組裝和底架電流連接組裝三種。弓頭電流連接組裝將由接觸線流入受電弓的電流直接由弓頭導流至上框架，從而避免引起弓頭組件大的溫升。肘接電流連接組裝保護聯接上框架與下臂桿間的軸承，底架電流連接組裝保護聯接下臂桿與底架間的軸承。

四、受電弓故障分析

受電弓常見的故障有碳滑板故障、ADD風管故障、軸承銹蝕故障等。

碳滑板故障主要有兩點，一是異常磨耗，一是不均勻磨耗，這兩類故障均多見于線路運營初期。新建線路的接觸線表面有不少的硬點，當列車通過硬點時，碳滑板從機械和電氣方面均會產生一定的磨耗，當此類硬點比較多時，碳滑板磨耗就會異常加快；正線接觸網為了使碳滑板均勻磨耗，都是“之”字形，布局異常時導致碳滑板異常偏磨，或者受電弓結構問題導致車組運行時受電弓偏移量大從而導致碳滑板異常偏磨，如碳滑板長期存在偏磨等故障，會導致受電弓拉弧現象，嚴重時可能會導致刮弓事件發生，嚴重威脅列車和接觸網的運行安全。

ADD風管故障通常是由于受電弓惡劣的工作環境造成，因動車組運營里程長，且長期運營在室外，所以此類故障多常見于動車組。當外界環境溫差大時，如氣溫較低時，因ADD風管材質問題，可能會導致風管漏風，引起ADD保護自動降弓。另外是異物（如飛鳥或者接觸網上的吊索等物）撞擊故障，列車全速運行時速度非常快，如果此時有異物撞擊到風管很可能會將風管撞破導致ADD風管漏風從而引發ADD保護自動降弓。

五、結論

受電弓故障涉及到的因素比較廣，需要各個部門的通力合作，需要深入的研究弓網之間的關系，需要不斷的開發創新，才能降低受電弓的故障率，才能確保車組的運營安全。

參考文獻：

[1] CRH3原理圖

[2]廈門地鐵1號線原理圖

[3]TSG19型受電弓使用維護說明書

[4]法維萊受電弓用戶手冊