長沙磁浮快線靴軌電弧原因分析及預防措施

鄒同友，涂振華，劉婷

（湖南磁浮交通發展股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著我國改革開放和現代化進程的加快，軌道交通行業得到了蓬勃發展，中低速磁浮交通線路建設在國內逐漸鋪開，城市軌道交通制式已邁入磁浮時代。長沙磁浮快線作為國內第一條自主研發的中低速磁浮運營線路，在技術發展和革新的道路上走在時代前沿，而接觸軌作為磁浮交通供電系統的重要設備，其與受電靴的耦合關系直接影響著列車受流穩定性，對磁浮安全運營起到了至關重要的作用。

靴軌耦合異常直觀表現為靴軌電弧打火，它是由于接觸軌與運行過程中受電靴碳滑板的瞬時分離引起的氣體間隙擊穿放電現象[1]，這種電弧的產生往往只能通過車輛本身位移及氣體自然地流動進行滅弧，一旦形成的電弧沒有得到及時消除，將對設備造成不同程度的影響。現以長沙磁浮快線實際運營為例，對靴軌運行狀態進行分析，除磁浮車輛狀態、冰凍天氣等外界因素會造成電弧打火外，接觸軌的硬點、軌偏劇烈變化、電分段壓差、端部彎頭和膨脹接頭處過渡不平順等設備問題，同樣會造成受電靴離線電弧打火現象。

本文在深入研究了鐵路、地鐵柔性與剛性接觸網弓網電弧預防措施的基礎上，結合中速磁浮發展需要，根據長沙磁浮快線接觸軌自身特點，針對性提出了靴軌電弧預防的措施，達到延長設備使用壽命、減少人工維修量和運營成本的目的。

1 靴軌電弧的影響

長沙磁浮快線牽引供電制式采用的是在走行梁兩側絕緣敷設的DC1500V正極軌授電、負極軌回流的側部受流方式，供電軌采用的是鋼鋁復合C型接觸軌。磁浮列車在運行過程中碳滑板和接觸軌在水平方向做線性運動，而靴軌相對移動的過程中，兩者的接觸位置也在不斷地變化，因此當接觸軌受流面出現較大突變時，受電靴離線產生電弧并追隨磁浮列車運行方向不斷地變化，造成接觸軌受流面產生麻點或麻面，嚴重時導致熔坑或凹面的產生，如圖1所示。

接觸軌受流面如果沒有及時打磨拋光處理，在該處形成高差和突變，后續列車碳滑板滑過時會因離線產生更為嚴重的電弧燒蝕，這種惡性循環會進一步加快接觸軌和碳滑板的磨損，大大降低靴軌受流質量，嚴重時將威脅到磁浮列車的安全運行。

2 靴軌電弧原因分析

2.1 接觸電阻產生電弧

受電靴碳滑板與接觸軌并非完全耦合接觸，而是在受流面上表征為極少數的點接觸，鋼鋁復合接觸軌鋼帶是通過機械軋制而成，其受流面鋼帶經熱軋處理后多少會沿鋼帶軋制方向呈高低起伏的波浪形狀，不論接觸面如何精加工、打磨及靴軌長期相互作用，其微觀上總是體現為少數導電點實際發生真正的接觸， 因此靴軌運行過程其實是受流面與碳滑板平面的線接觸。如圖2所示。

當靴軌運行過程中接觸壓力失衡，接觸面導電點隨之減少或消失，此時由接觸軌流向碳滑板的電流在該處發生急劇收縮，電流流過的路徑增加，有效導電面積減少，形成接觸電阻[2]，當電流流經接觸電阻，靴軌系統局部接觸點溫度驟升，嚴重時溫升可達碳滑板和接觸軌的熔化點，甚至產生電火花[3]，受流質量將嚴重惡化。

2.2 電分段串電產生電弧

長沙磁浮快線接觸軌系統各供電分區采用電分段形式進行電氣隔離，而為確保受電靴碳滑板的平滑過渡，分段絕緣器主絕緣滑掠面與接觸軌受流面保持在同一水平面，在這種工況下受電靴與嵌線槽型分段絕緣器長期相互作用，容易致使碳滑板碳粉的脫落、分段絕緣碳粉的堆積，使主絕緣產生臟污型貫穿通道，造成絕緣性能下降，產生電弧閃絡，甚至擊穿，特別是在雨雪潮濕與冰凍天氣情況下，極易發生分段串電故障。接觸軌相鄰供電分區主要通過分段絕緣器來實現電氣絕緣。如圖3所示。

