接触轨端部弯头

陈祥

摘 要：通过集电靴与端部弯头的电接触分析，梳理拉弧现象产生的过程，结合广州地铁6号线运营产生的严重拉弧现象，分析了运营现场易加剧拉弧的因素，指出了日常设备维护中的关注重点，以期能够减轻拉弧对靴轨系统带来的影响，提高设备运行可靠性。

关键词：接触轨；端部弯头；集电靴；拉弧

广州地铁4、5、6号线均采用下部接触式接触轨供电方式，运营列车通过集电靴与接触轨下部钢带接触而获得电能。接触轨端部弯头作为接触轨供电系统的重要设备，能否顺利平滑地引导集电靴可靠接触或平稳脱离接触轨端部弯头，是保证列车能否良好受流和运行的关键。

以广州地铁6号线为例，浔峰岗-长湴区间上下行接触轨长约50km（含辅助线），共计有320个端部弯头，每一处端部弯头的端部都经过预弯，形成一定的坡度，保证端部弯头具有良好的自熄弧特性。

大多数情况下，集电靴在脱离端部弯头的瞬间，基于开断电流和开断电压的原因，不可避免地会产生拉弧现象。

对接触轨端部弯头-集电靴拉弧现象的产生和影响进行研究，有助于采取相应措施减轻拉弧对接触轨、集电靴设备的损害，降低对集电靴-接触轨（简称靴轨）受流质量的影响，以保障运营安全。

1 拉弧现象

在大气中开断电路时，若开断电流大于0.25-1A，电路开断后加在触头上的电压大于12-20V，在触头间隙（简称弧隙）中，通常会产生一团温度极高、发出强光、能够导电，外形近似圆柱形的气体——电弧，这种由触头断开电路而引燃的电弧通常称为拉弧。

若电流或电压若小于一定数值，则开断时只能产生为时极短的弧光放电——通常称之为电火花。

拉弧实质上就是气体放电的一种形式。在靴轨系统中，大部分情况下，集电靴与端部弯头脱离的瞬间，其开断电流和间隙电压都大于生弧电流和生弧电压，因此不可避免地会产生电弧。

2 集电靴与端部弯头的电接触分析

一般情况下，集电靴与端部弯头接触的运动过程中（简称入靴），端部弯头主要承受集电靴的冲击作用，拉弧现象比较轻微；集电靴与端部弯头脱离的运动过程中（简称出靴），端部弯头的拉弧会比较严重。

出靴过程中，集电靴和端部弯头从完全接触、部分接触到临界接触、再从开始脱离到完全脱离的状态转变。以5.2m端部弯头为例，具体分析其电接触过程如下：

Ⅰ阶段，端部弯头高度为200mm，集电靴碳滑板与端部弯头钢带受流面完全接触。

Ⅱ阶段，预弯点1#处端部弯头开始按照一定的坡度逐渐抬高，集电靴也跟随着缓慢抬高，集电靴碳滑板与端部弯头钢带受流面仅有部分接触。由于集电靴升靴高度为260mm，现场按照端部弯头坡度1∶41测算，集电靴和端部弯头临界接触点距端部弯头末端1.84m左右。

Ⅲ阶段，此时集电靴开始脱离端部弯头，二者间始终存在一个接触空挡区域，直至端部弯头末端预弯点3#后，集电靴完全脱离端部弯头区域。

结合以上分析，出靴过程中，集电靴从端部弯头处逐渐脱离，实际接触面积逐渐减小，接触处的电流密度逐渐增大，导致接触处的金属强烈发热。在靴轨脱离的瞬间，电能集中加热到集电靴与端部弯头最后一块体积很小的接触面，使其温度迅速上升到金属的沸点，接触处的金属首先熔化，形成金属蒸气进入弧隙。

靴轨开始分开时距离很小，两端的电场强度甚高，在电场的作用下，弧隙中产生大量的带电粒子，在弧隙充满高温金属蒸气、带电粒子的条件下，便形成电弧。

3 易加剧拉弧的几个因素

3.1 集电靴接触力不足

为保证向列车连续而不间断地供电，集电靴与接触轨必须一直保持电接触。获得良好电接触的关键要素是集电靴维持恰到好处的接触力。

如果集电靴接触力不足，降低集电靴的跟随性，在滑动接触的过程中，易发生“离线”现象，靴轨系统便会产生电弧。相反，机械接触也不宜过大，因为这会给靴轨系统带来无法承受的机械磨耗，并给接触轨定位装置带来过大的振动荷载。

3.2 集电靴安装偏差

集电靴设计应与轨面保持平行，但因安装精度等因素，实际中可能造成部分集电靴存在偏斜、高差等问题。在接触轨安装与轨面平行的理想状态下，偏斜的集电靴与接触轨接触时仅为线接触，减少了实际接触面积，加剧拉弧的情况。

3.3 带负载降靴

集电靴降靴过程需要切断列车的负载，为避免产生严重的拉弧现象，降靴应为无负载或小负载操作，列车的主断路器应处于分状态，在集电靴脱离端部弯头的瞬间，因为其能量较小，不会对靴轨系统带来不良后果。

