淺析地鐵剛性接觸線異常磨耗及其治理措施

程小科

摘 要：通過對重慶軌道交通六號線接觸線異常磨耗現象的統計，結合接觸線磨耗測量結果、車載弓網動態監測系統的數據，分析了接觸線異常磨耗產生的原因。有針對性的提出解決方案，可有效減少異常磨耗的產生、延長弓網系統的運行壽命，提高弓網系統的接觸質量，提高設備可靠性。

關鍵詞：剛性接觸網;接觸線;磨耗;燃弧

中圖分類號：U279.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0157-02

1 接觸線異常磨耗存在的問題及影響

1.1 接觸線運行中存在的異常磨耗問題

重慶軌道交通六號線在地下段采用剛性接觸網供電，部分區段接觸線磨耗不均勻，在某些區段接觸線磨耗較快，且工作面不光滑，有凹凸不平的現象和電弧燒傷的痕跡。

1.2 接觸線異常磨耗存在的影響

（1）弓網配合關系變差。接觸線出現異常磨耗時，其表面凹凸不平，受電弓與其接觸時存在垂直方向的反作用力，使弓網接觸壓力發生變化，導致弓網離線、產生電火花甚至燃弧現象，對弓網設備及取流質量均產生惡劣影響。（2）接觸線壽命降低，增加運營成本。剛性接觸網錨段長度約230米，異常磨耗一般存在于錨段的某一區段，當該區段磨耗將近匯流排時，必須對整錨段的接觸線進行更換，這樣因錨段的某一點或某一區段異常磨耗而引起的接觸線整錨段更換極大程度地增加了運營成本。

2 剛性接觸線異常磨耗產生的原因

接觸線的磨損主要分為三部分：機械磨損、電氣磨損、化學磨損。機械磨損是在摩擦力的作用下產生的磨損，主要有黏著磨損、硬粒磨損和永久性磨損，在大多數情況下以黏著磨損為主。電氣磨損是指電離子轉移和電弧熔損。前者在電流的作用下不可避免地會加速碳滑板和接觸線的磨耗;電弧熔損主要是由電弧侵蝕接觸材料而引起的損耗。化學磨損也稱為腐蝕磨損，在雨雪、冰表面沉積塵埃等情況下產生溶解和腐蝕的現象，使摩擦副的滑動摩擦加劇，加速磨耗。導線磨耗全過程[5]，如圖1所示。從圖中可以看出，影響磨耗的因素主要有列車速度、滑板種類、導線材料、受電弓條件、車輛狀況、軌道條件、電流等。

根據重慶六號線磨耗測量記錄，除開通時間較長的五里店-禮嘉區間均磨耗在1.41mm外，其余區段的剛性接觸網接觸線磨耗值均在1mm以內，而磨耗值大于3mm的有35個錨段，異常磨耗到限更換錨段主要為出站第一、二錨段（0-400米），結合異常磨耗發生的位置與列車運行速度、位置情況，異常磨耗點大多位于列車出站后，二次牽引提速的區域。

2.1 列車出站加速區段牽引電流對接觸線磨耗的影響

根據列車ATO模式駕駛時，出站后0-400米之間的牽引電流曲線，車輛加速時段（100%牽引工況），列車牽引電流最大，單個受電弓最大牽引電流可達1587A。

根據重慶地鐵六號線在線監測裝置磨耗測量曲線及靜態年度磨耗測量結果，將磨耗按列車開行速度進行分區統計，各區間出站加速區段接觸線剩余值小于其余區段，即加速區段平均磨耗大于區間平均磨耗。故列車在出站加速區段的大電流工況下，接觸線磨耗較區間其他區域大。

2.2 列車出站加速區段弓網燃弧對接觸線磨耗的影響

電弧是一種強功率的放電現象，在斷開數十千安的短路電流時，電弧的溫度能達到上萬攝氏度甚至更高，燒損是電弧對接觸線帶來的主要影響[1]。在滑板與接觸線的離線間隙被擊穿后，接觸線被電弧加熱，高溫導致接觸處材料的軟化甚至熔化，使機械磨損程度更加嚴重。而熔化的金屬不需要很大的作用力就會從接觸線表面噴濺出來，導致接觸線表面損壞，甚至引起接觸線的斷線。當接觸線表面損壞后，其表面坑洼不平，當受電弓高速經過此異常位置時會增加燃弧幾率，從而形成加速接觸線磨耗及碳滑板磨耗的惡性循環。

