城市軌道交通接觸網打火拉弧原因及影響分析

吳超亮

摘 要 隨著我國經濟的發展，我國交通行業得到了蓬勃的發展，電氣化鐵路是我國重要的交通設施之一，接觸網施工技術的質量直接影響電氣化鐵路的運行安全，所以想要確保電氣化鐵路保持良好的運行狀態，就需要提高電氣化鐵路接觸網施工質量。

關鍵詞 城市軌道交通;接觸網;受電弓;電接觸

引言

隨著近年來城市軌道交通的快速發展，城市軌道交通牽引供電質量越來越受到關注。在運營管理過程中，常常出現接觸網打火拉弧現象，行業內也進行了一些研究，多為針對弓網理論和高速鐵路弓網系統的分析，缺乏對城市軌道交通中低速、大電流牽引系統的弓網打火拉弧現象的專門研究。本文主要歸納分析了弓網滑動電接觸特性，結合地鐵的運營測試和實踐，分析總結了接觸網打火拉弧的原因和影響，作為研究地鐵接觸網打火拉弧現象的參考。

1弓網系統滑動電接觸特性分析

1.1 弓網系統的電接觸方式

接觸網與受電弓的電接觸方式分3類：固定接觸、滑動接觸、可分合接觸。列車靜止取流時，弓網系統表現為固定電接觸。接觸電阻隨著接觸壓力的增加單調遞減，在接觸壓力相同的情況下，接觸電阻隨著牽引電流的增加而減小。

1.2 電流、速度變化與接觸電阻的關系

根據接觸電阻隨列車速度變化的規律，存在先增大后減小再增大的過程，滑動接觸電阻存在1個極小值，該極小值與動車速度、電流、接觸壓力有關。

1.3 接觸壓力與接觸電阻的關系

弓網系統的接觸壓力對接觸電阻雖然有重要影響，但接觸電阻與導電斑點數目不是線性關系，接觸壓力減小到一定值后，接觸電阻明顯上升，但在一定接觸壓力范圍內，只靠加大接觸壓力并不一定使接觸電阻顯著減小。關于弓網靜態接觸電阻的研究表明，隨著接觸壓力的增加接觸電阻減小，當接觸壓力大于70N后，接觸電阻及消耗的功率隨接觸壓力的變化不明顯，故運行時較理想的初始接觸壓力為70N，且弓網接觸壓力存在1個最優值。

1.4 電流變化與接觸電阻的關系

隨著電流的增加，接觸電阻近似線性變化地增大，電流對碳滑板的溫升影響隨著時間的延長而加大。由于電流的增大，加劇了接觸斑點的電弧燒蝕，且磨損過程中，滑板溫度的升高使接觸面的磨粒黏著增強，實際的接觸點減少，接觸電阻增大;同時由于碳滑板內碳潤滑劑的存在，在接觸表面形成一種膜，導致接觸電阻緩慢上升。

2接觸網打火拉弧的原因

2.1 打火花的原因

由于短時間內受電弓與接觸線之間電流加大，摩擦熱效應和電流熱效應使接觸斑點軟化、融化甚至汽化，接觸斑點表面發生熱電離，形成電火花。如果導電斑點間隙電壓較小，則電火花處于非自持放電階段，放電將很短暫并會停止。

2.2 拉弧的原因

從電氣學的理論分析，在滑動電接觸過程中離線導致電壓突升或金屬汽化都將引起拉弧。當受電弓滑板與接觸線之間因各種原因導致滑板與接觸網設備整體或部分分離而發生離線時，滑板和接觸線之間的電壓便會突升，出現一個很大的電壓，此時碳滑板和接觸網的間隙將可能發生電場電離放電。另外一種情況是弓網離線時牽引電流通過接觸電阻引起的熱能集中在最后分離的導電斑點上，使其溫度迅速上升到接觸材料的熔點而汽化，在滑板和接觸線之間發生熱電離放電。這2種情況下因為間隙電壓較高將處于自持放電階段，導致氣隙擊穿并轉為弧光放電產生大量電弧。

3接觸網打火拉弧的影響

3.1 打火花的影響

由于接觸網打火花的能量較弱，一般對弓網系統沒有影響。例如，當列車靜止，受電弓升降弓時，碳滑板與接觸線接觸或脫離接觸瞬間，其開斷電流不大，接觸點有電火花現象發生，但一般不會帶來嚴重后果。

3.2 拉弧的影響

根據列車的運行狀態，可以分幾種情況來分析拉弧的影響。①對于高速列車，研究表明：當列車高速取流時，電弧能維持弓網系統電流的持續性，弓網相對運動過程中，滑板和接觸線的接觸位置不斷變化，盡管電弧溫度很高，但電弧與弓網一起快速移動或在很短的時間內熄滅，其熱流對弓網系統的侵蝕有限，對弓網系統的影響也有限。②對于中低速地鐵弓網系統（一般電客車的運行速度在120km/h以下，市域快軌160km/h以下）而言，文獻[1]的研究表明速度與弓網受流質量相矛盾：受流效率隨著速度的增加逐漸降低，但同時運行速度越慢，弓網磨損量越大，當運行速度增加時，磨損量減小。根據實際運行情況反饋，剛性接觸網的打火拉弧和異常磨耗現象大部分集中在出站和上坡加速區，這個結果對地鐵而言尤為符合。雖然一般的拉弧不影響弓網實時運行，但是會造成接觸網的局部磨耗加劇，故為減小拉弧的影響，應考慮將控制電客車加速度納入地鐵電客車運行條件中。③根據現場實際觀察，當列車以較大取流運行時，不管列車是高速還是低速行駛，受電弓穿越不同供電分區，尤其是有單邊供電情況或由帶電區進入無電區時，均能導致強烈的電弧現象，給弓網系統帶來嚴重的不良后果。因此，應盡量避免該種情況的發生。

4結束語

從弓網打火拉弧的現象和本質來分析，接觸網打火、拉弧是受電弓與接觸線電接觸的一種固有現象。通過對接觸網受電弓系統滑動電接觸的特性研究和現場測試可知，當列車取流較大，尤其是加速取流時，發生拉弧的概率較大。正常情況下的打火、拉弧現象輕微且很短暫，對弓網系統的實時運行影響較小，但會增大磨耗。須注意非正常運行情況下列車升降弓或由帶電區進入無電區等情況，特別要注意直流牽引供電系統單邊供電時，列車穿越不同供電區段時，較大電壓差引起拉弧加劇導致的弧光短路。減輕地鐵打火現象，改善地鐵弓網關系，一方面要做好受電弓、接觸網的檢測、檢調，滿足相互之間滑動的平順性和跟隨性，減少離線率;另一方面要做好列車在較大牽引電流時降弓和穿越電分段的技術和管理措施;尤其要注意急加速引起的打火現象。最終減輕弓網磨耗，應從系統入手，將弓網關系作為一個整體，研究滿足受流質量情況下合理的電客車運行速度、弓網接觸壓力值及對列車啟動速度和加速度的控制，掌握其成因及規律，不斷研究改善弓網關系的新措施，為城市軌道交通弓網系統統一設計及運營管理提供參考依據。

參考文獻

[1] 雷棟，吳廣寧，張雪原，等.高速鐵路弓網電弧抑制方法的研究[J].電氣化鐵道，2008，（5）：1-4.