广州地铁5号线列车降靴过程的拉弧分析

黄 驰

广州地铁5号线列车降靴过程的拉弧分析

黄 驰

摘 要：针对广州地铁5号线列车在降靴过程中存在的拉弧现象，通过现场试验、空调负载分析和辅助系统供电分析，给出了拉弧产生的原因，并提出了在辅助供电系统中增加高压检测电路的整改措施，试验表明了整改措施的有效性，对于提高集电靴与接触轨的使用寿命，保障列车安全运营具有重要意义。关键词：地铁列车；集电靴；拉弧；措施

中图分类号：U266.23

黄 驰：广州市地下铁道总公司，工程师，广东广州 510310

0　引言

在采用第三轨供电的城市轨道交通系统中，列车集电靴与接触轨之间由于过断电区、故障大电流等原因会产生电弧。正常情况下，电弧会被快速彻底地分断，但如果集电靴与接触轨之间的绝缘距离较短或绝缘措施不全面则会产生拉弧，电弧侵入接触轨造成集电靴与接触轨的电灼伤。因此，研究地铁列车拉弧现象产生的原因，并针对性提出改进措施，对于保护车载受流设备与接触轨设备，提高集电靴与接触轨使用寿命，保障列车安全运营具有重要意义。

目前，我国学者对列车存在的拉弧原因及预防检测等做了大量研究。例如：以沙湾里隧道接触线拉弧为例，对接触线出现拉弧原因进行了初步的分析和探讨，并提出解决接触线拉弧的措施[1]；通过对弓网燃弧光谱的提取与分析，研制了基于特征紫外光和光子计数技术的弓网燃弧检测系统[2]；分析受流器由于安装工艺问题导致的拉弧故障原因，并给出了相应的整改措施[3]。

本文针对广州地铁5号线列车，通过试车线试验和原理分析给出了降靴过程中存在的拉弧现象成因，并进一步给出了消除拉弧的整改方案，从而消除了降靴过程中由空调系统引起的拉弧现象。

1　拉弧现象

拉弧是由于绝缘击穿，形成放电通道的一种放电现象[4]。当电路电压大于10～20 V，电流不小于80～100 mA时，分合回路便容易产生电弧。交流系统产生交流电弧，电弧可在过零点时熄灭，小于击穿间隙即可恢复绝缘。与交流系统不同，直流系统因不存在交变，电弧不过零点，其自持性更强，因此，直流电弧比交流电弧难以消除。

地铁列车辅助供电系统将直流1 500 V电源逆变为交流380 V电源，为空调与控制系统等负载供电[5]，是正线运营的重要供电设备，是地铁车辆的重要组成部分。广州地铁5号线地铁列车的辅助供电系统采用全车贯通的方式实现供电冗余，以确保在部分集电靴受流器故障情况下列车正常供电。

在集电靴与接触轨的动态接触过程中，其分离操作是一种典型的直流高电压、大电流开关过程。由于列车行进过程中只能通过车辆运动及气流流动进行灭弧，因此，该电弧一旦形成则难以快速消除，从而造成比较严重的后果[6]。

广州地铁5号线列车的集电靴在维保检查中发现存在较多的拉弧烧灼痕迹，从而确定5号线列车的集电靴与接触轨存在拉弧现象，经技术分析初步确定是在降靴过程中辅助供电系统大电流引起，为此，在5号线试车线进行现场试验。

由于空调是辅助供电系统最大的负载，因此，现场试验仅考虑了空调负载。试验过程如下：首先升靴确保列车供电正常，然后启动所有空调机组工作，随后按压空调停止按钮，最后进行列车降靴操作。在试验过程中，多次重复上述升降靴操作，确保能够有效捕捉拉弧现象，避免偶然因素影响。

在试验过程中，发现集电靴与接触轨出现短暂拉弧现象。试验结束后，进行集电靴与接触轨的外观检查，发现接触轨有明显的烧灼痕迹，多个集电靴也存在拉弧造成的灼烧点，同时列车辅助供电系统的电流监测结果显示在降靴过程中存在较大电流，分析认为，辅助供电系统中的大电流应该是造成拉弧现象的主要原因。

2　拉弧原因分析

在试车线列车试验中，空调被作为辅助供电系统的主要负载产生了大电流。为此，对空调负载分析、辅助供电系统进行分析，以确定降靴过程中产生拉弧的主要原因，为下一步的整改方案提供技术基础。

2.1负载分析

根据空调生产厂家技术资料，为保证压缩机保持足够的润滑，避免因缺油损坏压缩机，空调系统1 h内启动次数不能超过8次，每次启动间隔时间不低于3 min，压缩机启动后至少保持运转3 min[7]。在试车线试验过程中，列车降靴后空调仍将在短时间内继续运行，辅助供电系统将输出大电流，从而造成集电靴与接触轨的拉弧现象。