2.3 接觸軌硬點產生電弧

磁浮列車在運行過程中，其受電靴碳滑板同接觸軌接觸面處于滑動摩擦狀態，為保證正常取流，靴軌間存在一定的接觸壓力，由于某些原因會引起靴軌間接觸壓力、相對位置和速度的突然變化，致使靴軌關系產生瞬態變化，這種瞬態變化達到一定量化標準，便稱之為硬點[4]。接觸軌硬點形成原因：

（1）長沙磁浮快線接觸軌系統在架設初期，由于在國內磁浮行業無側部受流應用先例，缺乏嚴苛的標準及理論體系進行科學指導，且無配套工裝設備適配現場工程質量的把控，如接觸軌系統軌偏軌高檢測精度控制、旋轉卡頭扭矩檢測、受流面俯仰角測量等，這些因素的累積會破壞系統的力學平衡，使得接觸軌在外力作用下發生形變或扭曲，最終形成硬點。

（2）施工過程中隨意性較大，施工隊伍素質參差不齊，造成接觸軌整體安裝精度不高。受電靴經過高差超限的中間接頭、膨脹接頭、端部彎頭、定位支點處時，靴軌間會產生明顯的撞擊，加劇接觸軌和受電靴局部機械磨耗，長期運行，會造成靴軌磨耗異常[5]，影響靴軌受流質量甚至引發靴軌事故。如圖4所示。

3 靴軌電弧整治及防范措施

（1）升級改造系統設備。對接觸軌系統進行無縫化處理，通過焊接打磨接觸軌中間接頭、更換平順性及補償效果處理更優的無縫膨脹接頭、調整接觸軌端部彎頭坡度和絕緣支撐定位點安裝精度，消除接觸軌順線路方向的突變，改善靴軌接觸狀態，防止靴軌接觸電阻突變引起電弧火花的產生。

（2）跟蹤靴軌動態關系。對發現受電靴碳滑板磨耗異常的，一方面及時查找接觸軌設備的原因，從源頭治理，另一方面定期對受電靴進行檢查，校調靴軌接觸壓力至120±24N標準值范圍內，對發現受電靴碳滑板異常磨耗的及時進行打磨或更換，確保良好的靴軌關系。

（3）優化檢修工藝流程。按最新檢修工藝標準及流程優化設備的檢修，并根據需要及時縮短分段的檢修周期，調整分段絕緣器的絕緣檢測及清洗頻次，校調其滑掠面與接觸軌過渡處安裝精度在±0.2mm高差范圍內，確保其電氣絕緣及機械性能良好。

（4）及時調整設計缺陷。對于出入段線相鄰單邊供電分區之間的電分段，當車輛跨分區通過、負載變化及供電臂長短差異等都會引起分段絕緣器兩側壓差的產生，加上車輛段內日常檢修的需要，會經常性地進行分區停電，且磁浮列車受電靴滑過時會伴隨拉弧打火現象，長此以往會造成分段絕緣器絕緣劣化、燒蝕、甚至擊穿，存在安全隱患。按照長沙磁浮快線車輛限速要求，磁浮列車進出出入段線速度最高時速為15km/h，因此建議將該處電氣分段改為機械分段，通過端部彎頭加電連接方式替代分段絕緣器使用，提高分區檢修的安全性。

（5）加強硬點預防處置。在工程介入前期加強現場管理，督促施工單位開展崗前練兵，提高施工隊伍整體素質，做好關鍵環節和工序的質量把控；在工程檢查驗收階段把好工程質量關，對接觸軌俯仰角超限、定位支點安裝精度不達標、旋轉卡頭歪斜、各部件螺栓力矩不合格等情況進行跟蹤檢查與整改；在運營維護期加強系統平順性的檢查與調整，利用多形式檢測手段，定期做好軌偏、軌高、磨耗的測量，對發現接觸軌系統高差問題，及時進行調整處理，對超限中間接頭進行1‰放坡處理，提升受流面的平順性。

4 結論

靴軌電弧現象產生原因很多也很復雜，不能一概而論，在實際運行中電弧的產生包含各種原因，如車輛震動、靴軌壓力、線路平順性、空氣濕度、供電臂壓差等。為保障磁浮列車運行達到最佳的靴軌耦合狀態，一是要保證自身設備安裝精度，其軌偏、軌高及接頭受流面安裝精度須滿足設計要求，確保受電靴的平滑取流；二是通過規范檢修模式和采取科學檢測手段，及時掌握設備狀態，對發現靴軌耦合異常情況進行及時跟蹤和整治。