当列车主回路处于合状态时，集电靴仍需要向列车辅助供电系统供电，尤其是空调系统，此时的降靴操作无异于带负荷断开无灭弧装置的电器开关，形成的供电大电流造成集电靴与接触轨之间较强烈的拉弧。

降靴过程，列车处于停车状态，集电靴与接触轨的相对位置静止，此时只能通过集电靴的下降改变触头间的距离，以此增大电弧长度来熄弧，相比于运动电弧，该状况下的静止电弧的燃弧时间过长， 强烈的电弧长时间地作用于集电靴和接触轨的同一点上，将造成局部严重烧伤，甚至烧溶而导致设备无法继续使用。

3.4 特殊空间限制造成的列车失电区

在浔峰岗折返线区域，基于接触轨断口的布置、限界要求、线路条件以及列车编组、集电靴的布置等因素，造成了道岔区域不同程度的失电区，列车运行至该区域时，所有集电靴都无法与接触轨接触取电，从而造成列车失电。

在列车进出失电区时，整列车仅有一处集电靴与接触轨接触，大大减小了靴轨间的接触面积，同时又承载着整车负荷，故在失电区端部弯头处易出现严重的拉弧现象。

此外，为避免列车停在失电区而造成整车失电无法运营的事故，现场标识了实际失电区域，部分司机为顺利通过失电区，在看到失电区域标识后采取了加速的措施，增加了列车取流，在集电靴脱离端部弯头的瞬间，需要开断更大的负荷，加剧了拉弧烧伤情况。

4 拉弧对靴轨系统的影响

集电靴与端部弯头的电接触过程中，其脱离操作是一种典型的直流高电压、大电流开关过程。直流系统因不存在交变，电弧不过零点，其自持性更强，而且没有专门的灭弧装置和抑制方法，只能靠列车运动过程中的气流运动以及端部弯头本身良好的自熄弧特性来进行熄弧，因此该电弧一旦形成难以快速消除，从而造成比较严重的后果。

集电靴与端部弯头间产生的拉弧，对靴轨系统的危害主要表现在电弧熔损，即电弧对接触材料的侵蚀而加剧的损耗。当集电靴每次经过相同的端部弯头位置时，在拉弧较为严重的情况下，可能烧伤接触轨钢带，产生麻点。

周而复始，在长时间地运营过程中，由于电弧引起的磨损导致钢带产生鱼鳞状的磨痕，整个钢带面坑洼不平，局部磨损严重甚至出现凹槽，同时也会导致集电靴碳滑板烧伤，严重影响靴轨受流质量，同时也缩短端部弯头和集电靴碳滑板的使用寿命，增加设备维护工作量和维护成本。

5 减轻拉弧影响的措施

在集电靴与端部弯头接触或脱离的运动瞬间，接触点有电火花或轻微的电弧现象发生，一般不会带来严重后果。在集电靴安装工艺问题、列车取流量较大时的带负载降靴或出入失电区等情况下，均能够导致强烈的拉弧现象，对靴轨系统带来严重不良后果，该情况是日常运营维护过程中需要避免的。

1）在设计阶段，充分考虑线路条件和列车取流的实际情况，尽可能地避免失电区的存在，尽量缩短集电靴与接触轨的接触空挡区域，合理地减少集电靴碳滑板对其放电距离，确保列车能够连续、平稳地取流，从而延长端部弯头和集电靴碳滑板的使用寿命。

2）定期检测接触轨定位的工作高度，应满足技术要求，每跨距定位点的工作高度相差不宜过大（一般不超过3mm），避免加剧接触轨和集电靴接触力的不均匀，减小集电靴垂向振动幅度。重点关注端部弯头末端定位点的工作高度。

3）恰当选取集电靴与接触轨的接触作用力，维持集电靴良好的跟随性，减少“离线”现象。因此，在集电靴日常维护时，加强集电靴拉簧系统的检查，一方面确保集电靴的升靴高度符合技术要求，另一方面测试其接触压力应满足正常升靴状态。

4）加强集电靴绝缘性能检查，定期测量集电靴绝缘盖板的绝缘电阻，确保主回路电压与转向架之间的绝缘良好。基于车辆下部安装空间限制，集电靴距离转向架较近，其与周围的绝缘距离可能不够，如若没有完备的绝缘措施，在集电靴运动脱离端部弯头瞬间产生严重拉弧的情况下，电弧可能侵入而且烧伤转向架，甚至引起集电靴与转向架之间的拉弧，造成供电保护跳闸，影响列车运营。因此，需对集电靴周围采取必要的绝缘防护。

6 结语

在集电靴与端部弯头接触或脱离的运动瞬间，想要彻底地消除拉弧是不现实的，因此本文着重结合运营现场产生的严重拉弧的现象，指出日常设备维护过程中的关注重点，有效避免产生强烈的拉弧现象，改善靴轨受流质量，从而延长端部弯头和集电靴碳滑板的使用寿命，降低设备维护工作量和维护成本。

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