2.2辅助供电系统分析

列车辅助供电系统可分为分开供电和贯通供电2种类型，不同的供电类型对拉弧的产生造成不同的影响。

2.2.1分开供电

分开供电类型的辅助供电系统相互隔离，彼此之间没有线路连接，其供电互不影响，图1给出了广州地铁4号线列车辅助供电系统的原理图[8]，网压检测正常后供电接触器Pancgs1闭合，SIV通高压，当失去高压5 s后，供电接触器将断开。由于采用分开供电型式，因此，降靴时单个集电靴所承受的过载电流较小，电离放电情况轻微，不容易产生电弧。

2.2.2贯通供电

贯通供电类型的辅助供电系统是整车高压贯通的，彼此之间存在直接的线路连接，图2给出了广州地铁5号线列车辅助供电系统的电路图[9]，其中供电接触器KM1得电原理图如图3所示，供电接触器KM1的通断仅与到位继电器PDR相关，降靴时PDR得电，KM1得电导通。

图1　分开供电的广州地铁4号线辅助供电系统原理图

图2　贯通供电的广州地铁5号线辅助供电系统原理图

列车集电靴的降靴过程是一种复杂的机械、电路和气路的协同控制，难以实现整车集电靴的精准同步，因此，整个列车12个集电靴会存在下降先后不一致的情况。在此过程中，集电靴供电接触器KM1保持导通，空调系统压缩机维持在运转状态，最后离开接触轨的集电靴将被迫向整车空调供电，从而造成集电靴大电流，且大电流造成空气电离产生吸力进一步抵消部分集电靴下落的压力，从而导致在集电靴降落过程中出现拉弧现象，对集电靴和接触轨造成灼伤。

图3　KM1得电原理图及整改方案

3　整改方案

广州地铁5号线列车降靴过程中存在拉弧现象是由于采用了贯通供电方式，降靴速度最慢的集电靴为整车空调供电，形成的供电大电流造成集电靴与接触轨之间的拉弧，因此，应从切断空调系统供电，降低集电靴供电负载思路出发进行技术整改。

广州地铁5号线列车辅助供电系统中，集电靴供电接触器KM1仅与到位继电器PDR相关，无法区分降靴过程中负载变化，因此，在整改方案中，在原有的KM1得电单元中增加高压检测单元，通过检测降靴前后辅助供电系统电压的变化率来控制KM1的断开，如图3所示。当电压变化率超过设定值时，利用降靴继电器CCDRR的多余触点直接控制辅助供电系统，强制KM1继电器断开，从而切断大电流回路，实现集电靴与接触轨之间的彻底灭弧。

将技术整改后的列车在5号线试车线重新进行试验，并遵从第1节中的现场试验操作步骤。试验过程中，没有发现集电靴与接触轨之间的电弧，试验结束后，对18只集电靴和接触轨进行外观检查，未发现有烧灼痕迹，从而验证了整改方案的有效性。

4　结论

通过对广州地铁5号线集电靴与接触轨之间产生的拉弧现象进行分析，提出了在辅助供电系统后级电路上增加高压检测电路的整改方案，试验结果表明，整改方案能够有效地消除集电靴与接触轨的拉弧现象，从而保护了车载受流设备和接触轨设备，提高了设备的运行可靠性。

参考文献

[1] 闫站伟．浅析接触线拉弧原因及预防[J]．西铁科技，2007 （1）：25-27．

[2] 代富强．城市轨道交通弓网燃弧检测与分析[J]．现代城市轨道交通，2014（3）：89-92．

[3] 单保强，张会青，张红江，等．地铁车辆受流器拉弧故障分析及对策[J]．机车车辆工艺，2013（2）：38-39．

[4] 丁涛，陈光雄，卜俊，等．载流摩擦磨损中不同放电现象的机理研究[J]．中国铁道科学，2009，30（5）：83-87．

[5] 宁韶安，邓景山．广州地铁1号线列车辅助系统低压电源控制系统国产化[J]．现代城市轨道交通，2009（1）：4-6．

[6] 孙放心．广州地铁四号线直线电机车辆集电靴系统分析[J]．电力机车与城轨车辆，2009，32（1）：46-49．

[7] 广州市地下铁道总公司．广州地铁五号线空调系统维保手册[G]．广东广州，2009．

[8] 广州市地下铁道总公司．广州地铁四号线辅助供电系统维保手册[G]．广东广州，2005．

[9] 广州市地下铁道总公司．广州地铁五号线辅助供电系统维保手册[G]．广东广州，2009．

责任编辑 冒一平

Analysis of Arc in Train Dropping Shoe Process on Guangzhou Metro Line 5

Huang Chi

Abstract:Aiming at the arc phenomenon in the presence of dropping collector shoe process on Guangzhou metro line 5, through fi eld test, air conditioning load analysis and analysis of the auxiliary power supply system, the paper gives the reasons for arc phenomenon. The paper proposes to increase high voltage testing circuits in the auxiliary power supply system. The tests show the effectiveness of the measures and the important signifi cance to improve the service life of collector shoe, contact rail and train safe operation.

Keywords:metro train, collector shoe, arcing, measure

收稿日期2014-09-10