大连轨道交通金州线车辆弓网受流试验及分析

2012-01-17于延霞

城市轨道交通研究 2012年10期

于延霞丁锋

（大连机车车辆有限公司，116022，大连∥第一作者，高级工程师）

对于一条即将建设的城市轨道交通（以下简为“城轨”）线路来说，车辆的供电受流方式是首先要考虑的问题。目前，城轨车辆供电受流有第三轨供电受流和架空接触网受电弓受流两种形式，选择时需对这两种形式进行利弊分析。目前的技术发展及第三轨供电受流的缺点，决定了采用架空接触网受电弓受流具有很大的优越性。

弓网受流时线路和车辆系统都需要协调弓网关系。受电弓的损坏与接触网的故障两者间有时互为因果关系：受电弓的损坏可能造成接触网的故障，而接触网的故障或质量原因也可造成受电弓的损坏。因此，通过对受电弓的试验和实时检测，有利于协调受电弓及接触网关系并及时检修、维护，达到减少弓网故障的目的。为此，大连金州线车辆在金州线进行了弓网受流试验和检测。试验和检测结果满足TB／T 1456—2004《铁路应用－机车车辆－干线机车车辆受电弓特性和试验》及IEC 60494—2—2002《轨道交通－机车车辆－地铁与轻轨车辆受电弓特性和试验》的要求，弓网协调性很好。

1 城轨车辆受流形式比较

第三轨供电系统结构简单，稳定性较好，遭雷击率较低，使用寿命长；在安装、维护上的费用和工作量要低于架空接触网（相同电压下），无需配备专用的接触网系统抢修机械；视觉上污染小，对景观破坏影响小。但是，第三轨供电系统也存在以下问题：①第三轨系统距地面很近，无法做到全方位的人员接近防护；②电力操作规程所规定的断电标志（打开断路器，有明显的断路点、挂地线等）在第三轨系统实行存在问题，对日常维护或紧急情况下的旅客疏散造成困难；③第三轨系统在运行轨道岔处留有间隙，形成断电区，造成电拉弧多，在某些环境下会出现列车中断运行的情况，需要使用跳线电缆临时搭接或其他列车救援；④断电区多造成供电品质差，EMI（电磁干扰）问题突出，降低了信号设备以及通信设备的可靠性；⑤第三轨系统中的绝缘器件由于直流电场的吸附作用和距地面很近等原因容易被污染，而自然风和雨水无法对绝缘器件产生自洁作用，故其需要经常清扫，否则极易发生绝缘子闪络事故，影响行车；⑥受电靴多，噪声大，受电靴磨耗大；⑦列车不能随时脱离电源，紧急情况下不易保证安全，同时也不利于直通运行；⑧由于接触轨的不连续性，受流器在滑入接触轨时会受到冲击，当列车速度过高时，冲击力较大，严重时会损坏受流器，因此，采用接触轨受流方式时列车的最高运行速度较低。国内第三轨供电的地铁列车运行极限速度为90km／h。

架空接触网由于在高空架设，自然风和雨水能对绝缘子产生自洁作用，相对减少了绝缘子的清洁工作量；接触网架空断电区少，没有断电拉弧；采用接触网的城轨列车的运行极限速度为140km／h，满足城轨列车高速运行要求。接触网供电受流系统也有一些问题，如：由于其作业面较高，运营维护须配备专用的维护检修车辆；接触网暴露在地面上的部分影响了城市景观。

从目前城轨发展趋势来看，采用架空接触网受电弓受流的线路越来越多，第三轨受流器受流只在特殊线路环境要求下采用。

大连金州线列车为一动一拖编组，最高运行速度为120km／h，整个线路多为高架线路且为郊区线，因此大连金州线选用架空接触网受电弓受流形式。

2 城轨车辆弓网受流试验和检测的重要性

为保证牵引电流顺利流通，受电弓和接触线之间必须有一定的接触压力。弓网实际接触压力由以下4部分组成：①静态接触压力——受电弓升弓系统施加于滑板使之向上的垂直力；②动态接触压力——由于接触悬挂存在弹性差异，接触线在受电弓抬升作用下会产生不同程度的上升，从而使受电弓在运行中上下振动，产生一个与其本身归算质量相关的上下交变的压力；③气动力——受电弓在运行中受空气流作用产生的一个随速度增加而迅速增加的力；④受电弓阻尼力——受电弓各关节在升降弓过程中产生的阻力。

弓网接触压力可直观反映受电弓滑板和接触线间的接触情况，它必须符合正态分布规律，且只能在一定范围内波动。弓网接触压力太小会增加离线率，太大会使滑板和接触线间产生较大的机械磨耗。为保证受电弓具有可靠的受流质量，应尽量减小受电弓的归算质量，增加接触悬挂的弹性均匀性。另外，滑板的质量和机电性能对受流质量影响很大。

