长沙磁浮快线靴轨电弧原因分析及预防措施

邹同友，涂振华，刘婷

（湖南磁浮交通发展股份有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着我国改革开放和现代化进程的加快，轨道交通行业得到了蓬勃发展，中低速磁浮交通线路建设在国内逐渐铺开，城市轨道交通制式已迈入磁浮时代。长沙磁浮快线作为国内第一条自主研发的中低速磁浮运营线路，在技术发展和革新的道路上走在时代前沿，而接触轨作为磁浮交通供电系统的重要设备，其与受电靴的耦合关系直接影响着列车受流稳定性，对磁浮安全运营起到了至关重要的作用。

靴轨耦合异常直观表现为靴轨电弧打火，它是由于接触轨与运行过程中受电靴碳滑板的瞬时分离引起的气体间隙击穿放电现象[1]，这种电弧的产生往往只能通过车辆本身位移及气体自然地流动进行灭弧，一旦形成的电弧没有得到及时消除，将对设备造成不同程度的影响。现以长沙磁浮快线实际运营为例，对靴轨运行状态进行分析，除磁浮车辆状态、冰冻天气等外界因素会造成电弧打火外，接触轨的硬点、轨偏剧烈变化、电分段压差、端部弯头和膨胀接头处过渡不平顺等设备问题，同样会造成受电靴离线电弧打火现象。

本文在深入研究了铁路、地铁柔性与刚性接触网弓网电弧预防措施的基础上，结合中速磁浮发展需要，根据长沙磁浮快线接触轨自身特点，针对性提出了靴轨电弧预防的措施，达到延长设备使用寿命、减少人工维修量和运营成本的目的。

1 靴轨电弧的影响

长沙磁浮快线牵引供电制式采用的是在走行梁两侧绝缘敷设的DC1500V正极轨授电、负极轨回流的侧部受流方式，供电轨采用的是钢铝复合C型接触轨。磁浮列车在运行过程中碳滑板和接触轨在水平方向做线性运动，而靴轨相对移动的过程中，两者的接触位置也在不断地变化，因此当接触轨受流面出现较大突变时，受电靴离线产生电弧并追随磁浮列车运行方向不断地变化，造成接触轨受流面产生麻点或麻面，严重时导致熔坑或凹面的产生，如图1所示。

接触轨受流面如果没有及时打磨抛光处理，在该处形成高差和突变，后续列车碳滑板滑过时会因离线产生更为严重的电弧烧蚀，这种恶性循环会进一步加快接触轨和碳滑板的磨损，大大降低靴轨受流质量，严重时将威胁到磁浮列车的安全运行。

2 靴轨电弧原因分析

2.1 接触电阻产生电弧

受电靴碳滑板与接触轨并非完全耦合接触，而是在受流面上表征为极少数的点接触，钢铝复合接触轨钢带是通过机械轧制而成，其受流面钢带经热轧处理后多少会沿钢带轧制方向呈高低起伏的波浪形状，不论接触面如何精加工、打磨及靴轨长期相互作用，其微观上总是体现为少数导电点实际发生真正的接触， 因此靴轨运行过程其实是受流面与碳滑板平面的线接触。如图2所示。

当靴轨运行过程中接触压力失衡，接触面导电点随之减少或消失，此时由接触轨流向碳滑板的电流在该处发生急剧收缩，电流流过的路径增加，有效导电面积减少，形成接触电阻[2]，当电流流经接触电阻，靴轨系统局部接触点温度骤升，严重时温升可达碳滑板和接触轨的熔化点，甚至产生电火花[3]，受流质量将严重恶化。

2.2 电分段串电产生电弧

长沙磁浮快线接触轨系统各供电分区采用电分段形式进行电气隔离，而为确保受电靴碳滑板的平滑过渡，分段绝缘器主绝缘滑掠面与接触轨受流面保持在同一水平面，在这种工况下受电靴与嵌线槽型分段绝缘器长期相互作用，容易致使碳滑板碳粉的脱落、分段绝缘碳粉的堆积，使主绝缘产生脏污型贯穿通道，造成绝缘性能下降，产生电弧闪络，甚至击穿，特别是在雨雪潮湿与冰冻天气情况下，极易发生分段串电故障。接触轨相邻供电分区主要通过分段绝缘器来实现电气绝缘。如图3所示。

