陳祥

摘 要：通過集電靴與端部彎頭的電接觸分析，梳理拉弧現象產生的過程，結合廣州地鐵6號線運營產生的嚴重拉弧現象，分析了運營現場易加劇拉弧的因素，指出了日常設備維護中的關注重點，以期能夠減輕拉弧對靴軌系統(tǒng)帶來的影響，提高設備運行可靠性。

關鍵詞：接觸軌；端部彎頭；集電靴；拉弧

廣州地鐵4、5、6號線均采用下部接觸式接觸軌供電方式，運營列車通過集電靴與接觸軌下部鋼帶接觸而獲得電能。接觸軌端部彎頭作為接觸軌供電系統(tǒng)的重要設備，能否順利平滑地引導集電靴可靠接觸或平穩(wěn)脫離接觸軌端部彎頭，是保證列車能否良好受流和運行的關鍵。

以廣州地鐵6號線為例，潯峰崗-長湴區(qū)間上下行接觸軌長約50km（含輔助線），共計有320個端部彎頭，每一處端部彎頭的端部都經過預彎，形成一定的坡度，保證端部彎頭具有良好的自熄弧特性。

大多數情況下，集電靴在脫離端部彎頭的瞬間，基于開斷電流和開斷電壓的原因，不可避免地會產生拉弧現象。

對接觸軌端部彎頭-集電靴拉弧現象的產生和影響進行研究，有助于采取相應措施減輕拉弧對接觸軌、集電靴設備的損害，降低對集電靴-接觸軌（簡稱靴軌）受流質量的影響，以保障運營安全。

1 拉弧現象

在大氣中開斷電路時，若開斷電流大于0.25-1A，電路開斷后加在觸頭上的電壓大于12-20V，在觸頭間隙（簡稱弧隙）中，通常會產生一團溫度極高、發(fā)出強光、能夠導電，外形近似圓柱形的氣體——電弧，這種由觸頭斷開電路而引燃的電弧通常稱為拉弧。

若電流或電壓若小于一定數值，則開斷時只能產生為時極短的弧光放電——通常稱之為電火花。

拉弧實質上就是氣體放電的一種形式。在靴軌系統(tǒng)中，大部分情況下，集電靴與端部彎頭脫離的瞬間，其開斷電流和間隙電壓都大于生弧電流和生弧電壓，因此不可避免地會產生電弧。

2 集電靴與端部彎頭的電接觸分析

一般情況下，集電靴與端部彎頭接觸的運動過程中（簡稱入靴），端部彎頭主要承受集電靴的沖擊作用，拉弧現象比較輕微；集電靴與端部彎頭脫離的運動過程中（簡稱出靴），端部彎頭的拉弧會比較嚴重。

出靴過程中，集電靴和端部彎頭從完全接觸、部分接觸到臨界接觸、再從開始脫離到完全脫離的狀態(tài)轉變。以5.2m端部彎頭為例，具體分析其電接觸過程如下：

Ⅰ階段，端部彎頭高度為200mm，集電靴碳滑板與端部彎頭鋼帶受流面完全接觸。

Ⅱ階段，預彎點1#處端部彎頭開始按照一定的坡度逐漸抬高，集電靴也跟隨著緩慢抬高，集電靴碳滑板與端部彎頭鋼帶受流面僅有部分接觸。由于集電靴升靴高度為260mm，現場按照端部彎頭坡度1∶41測算，集電靴和端部彎頭臨界接觸點距端部彎頭末端1.84m左右。

Ⅲ階段，此時集電靴開始脫離端部彎頭，二者間始終存在一個接觸空擋區(qū)域，直至端部彎頭末端預彎點3#后，集電靴完全脫離端部彎頭區(qū)域。

結合以上分析，出靴過程中，集電靴從端部彎頭處逐漸脫離，實際接觸面積逐漸減小，接觸處的電流密度逐漸增大，導致接觸處的金屬強烈發(fā)熱。在靴軌脫離的瞬間，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，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。

靴軌開始分開時距離很小，兩端的電場強度甚高，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，便形成電弧。

3 易加劇拉弧的幾個因素

3.1 集電靴接觸力不足

為保證向列車連續(xù)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維持恰到好處的接觸力。

如果集電靴接觸力不足，降低集電靴的跟隨性，在滑動接觸的過程中，易發(fā)生“離線”現象，靴軌系統(tǒng)便會產生電弧。相反，機械接觸也不宜過大，因為這會給靴軌系統(tǒng)帶來無法承受的機械磨耗，并給接觸軌定位裝置帶來過大的振動荷載。

3.2 集電靴安裝偏差

集電靴設計應與軌面保持平行，但因安裝精度等因素，實際中可能造成部分集電靴存在偏斜、高差等問題。在接觸軌安裝與軌面平行的理想狀態(tài)下，偏斜的集電靴與接觸軌接觸時僅為線接觸，減少了實際接觸面積，加劇拉弧的情況。

3.3 帶負載降靴

集電靴降靴過程需要切斷列車的負載，為避免產生嚴重的拉弧現象，降靴應為無負載或小負載操作，列車的主斷路器應處于分狀態(tài)，在集電靴脫離端部彎頭的瞬間，因為其能量較小，不會對靴軌系統(tǒng)帶來不良后果。

