青岛地铁13号线接触轨打火拉弧研究及预防措施研究

董　雪

摘 要：在接触轨供电的轨道交通系统中，列车通过集电靴与接触轨接触摩擦取电，如果集电靴与接触轨端部之间的绝缘距离较短或绝缘措施不全面则会产生拉弧或电火花，电弧、电火花侵入接触轨造成集电靴与接触轨的电灼伤。

本文以青島地铁13号线列车运行过程中的打火拉弧为研究对象，深入分析、探究故障发生背后的深层次原因，并有针对性的提出改进措施，尽最大可能的减少打火拉弧现象以及打火拉弧造成的危害。

关键词：打火拉弧 接触轨 集电靴 轨道交通

中图分类号：U231文献标识码：A文章编号：1003-9082（2020）01-0-01

一、接触轨打火拉弧现象概述

打火拉弧是由于导体之间绝缘被击穿，形成放电通道的一种放电现象。在大气中开断电路时，若开断电流或加在触头上的电压大于生弧电流和生弧电压时，触头间隙会因为被击穿而产生电弧或电火花。在接触轨供电的轨道交通系统中，列车通过集电靴与接触轨端部接触摩擦取电，集电靴与接触轨端部端部弯头脱离的瞬间，其开断电流和间隙电压通常会大于生弧电流和生弧电压，因此不可避免地会产生打火拉弧现象。

同时，由于交流（AC）和直流（DC）供电系统的不同，造成两者系统中所产生的打火拉弧现象会有不同的特性。直流系统中的电流和电压之间没有相互作用，弧度仅为零，其自我可持续性更强。因此，一旦形成电弧，就很难快速消除。持续时间相对较长，所造成的后果比之交流系统更加严重。

青岛地铁采用接触轨直流系统供电。青岛地铁列车在运行过程中，列车在进出车站以及进出车厂时集电靴接触、远离端部弯头是最频繁的开关操作，因此在端部弯头处最容易产生打火拉弧现象，而交叉渡线端部弯头较多，列车经过时集电靴接触、远离操作更为频繁;列车经过无电区时电压过大，也容易产生打火拉弧现象。因此，研究交叉渡线和无电区的打火拉弧现象更有针对性，且更容易发现问题，总结规律。

二、接触轨打火拉弧原因分析

首先分析集电靴脱离端部弯头前后的具体过程。在这个过程中，集电靴和端部弯头之间会经历从完全接触、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。集电靴和端部弯头实际接触面积逐渐减小，接触处的电流密度逐渐增大，导致接触处的金属被强烈加热。在集电靴与端部弯头脱离的瞬间，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上，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。集电靴与端部弯头开始分开时距离很小，两端的电场强度很高，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，便形成了电弧;如若集电靴在远离端部弯头时虽有电连接但达不到电弧生成的条件，便只会形成短时弧光放电的电火花，而无法形成持续时间较长的电弧，这种情况下不会对接触轨造成很大的危害，因此不必展开单独讨论。

通过对打火拉弧的具体分析、查阅资料以及请教相关专业人士并结合青岛地铁13号线的实际案例，总结得到了几个易加剧打火拉弧的因素：

1.集电靴与接触轨无适当接触压力

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对接触轨要有适当的压力。接触压力不应太小，如果太小，会造成离线，产生电火花或电弧。接触压力也不宜过大，如果太大加剧靴轨系统的磨损，降低接触轨的使用寿命。

2.集电靴或端部弯头安装偏差

集电靴理论设计上应与轨面保持平行，否则会产生强烈振动从而引起离线拉弧。但在实际安装中，由于安装精度，操作不当等因素，可能造成部分集电靴存在偏斜、高差等问题。尤其引发集电靴与接触轨实际接触面积减少，加剧打火拉弧的情况

3.列车通过无电区

基于限界要求、接触轨断口的布置、线路条件、集电靴的布置及设计缺陷等因素，在一些道岔区域存在不同程度的无电区，列车运行至该区域时，列车集电靴间的长度小鱼接触轨相邻的锚段距离，这就造成列车部分单元失电，使得靴轨间的接触面积大大减少，从而造成无电区端部弯头处易出现严重的打火拉弧现象。

4.列车速度的影响

当列车在低速运行时，集电靴和接触轨保持良好接触，但随着列车速度的提高，集电靴和接触轨接触压力会随之而发生变化剧烈，至到失去接触而发生离线。

三、接触轨打火拉弧预防措施

针对以上原因，本论文提出几条切实可行的预防措施：

1.在设计中，在容许的条件下，加大集电靴与接触轨的补偿张力，减少“离线”现象。另外，在集电靴日常维护时，还有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。

2.定期检测接触轨定位点的工作高度，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5mm，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。同时，应重点关注端部弯头的各项技术参数应符合要求。

3.优化接触网，调整集电靴与接触轨的接触面积，在设计阶段，充分考虑线路条件和列车取流的实际情况，尽可能地避免无电区的存在，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。

4.提高波动传播速度。在选择接触轨导线是时，可采用一些取抗高温软化性能好、导电率高、质量轻、综合拉断力大的合金导线，从而增加导线的补偿张力，提高波动传播速度，防止列车在高速运行时发生波动，产生离线现象。

5.建立预防机制。充分利用接触轨综合检修和端部弯头检修等作业及时掌握接触轨的实际情况，一旦发现有打火拉弧问题，要及时分析，采取有效措施，把问题消灭在萌芽状态。在日常运营过程中加大对对打火拉弧的排查、监控力度，同时采取多种切实可行的预防措施，尽可能减少打火拉弧的发生以及打火拉弧造成的后果。

结语

在集电靴与端部弯头接触或脱离的运动瞬间，想要彻底地消除打火拉弧是不现实的，本文着重结合运营现场产生的严重打火拉弧的现象，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。

参考文献

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