首都机场APM捷运系统拉弧原因分析

刘 慷 孙海啸 于 淼

(北京首都机场动力能源有限公司，北京 100621)

首都机场APM捷运系统拉弧原因分析

刘 慷 孙海啸 于 淼

(北京首都机场动力能源有限公司，北京 100621)

APM捷运系统作为现代社会一种方便、快捷的交通运输方式，已经广泛运用在国内外城市轨道交通、大型枢纽机场等公共场合。以首都机场三号航站楼APM捷运系统为例，通过类比电气铁路的弓网接触特性，探究APM捷运系统产生拉弧的原因。

首都机场；APM捷运系统；拉弧原因；供电方式；接触电阻

1 首都机场APM捷运系统简介

旅客自动捷运系统(Automated People Mover，APM)是指在钢轨上或混凝土梁上运行，由全计算机控制、电力驱动、全自动无人驾驶的大众运输系统，目前正广泛应用在世界各国大型机场枢纽及城市轨道交通等公共场合。北京首都国际机场APM捷运系统于2008年奥运会期间正式投入运行，是国内首个全自动无人驾驶的捷运系统，采用的是庞巴迪CX-100型车辆，主要承担三号航站楼旅客进出港的运输任务。

2 电接触理论的几个基本概念

2.1 拉弧定义

大气中开断电路时，如果被断开的电流超过0.25～1 A，断开后加在触头上的电压超过12～20 V，则在触头间隙中通常会产生一团温度极高、发强光和能够导电的近似圆柱形气体——电弧，也就是这里所说的拉弧[1]。

2.2 接触电阻

根据电接触理论，APM捷运系统在运行过程中所需的电流是通过集电靴与动力轨之间导电斑点的电气接触进行传输的，这些接触点不仅传输电能，而且之间的电阻会产生大量的焦耳热，我们称之为接触电阻。

接触电阻的存在使得触点在断开时释放大量焦耳热，因此，掌握接触电阻的影响因素显得十分重要。大量实验证明，接触电阻与触点间的接触面积成负相关性：接触面积越大，接触电阻越小，接触面积越小，接触电阻越大；而接触质量的好坏直接影响实际有效接触面积的大小[2]。

2.3 APM产生拉弧机理

基本的一阶感性电路在开关断开过程中会产生很大的感应电流，根据楞次定律，当一阶感性电路突然分断开关时，电感中会激发出一个阻碍磁通量变化的磁场，这个磁场会在电感中激发出感应电流，感应电流的大小与开关分断时间成反比，与分断开关两端电压成正比。

APM捷运系统供电回路主要是感性负载，其拉弧电流产生机理与上述一阶感性电路产生感应电流原理相同，即：当机车通过道岔或是断电区时，集电靴与动力轨有短暂分离状态，在分离瞬间会在电感负载上激发出很高的拉弧电流。在列车集电靴与动力轨的接触部分从正常闭合位置向断开的方向运动时，因接触压力逐渐减小，实际接触面和导电面积减小，接触电阻相应增大，在接触面最后分断前一瞬间，触点两端电压差会激发一个很高的拉弧电流，其产生的能量集中加热最后离开点的一个极小的金属体积，使其温度迅速上升到金属沸点而引起爆炸式汽化[3]，在充满金属蒸汽的条件下，间隙被击穿，集电靴与动力轨间形成拉弧。有如下3个公式：

拉弧电流与触点两端电压差成正比：

I∝ΔU

(1)

拉弧电流与接触面分断时间成反比：

(2)

拉弧所产生能量：

Q=I2RcΔT

(3)

式中，I为APM拉弧电流；ΔU为触点轨道两端的电压差；ΔT为APM集电靴与动力轨道的分断时间；Q为拉弧过程中产生的热量；Rc为接触面间的接触电阻。

由式(1)(2)(3)可知，预防拉弧产生的危害，关键在于减小拉弧电流及拉弧过程中所生成的热能。因此，降低拉弧过程中的电压差、增大分断时间、减小接触电阻是降低拉弧危害的有效手段。

3 拉弧原因分析

3.1 拉弧数据统计

在实际运行当中，发生拉弧的位置一般在轨道沿线的各绝缘点处动力轨绝缘节、道岔处轨条接缝等区域。为进一步研究分析拉弧原因，对2008—2013年6年间动力轨各个位置的拉弧数据进行统计，如图1所示。

图1 APM捷运系统在轨道上各区域拉弧次数统计

注：图中的字母GB、SW分别表示绝缘点处动力轨绝缘节、道岔处动力轨条接缝。

数据表明，近6年来发生拉弧次数最高的几个区域分别为：SW11-14-15(18次)、SW21-22-23-24(25次)及SW41-44(12次)，均分布在道岔处，其在轨道上的分布位置如图2所示。

从图2的主要拉弧分布位置可以看出：捷运系统发生拉弧的位置主要位于两条动力轨的道岔转弯处，APM列车往返时会跨轨、跨间隙运行，拉弧现象最容易发生在集电靴与动力轨条分离过程中。