當列車主回路處于合狀態(tài)時，集電靴仍需要向列車輔助供電系統(tǒng)供電，尤其是空調系統(tǒng)，此時的降靴操作無異于帶負荷斷開無滅弧裝置的電器開關，形成的供電大電流造成集電靴與接觸軌之間較強烈的拉弧。

降靴過程，列車處于停車狀態(tài)，集電靴與接觸軌的相對位置靜止，此時只能通過集電靴的下降改變觸頭間的距離，以此增大電弧長度來熄弧，相比于運動電弧，該狀況下的靜止電弧的燃弧時間過長， 強烈的電弧長時間地作用于集電靴和接觸軌的同一點上，將造成局部嚴重燒傷，甚至燒溶而導致設備無法繼續(xù)使用。

3.4 特殊空間限制造成的列車失電區(qū)

在潯峰崗折返線區(qū)域，基于接觸軌斷口的布置、限界要求、線路條件以及列車編組、集電靴的布置等因素，造成了道岔區(qū)域不同程度的失電區(qū)，列車運行至該區(qū)域時，所有集電靴都無法與接觸軌接觸取電，從而造成列車失電。

在列車進出失電區(qū)時，整列車僅有一處集電靴與接觸軌接觸，大大減小了靴軌間的接觸面積，同時又承載著整車負荷，故在失電區(qū)端部彎頭處易出現嚴重的拉弧現象。

此外，為避免列車停在失電區(qū)而造成整車失電無法運營的事故，現場標識了實際失電區(qū)域，部分司機為順利通過失電區(qū)，在看到失電區(qū)域標識后采取了加速的措施，增加了列車取流，在集電靴脫離端部彎頭的瞬間，需要開斷更大的負荷，加劇了拉弧燒傷情況。

4 拉弧對靴軌系統(tǒng)的影響

集電靴與端部彎頭的電接觸過程中，其脫離操作是一種典型的直流高電壓、大電流開關過程。直流系統(tǒng)因不存在交變，電弧不過零點，其自持性更強，而且沒有專門的滅弧裝置和抑制方法，只能靠列車運動過程中的氣流運動以及端部彎頭本身良好的自熄弧特性來進行熄弧，因此該電弧一旦形成難以快速消除，從而造成比較嚴重的后果。

集電靴與端部彎頭間產生的拉弧，對靴軌系統(tǒng)的危害主要表現在電弧熔損，即電弧對接觸材料的侵蝕而加劇的損耗。當集電靴每次經過相同的端部彎頭位置時，在拉弧較為嚴重的情況下，可能燒傷接觸軌鋼帶，產生麻點。

周而復始，在長時間地運營過程中，由于電弧引起的磨損導致鋼帶產生魚鱗狀的磨痕，整個鋼帶面坑洼不平，局部磨損嚴重甚至出現凹槽，同時也會導致集電靴碳滑板燒傷，嚴重影響靴軌受流質量，同時也縮短端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命，增加設備維護工作量和維護成本。

5 減輕拉弧影響的措施

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運動瞬間，接觸點有電火花或輕微的電弧現象發(fā)生，一般不會帶來嚴重后果。在集電靴安裝工藝問題、列車取流量較大時的帶負載降靴或出入失電區(qū)等情況下，均能夠導致強烈的拉弧現象，對靴軌系統(tǒng)帶來嚴重不良后果，該情況是日常運營維護過程中需要避免的。

1）在設計階段，充分考慮線路條件和列車取流的實際情況，盡可能地避免失電區(qū)的存在，盡量縮短集電靴與接觸軌的接觸空擋區(qū)域，合理地減少集電靴碳滑板對其放電距離，確保列車能夠連續(xù)、平穩(wěn)地取流，從而延長端部彎頭和集電靴碳滑板的使用壽命。

2）定期檢測接觸軌定位的工作高度，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3mm），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。重點關注端部彎頭末端定位點的工作高度。

3）恰當選取集電靴與接觸軌的接觸作用力，維持集電靴良好的跟隨性，減少“離線”現象。因此，在集電靴日常維護時，加強集電靴拉簧系統(tǒng)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(tài)。

4）加強集電靴絕緣性能檢查，定期測量集電靴絕緣蓋板的絕緣電阻，確保主回路電壓與轉向架之間的絕緣良好。基于車輛下部安裝空間限制，集電靴距離轉向架較近，其與周圍的絕緣距離可能不夠，如若沒有完備的絕緣措施，在集電靴運動脫離端部彎頭瞬間產生嚴重拉弧的情況下，電弧可能侵入而且燒傷轉向架，甚至引起集電靴與轉向架之間的拉弧，造成供電保護跳閘，影響列車運營。因此，需對集電靴周圍采取必要的絕緣防護。

6 結語

在集電靴與端部彎頭接觸或脫離的運動瞬間，想要徹底地消除拉弧是不現實的，因此本文著重結合運營現場產生的嚴重拉弧的現象，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] 吳積欽.受電弓與接觸網系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2] 許志紅.電器理論基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3] 李峰.直流1500V接觸軌端部彎頭的研究[J].城市軌道交通研究，2011（6）：83-85.

[4] 王振云，王振全，李相泉.受流器與接觸軌匹配特性研究[J].城市軌道交通研究，2011（6）：55-57.

[5] 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，2015（2）：35-37.