受电弓的损坏与接触网的故障密不可分。受电弓损坏可能造成接触网故障，而接触网故障或质量原因也可造成受电弓损坏。通过对受电弓进行试验和实时检测，既可及时准确地发现受电弓故障，也可通过受电弓的打碰痕迹判断接触网的运行状态。这有利于受电弓及接触网的及时检修、维护，从而减少弓网故障。

3 大连金州线车辆弓网受流试验

大连金州线车辆弓网受流试验包括静态性能试验和弓网受流性能试验。

3.1 受电弓静态性能试验

受电弓静态性能试验要进行静态压力、升降系统检查、横向刚度试验三项。

3.1.1 静态压力测试

在车顶安装专用的试验支架，用负荷测试传感器和计算机组成的测力装置进行测定。受电弓的静态压力测试数据见表1。

表1 受电弓的静态压力测试数据

由表1可以看出，上升压力平均最大值为65.02N、最小值为62.92N，下降压力平均最大值为81.29N、最小值为76.42N，满足在工作高度范围内压力差不大于10N的标准要求；同一高度最大压力差为16.75N，满足标准中压力差不大于18N的要求。因此，试验符合IEC—60494—2—2002《轨道交通－机车车辆－地铁与轻轨车辆受电弓特性和试验》附件B的规定。

3.1.2 升降弓时间特性试验

在车顶上安装限位支架，用电秒表测试受电弓在额定压力的压缩空气驱动下的升降弓时间，观察受电弓的动作状态。试验结果为：

（1）平稳升到最高工作高度，无有害的冲击。

（2）从落弓高度到最高工作高度，受电弓从开始动作到完全升起的时间不大于10s，满足试验大纲要求；在工作范围的任何高度降弓时，降弓起始动作迅速，无有害的冲击。

3.1.3 横向刚度试验

受电弓位于最高高度，在受电弓框架顶端左右两侧分别施加300N的力，测量其两侧的位移。测得左右两侧的横向刚度位移均为17mm，两侧位移保持均衡，取消力后无永久变形。300N作用力下，受电弓两侧的横向刚度位移符合IEC—60494—2—2002《轨道交通－机车车辆－地铁与轻轨车辆受电弓特性和试验》中小于20mm的规定。

3.2 弓网受流性能试验

弓网受流性能试验在大连金州线上进行，可以直接检测弓网受流情况。试验包括离线（火花）测定，硬点（受电弓滑板所受的垂向加速度）测试，受电弓滑板运行轨迹（接触线动态高度）等。因当时金州线条件限制，弓网受流性能试验只能在80km／h以下进行，所以试验记录为80km／h以下速度等级。

3.2.1 离线（火花）测定

在受电弓车顶附近安装离线（火花）测量仪，测定离线火花发生的地点，统计离线次数。记录不同车速运行状态下的数据，考核弓网受流质量。离线次数统计见表2。测试中无一次最大离线时间大于100ms，满足火花次数不大于1次／160m、一次最大离线时间不大于100ms的要求。

表2 不同速度时的离线情况统计表

3.2.2 硬点（受电弓滑板所受的垂向加速度）测量

在受电弓上安装硬点测量装置，测试受电弓运行时所受的冲击加速度，考核和检测受电弓运行的安全性。接触网硬点测试统计见表3。由试验可知，实际测试的硬点很小，满足测试垂向加速度不大于490m／s2（50 g）的要求。

表3 接触网硬点（不同车速下受电弓的垂向冲击加速度）测试统计 m／s2

3.2.3 受电弓滑板运行轨迹（接触线动态高度）测量

在车顶安装激光测距器，动态测量受电弓滑板的运行轨迹，同时测量出接触线动态最大高度、最小高度以及接触线一跨内的振动幅度。试验测试的接触网高差见表4。

表4 不同车速时的接触网动态高差 mm

由表4可见，接触网高差较小，无超过试验大纲规定的150mm的点，满足接触导线最大垂直振幅2A≤150mm的标准要求。

3.2.4 受电弓运行状态图像监视

在车顶安装摄像机，监视弓网运行状态，并与有关测试数据进行图像合成。图像显示大连金州线弓网受流协调，弓网安全。

弓网受流性能测试数据的统计方法是以接触网的跨距作为基本统计单位，在每一跨内，分析统计出硬点测试的最大值，接触线的最大动态高度、最小动态高度和动态高度差，离线（火花）次数和离线时间等。为了掌握全部试验速度等级和整个试验区段的弓网受流性能，作出了典型试验速度（速度级80km／h）下的全程硬点散点图（见图1）。从硬点散点图可以看出大连金州线的硬点高于300m／s2的很少，弓网条件协调。