青島地鐵13號線接觸軌打火拉弧研究及預防措施研究

董　雪

摘 要：在接觸軌供電的軌道交通系統中，列車通過集電靴與接觸軌接觸摩擦取電，如果集電靴與接觸軌端部之間的絕緣距離較短或絕緣措施不全面則會產生拉弧或電火花，電弧、電火花侵入接觸軌造成集電靴與接觸軌的電灼傷。

本文以青島地鐵13號線列車運行過程中的打火拉弧為研究對象，深入分析、探究故障發生背后的深層次原因，并有針對性的提出改進措施，盡最大可能的減少打火拉弧現象以及打火拉弧造成的危害。

關鍵詞：打火拉弧 接觸軌 集電靴 軌道交通

中圖分類號：U231文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2020）01-0-01

一、接觸軌打火拉弧現象概述

打火拉弧是由于導體之間絕緣被擊穿，形成放電通道的一種放電現象。在大氣中開斷電路時，若開斷電流或加在觸頭上的電壓大于生弧電流和生弧電壓時，觸頭間隙會因為被擊穿而產生電弧或電火花。在接觸軌供電的軌道交通系統中，列車通過集電靴與接觸軌端部接觸摩擦取電，集電靴與接觸軌端部端部彎頭脫離的瞬間，其開斷電流和間隙電壓通常會大于生弧電流和生弧電壓，因此不可避免地會產生打火拉弧現象。

同時，由于交流（AC）和直流（DC）供電系統的不同，造成兩者系統中所產生的打火拉弧現象會有不同的特性。直流系統中的電流和電壓之間沒有相互作用，弧度僅為零，其自我可持續性更強。因此，一旦形成電弧，就很難快速消除。持續時間相對較長，所造成的后果比之交流系統更加嚴重。

青島地鐵采用接觸軌直流系統供電。青島地鐵列車在運行過程中，列車在進出車站以及進出車廠時集電靴接觸、遠離端部彎頭是最頻繁的開關操作，因此在端部彎頭處最容易產生打火拉弧現象，而交叉渡線端部彎頭較多，列車經過時集電靴接觸、遠離操作更為頻繁;列車經過無電區時電壓過大，也容易產生打火拉弧現象。因此，研究交叉渡線和無電區的打火拉弧現象更有針對性，且更容易發現問題，總結規律。

二、接觸軌打火拉弧原因分析

首先分析集電靴脫離端部彎頭前后的具體過程。在這個過程中，集電靴和端部彎頭之間會經歷從完全接觸、部分接觸到臨界接觸、再從開始脫離到完全脫離的狀態轉變。集電靴和端部彎頭實際接觸面積逐漸減小，接觸處的電流密度逐漸增大，導致接觸處的金屬被強烈加熱。在集電靴與端部彎頭脫離的瞬間，電能集中加熱到集電靴與端部彎頭最后一塊體積很小的接觸面上，使其溫度迅速上升到金屬的沸點，接觸處的金屬首先熔化，形成金屬蒸氣進入弧隙。集電靴與端部彎頭開始分開時距離很小，兩端的電場強度很高，在電場的作用下，弧隙中產生大量的帶電粒子，在弧隙充滿高溫金屬蒸氣、帶電粒子的條件下，便形成了電弧;如若集電靴在遠離端部彎頭時雖有電連接但達不到電弧生成的條件，便只會形成短時弧光放電的電火花，而無法形成持續時間較長的電弧，這種情況下不會對接觸軌造成很大的危害，因此不必展開單獨討論。

通過對打火拉弧的具體分析、查閱資料以及請教相關專業人士并結合青島地鐵13號線的實際案例，總結得到了幾個易加劇打火拉弧的因素：

1.集電靴與接觸軌無適當接觸壓力

為保證向列車連續而不間斷地供電，集電靴與接觸軌必須一直保持電接觸，獲得良好電接觸的關鍵要素是集電靴對接觸軌要有適當的壓力。接觸壓力不應太小，如果太小，會造成離線，產生電火花或電弧。接觸壓力也不宜過大，如果太大加劇靴軌系統的磨損，降低接觸軌的使用壽命。

2.集電靴或端部彎頭安裝偏差

集電靴理論設計上應與軌面保持平行，否則會產生強烈振動從而引起離線拉弧。但在實際安裝中，由于安裝精度，操作不當等因素，可能造成部分集電靴存在偏斜、高差等問題。尤其引發集電靴與接觸軌實際接觸面積減少，加劇打火拉弧的情況

3.列車通過無電區

基于限界要求、接觸軌斷口的布置、線路條件、集電靴的布置及設計缺陷等因素，在一些道岔區域存在不同程度的無電區，列車運行至該區域時，列車集電靴間的長度小魚接觸軌相鄰的錨段距離，這就造成列車部分單元失電，使得靴軌間的接觸面積大大減少，從而造成無電區端部彎頭處易出現嚴重的打火拉弧現象。

4.列車速度的影響

當列車在低速運行時，集電靴和接觸軌保持良好接觸，但隨著列車速度的提高，集電靴和接觸軌接觸壓力會隨之而發生變化劇烈，至到失去接觸而發生離線。

三、接觸軌打火拉弧預防措施

針對以上原因，本論文提出幾條切實可行的預防措施：

1.在設計中，在容許的條件下，加大集電靴與接觸軌的補償張力，減少“離線”現象。另外，在集電靴日常維護時，還有加強集電靴拉簧系統的檢查，一方面確保集電靴的升靴高度符合技術要求，另一方面測試其接觸壓力應滿足正常升靴狀態。

2.定期檢測接觸軌定位點的工作高度，應滿足技術要求，每跨距定位點的工作高度相差不宜過大，一般不超過5mm，避免加劇接觸軌和集電靴接觸力的不均勻，減小集電靴垂向振動幅度。同時，應重點關注端部彎頭的各項技術參數應符合要求。

3.優化接觸網，調整集電靴與接觸軌的接觸面積，在設計階段，充分考慮線路條件和列車取流的實際情況，盡可能地避免無電區的存在，盡量縮短集電靴與接觸軌的接觸空擋區域，合理地減少集電靴對其放電距離，確保列車能夠連續、平穩地取流，從而延長端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命。

4.提高波動傳播速度。在選擇接觸軌導線是時，可采用一些取抗高溫軟化性能好、導電率高、質量輕、綜合拉斷力大的合金導線，從而增加導線的補償張力，提高波動傳播速度，防止列車在高速運行時發生波動，產生離線現象。

5.建立預防機制。充分利用接觸軌綜合檢修和端部彎頭檢修等作業及時掌握接觸軌的實際情況，一旦發現有打火拉弧問題，要及時分析，采取有效措施，把問題消滅在萌芽狀態。在日常運營過程中加大對對打火拉弧的排查、監控力度，同時采取多種切實可行的預防措施，盡可能減少打火拉弧的發生以及打火拉弧造成的后果。

結語

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運動瞬間，想要徹底地消除打火拉弧是不現實的，本文著重結合運營現場產生的嚴重打火拉弧的現象，指出日常設備維護過程中的關注重點，有效避免產生強烈的拉弧現象，改善靴軌受流質量，從而延長端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命，降低設備維護工作量和維護成本。

參考文獻

[1]黃馳.廣州地鐵5號線列車降靴過程的拉弧分析[J].現代城市軌道交通，2010.35.

[2]張雪.GIS設備VFTO仿真中隔離開關電弧模型的研究[D].北京，2010.3.

[3]陳祥.接觸軌端部彎頭：集電拉弧的產生及其影響[J].科技前言，2016.