重慶六號線使用的在線監測裝置，可以收集燃弧數據。以2018年為例，共計發生燃弧2041次，燃弧發生的位置主要集中在列車出站加速區段0-400米范圍內，同時現存異常磨耗位置也集中在該區段，弓網燃弧多的區段接觸線異常磨耗也多，如圖2和圖3所示。

前面已經分析了出站加速區段電流存在最大值，而列車加速到75Km/h的速度大致需要250米，根據燃弧對接觸線的熱侵蝕理論，弓網燃弧時，列車速度越慢，燃弧對接觸線的傷害越大，故列車在出站加速區段大電流與低速度的特性，使得該區段弓網燃弧對接觸線的電蝕效果最大化。

綜上所述，造成接觸網異常磨耗的主要原因是列車在出站加速區段的大電流工況以及在該工況下出現的弓網燃弧導致的電氣磨耗。

3 剛性接觸線異常磨耗的治理措施

根據上述分析結果，要提高弓網系統的接觸質量，延長弓網系統的運行壽命，減少異常磨耗的產生，就需要盡量減少出站區域的電流峰值以及燃弧發生的概率。

3.1 改善弓網彈性

根據重慶六號線在線監測統計，弓網燃弧大部分發生在剛性區段，柔性區段燃弧現象較少，且異常磨耗錨段均發生在剛性區段，此現象說明剛性接觸網從結構上存在跟隨性不良，彈性較差的先天缺陷，針對這一問題，可采取在出站加速區段定位點處安裝彈性線夾的方式予以改善，根據資料顯示，安裝彈性線夾后，可改變剛性接觸網的彈性，使接觸網保持較好的動態性能，減少離線概率，從而減少燃弧的發生概率[3]。

3.2 降低出站牽引電流

根據重慶地鐵列車駕駛試驗，列車使用ATO駕駛模式100%牽引工況時，受電弓最大牽引電流為1587A左右。當列車以手動駕駛P2（50%牽引）加速運行時，受電弓最大牽引電流約為1050A。通過電流與速度關系可以看出列車在55km/h-75km/h的速度運行時，ATO模式下（100%牽引工況）電流在1450A—1587A，手動駕駛模式下電流在767—1050A。手動駕駛模式下的牽引電流明顯小于ATO模式，故改變列車出站時牽引級數可有效降低電流峰值，達到減少燃弧能量的效果。

3.3 改善弓網摩擦副工作狀態

3.3.1 精細化調整接觸網導高

接觸網與受電弓要保持良好的接觸狀態，接觸線個點相對于軌面的高度應保持等高，其施工誤差應控制在一定范圍之內，若某個點或某一段接觸線相對軌面高度發生較大的變化時，運行中的列車受電弓來不及發生變化，會導致離線燃弧現象發生，故將接觸網各點對軌面高度調整一致能減少弓網離線的概率，從而減少燃弧的概率。

3.3.2 精細化調整受電弓滑板平直度

運營過程中的受電弓碳滑板存在一定的磨損，使滑板表面凹凸不平，列車運行時，滑板存在兩個方向的運動，一是列車運行方向的順線路運動，二是接觸網拉出值方向的橫線路運動，拉出值方向運動時，因滑板凹凸不平會造成受電弓垂直方向存在反向作用力，導致弓網接觸力發生變化，從而增加離線燃弧概率的發生，故運營過程中應適時對受電弓滑塊進行打磨，控制其平直度對控制弓網燃弧具有一定的積極作用。

4 結語

通過現場大量的檢測數據分析，在列車出站側加速區段的大電流工況下，以及該區段較多的弓網燃弧是引起接觸線不均勻磨耗的主要原因，適當的改善弓網彈性、降低出站牽引電流，改善弓網摩擦副工作狀態能在一定程度上緩解不均勻磨耗現象，對現場檢修維護帶來便利。

參考文獻

[1] 吳積欽.弓網系統電弧的產生及其影響[J].電氣化鐵道，2008（2）：27-29.

[2] 吳積欽，錢清泉.弓網系統電弧侵蝕接觸線時的熱分析[J].鐵道學報，2008，30（3）：31-34.

[3] 陳吉剛.利用彈性線夾優化剛性接觸網的動態性能[J].城市軌道交通研究，2014，17（8）：73-77.

[4] 周瑋，臧春艷，何俊佳.電氣參數和機械參數對繼電器直流電弧的影響[J].中國電機工程學報，2006，26（19）：151-155.

[5] 卜俊.溫度對弓網系統載流磨損的影響[D].西南交通大學，2010.

[6] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].西南交通大學出版社，2003.