图2 APM捷运系统轨道运行图

注：图中黑色椭圆表示APM的停靠位置，实线表示APM的运行轨迹，虚线表示轨条分布位置。

3.2 原因分析

3.2.1 供电方式

APM捷运系统的供电系统如图3所示：由251、280开关来的10 kV电压分别送至207、208两条母线，两条10 kV母线上的271、272、273及281、282、283馈出柜经过10/0.6 kV变压器输出600 V交流电至两条列车轨道上，APM列车通过底部集电靴从轨道上取电，再由车厢上的整流装置为列车供给直流电。

图3 APM捷运系统供电系统图

原先的供电方式为双路供电，即10 kV侧278母联开关断开，分别由207、208母线给轨道1、轨道2供电。由于207、208母线分别由不同的上级电网供电，彼此存在5～10 V的电压差，根据公式(1)，拉弧过程中的电压差越大，拉弧电流就越大。

为减小电压差所带来的拉弧电流，APM供电方式改为现在的单路供电，即合上10 kV侧278母联开关，断开207母线进线开关，由208母线带两条轨道运行。在这种运行方式下，两条轨道运行电压基本一致，有效降低了拉弧电流。

3.2.2 运行速度

根据公式(2)，拉弧过程中的分断时间也是影响拉弧电流大小的重要因素之一，分断时间越长，拉弧电流越小，分断时间越短，拉弧电流越大；而列车的运行速度直接影响拉弧分断时间的长短，故降低列车在道岔转弯处的运行速度可以显著延长拉弧的分断时间。APM在运行过程中既有直线段行驶，也有道岔转弯行驶(图2)。我们在保证直线段行驶速度的前提下，降低了道岔转弯时的速度，对减少拉弧起到了显著效果。具体降速情况如表1所示。

表1 APM捷运系统降速前后速度对比表

需要说明的是，列车降速是从到达道岔转弯处之前的一段距离开始，这样能保证列车尽早地在道岔转弯处以匀低速运行，更好地达到减少拉弧的效果。

3.2.3 接触质量

从公式(3)中可以看出，减小接触电阻能够直接减少拉弧所产生的热量。根据之前的接触电阻理论，接触电阻和集电靴与动力轨之间接触面的接触质量直接相关。在实际运行中，影响接触质量的因素有很多，最常见的包括轨条高度、集电靴姿态、轨条接触面整洁度。

3.2.3.1 轨条高度

正常情况下，APM捷运系统的两条轨条高度应该齐平，并且它们距离列车行走面的正常高度应该在45～51 mm之间。随着系统运行多年，轨条的物理高度会发生变化，尤其在发生拉弧次数较多的道岔处轨条变化更加显著(图4)。

图4 APM捷运系统道岔处轨条图

图4(a)虚线圆圈内的是道岔处的轨条分布图，圆圈内实线轨条和虚线轨条分别表示列车直行和转弯状态下直行轨条和转弯轨条的分布位置。为测量轨条各位置距离行走面的高度，规定各区域位置如图4(b)所示，先确定正北方向，然后确定东、西边缘，再依次测量轨条各区域距离行走面的高度，并计算高度差，其结果如表2所示。

表2 APM捷运系统部分道岔处轨条上的各区域距离行走面高度统计表 单位：mm

通过表2，我们能看出这些区域普遍存在轨条不齐平、轨条边缘距离行走面高度过低或过高的问题，这都直接影响了集电靴与轨条的接触质量。运维单位可以采取削减或垫高支架的方式调整轨条高度，改善接触面情况，减小接触电阻。

3.2.3.2 集电靴姿态

集电靴的姿态能直接影响接触面的接触质量。由于集电靴依靠弹簧张力接触轨条，那么弹簧的弹性及张力大小会影响集电靴在运行过程中的姿态，且集电靴在正常情况下属于自由状态，很容易在接触过程中受外力影响产生偏移而改变姿态，造成有效接触面积降低，接触电阻增大。因此，运行人员在定期巡查和维保过程中应当注重查看集电靴位置，及时调整集电靴姿态。

3.2.3.3 接触面整洁度

接触面的整洁度主要受APM捷运系统所处的外部环境影响。在雨、雪等恶劣天气情况下，由于接触面当中有冰、灰尘等杂质的存在，不仅会增加集电靴与动力轨之间的磨损，更容易在接触表面上积聚形成黏状物体，使正常情况下摩擦表面的润滑膜遭到破坏，造成接触电阻成倍增加。此外，集电靴与动力轨在不同季节会出现热胀冷缩现象，导致内部张力发生不同程度的变化，这样也会直接影响接触电阻的大小，这就需要运行人员在日常巡视与检修中做好轨条维护保养工作。

4 结语

本文分析了首都机场APM捷运系统的拉弧产生机理，从理论上确定了减小拉弧影响的3种方法：减小电压差、延长分断时间、减小接触电阻。根据实际运行情况，选取了APM捷运系统频繁发生拉弧的区域进行分析，总结归纳出导致拉弧产生的3个重要因素：供电方式、运行速度、接触质量，为减小拉弧影响提供了一些建议。

[1]夏天伟，丁明道.电器学[M].北京：机械工业出版社，2001

[2]徐建忠.弓网电弧的物理场仿真分析[D].北京：北京交通大学，2012

[3]吴积钦.受电弓——接触网系统电接触特性研究[D].成都：西南交通大学，2009

2014-06-27

刘慷(1990—)，男，江西人，助理工程师，从事首都机场航站楼电气设备运行与管理工作。