2.3 接触轨硬点产生电弧

磁浮列车在运行过程中，其受电靴碳滑板同接触轨接触面处于滑动摩擦状态，为保证正常取流，靴轨间存在一定的接触压力，由于某些原因会引起靴轨间接触压力、相对位置和速度的突然变化，致使靴轨关系产生瞬态变化，这种瞬态变化达到一定量化标准，便称之为硬点[4]。接触轨硬点形成原因：

（1）长沙磁浮快线接触轨系统在架设初期，由于在国内磁浮行业无侧部受流应用先例，缺乏严苛的标准及理论体系进行科学指导，且无配套工装设备适配现场工程质量的把控，如接触轨系统轨偏轨高检测精度控制、旋转卡头扭矩检测、受流面俯仰角测量等，这些因素的累积会破坏系统的力学平衡，使得接触轨在外力作用下发生形变或扭曲，最终形成硬点。

（2）施工过程中随意性较大，施工队伍素质参差不齐，造成接触轨整体安装精度不高。受电靴经过高差超限的中间接头、膨胀接头、端部弯头、定位支点处时，靴轨间会产生明显的撞击，加剧接触轨和受电靴局部机械磨耗，长期运行，会造成靴轨磨耗异常[5]，影响靴轨受流质量甚至引发靴轨事故。如图4所示。

3 靴轨电弧整治及防范措施

（1）升级改造系统设备。对接触轨系统进行无缝化处理，通过焊接打磨接触轨中间接头、更换平顺性及补偿效果处理更优的无缝膨胀接头、调整接触轨端部弯头坡度和绝缘支撑定位点安装精度，消除接触轨顺线路方向的突变，改善靴轨接触状态，防止靴轨接触电阻突变引起电弧火花的产生。

（2）跟踪靴轨动态关系。对发现受电靴碳滑板磨耗异常的，一方面及时查找接触轨设备的原因，从源头治理，另一方面定期对受电靴进行检查，校调靴轨接触压力至120±24N标准值范围内，对发现受电靴碳滑板异常磨耗的及时进行打磨或更换，确保良好的靴轨关系。

（3）优化检修工艺流程。按最新检修工艺标准及流程优化设备的检修，并根据需要及时缩短分段的检修周期，调整分段绝缘器的绝缘检测及清洗频次，校调其滑掠面与接触轨过渡处安装精度在±0.2mm高差范围内，确保其电气绝缘及机械性能良好。

（4）及时调整设计缺陷。对于出入段线相邻单边供电分区之间的电分段，当车辆跨分区通过、负载变化及供电臂长短差异等都会引起分段绝缘器两侧压差的产生，加上车辆段内日常检修的需要，会经常性地进行分区停电，且磁浮列车受电靴滑过时会伴随拉弧打火现象，长此以往会造成分段绝缘器绝缘劣化、烧蚀、甚至击穿，存在安全隐患。按照长沙磁浮快线车辆限速要求，磁浮列车进出出入段线速度最高时速为15km/h，因此建议将该处电气分段改为机械分段，通过端部弯头加电连接方式替代分段绝缘器使用，提高分区检修的安全性。

（5）加强硬点预防处置。在工程介入前期加强现场管理，督促施工单位开展岗前练兵，提高施工队伍整体素质，做好关键环节和工序的质量把控；在工程检查验收阶段把好工程质量关，对接触轨俯仰角超限、定位支点安装精度不达标、旋转卡头歪斜、各部件螺栓力矩不合格等情况进行跟踪检查与整改；在运营维护期加强系统平顺性的检查与调整，利用多形式检测手段，定期做好轨偏、轨高、磨耗的测量，对发现接触轨系统高差问题，及时进行调整处理，对超限中间接头进行1‰放坡处理，提升受流面的平顺性。

4 结论

靴轨电弧现象产生原因很多也很复杂，不能一概而论，在实际运行中电弧的产生包含各种原因，如车辆震动、靴轨压力、线路平顺性、空气湿度、供电臂压差等。为保障磁浮列车运行达到最佳的靴轨耦合状态，一是要保证自身设备安装精度，其轨偏、轨高及接头受流面安装精度须满足设计要求，确保受电靴的平滑取流；二是通过规范检修模式和采取科学检测手段，及时掌握设备状态，对发现靴轨耦合异常情况进行及时跟踪和整治。