城市轨道交通接触网打火拉弧原因及影响分析

吴 畏, 马俊杰, 兰志坤, 王秀红

（成都地铁运营有限公司，四川成都 610051）

0 引言

随着近年来城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通牵引供电质量越来越受到关注。在运营管理过程中，常常出现接触网打火拉弧现象，行业内也进行了一些研究，多为针对弓网理论和高速铁路弓网系统的分析[1-8]，缺乏对城市轨道交通中低速、大电流牵引系统的弓网打火拉弧现象的专门研究。本文主要归纳分析了弓网滑动电接触特性，结合地铁的运营测试和实践，分析总结了接触网打火拉弧的原因和影响，作为研究地铁接触网打火拉弧现象的参考。

1 弓网系统滑动电接触特性分析

1.1 弓网系统的电接触方式

接触网与受电弓的电接触方式分 3 类：固定接触、滑动接触、可分合接触。列车静止取流时，弓网系统表现为固定电接触。文献[2]的研究表明，接触电阻随着接触压力的增加单调递减，在接触压力相同的情况下，接触电阻随着牵引电流的增加而减小。

1.2 接触压力与接触电阻的关系

弓网系统的接触压力对接触电阻虽然有重要影响，但接触电阻与导电斑点数目不是线性关系，接触压力减小到一定值后，接触电阻明显上升，但在一定接触压力范围内，只靠加大接触压力并不一定使接触电阻显著减小[3]。文献[2]关于弓网静态接触电阻的研究表明，随着接触压力的增加接触电阻减小，当接触压力大于 70  N后，接触电阻及消耗的功率随接触压力的变化不明显，故运行时较理想的初始接触压力为 70  N，且弓网接触压力存在 1 个最优值。

1.3 电流变化与接触电阻的关系

文献[4]研究电流变化和接触电阻之间的关系，当列车运行时，随着电流的增加，接触电阻近似线性变化地增大，电流对碳滑板的温升影响随着时间的延长而加大。由于电流的增大，加剧了接触斑点的电弧烧蚀，且磨损过程中，滑板温度的升高使接触面的磨粒黏着增强，实际的接触点减少，接触电阻增大；同时由于碳滑板内碳润滑剂的存在，在接触表面形成一种膜，导致接触电阻缓慢上升。

1.4 电流、速度变化与接触电阻的关系

文献[2]研究了接触电阻随列车速度变化的规律，存在先增大后减小再增大的过程，滑动接触电阻存在 1 个极小值，该极小值与动车速度、电流、接触压力有关。列车运行速度越高，接触电阻的极小值越大；而电流越大，接触电阻的极小值则越小。这说明在弓网运行过程中存在 1 个接触电阻的最优值，此时可能为弓网系统的最优接触状态。

1.5 弓网系统的电接触特性小结

弓网系统具有滑动电接触的特点，多个因素之间的影响关系较为复杂。当列车正常静止取流时，弓网系统处于一个良好的状态；当列车运行时，接触电阻存在 1 个最优值，即当速度较低且加速度小、电流大时，弓网滑动电接触性能最佳。

2 接触网打火拉弧的原因

在大气中开断电路时，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、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体[5]。受电弓与接触线从分离到接触或从接触到分离时，如果能满足一定的条件，滑板与接触线之间便会产生电火花、电弧等放电现象。

列车在实际运行过程中，不可能一直在滑动电接触性能的最佳条件运行，故接触网打火、拉弧现象必然产生。受电弓与接触网滑动电接触的分离程度，即接触电阻的大小不同，将产生打火和拉弧 2 种能量不同的电弧放电过程。

2.1 打火花的原因

由于短时间内受电弓与接触线之间电流加大，摩擦热效应和电流热效应使接触斑点软化、融化甚至汽化[3]，接触斑点表面发生热电离，形成电火花。如果导电斑点间隙电压较小，则电火花处于非自持放电阶段[5]，放电将很短暂并会停止。

2.2 拉弧的原因

从电气学的理论分析，在滑动电接触过程中离线导致电压突升或金属汽化都将引起拉弧。当受电弓滑板与接触线之间因各种原因导致滑板与接触网设备整体或部分分离而发生离线时，滑板和接触线之间的电压便会突升，出现一个很大的电压[6-7]，此时碳滑板和接触网的间隙将可能发生电场电离[5]放电。另外一种情况是弓网离线时牵引电流通过接触电阻引起的热能集中在最后分离的导电斑点上, 使其温度迅速上升到接触材料的熔点而汽化，在滑板和接触线之间发生热电离[5]放电。这 2 种情况下因为间隙电压较高将处于自持放电阶段，导致气隙击穿并转为弧光放电产生大量电弧。

从列车实际运行工况中宏观条件来看，加速度对于拉弧的产生也有一定的影响。根据成都地铁 2号线弓网受流性能试验[8]可知：①当列车加速度突然增大时，列车取流增大，出现燃弧的现象增多（即电客车急剧加速时，牵引电流也同时增大）；②电客车速度越高，急加速频率和时间越长，燃弧次数越多；③加速度越大，短时牵引电流上升越快，燃弧的程度也越剧烈。结合电气学理论不难看出，正是列车瞬间取流（即加速度大）时，产生了较大的网流（即短时温升大）而导致了拉弧。

3 接触网打火拉弧的影响

3.1 打火花的影响

由于接触网打火花的能量较弱，一般对弓网系统没有影响。例如，当列车静止，受电弓升降弓时，碳滑板与接触线接触或脱离接触瞬间，其开断电流不大，接触点有电火花现象发生，但一般不会带来严重后果。

3.2 拉弧的影响

根据列车的运行状态，可以分几种情况来分析拉弧的影响。

（1）对于高速列车，文献[9]研究表明：当列车高速取流时，电弧能维持弓网系统电流的持续性，弓网相对运动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化，尽管电弧温度很高，但电弧与弓网一起快速移动或在很短的时间内熄灭，其热流对弓网系统的侵蚀有限，对弓网系统的影响也有限。

（2）对于中低速地铁弓网系统（一般电客车的运行速度在 120  km/h 以下，市域快轨 160  km/h 以下）而言，文献[10]的研究表明速度与弓网受流质量相矛盾：受流效率随着速度的增加逐渐降低，但同时运行速度越慢，弓网磨损量越大，当运行速度增加时，磨损量减小。根据实际运行情况反馈，刚性接触网的打火拉弧和异常磨耗现象大部分集中在出站和上坡加速区，这个结果对地铁而言尤为符合。虽然一般的拉弧不影响弓网实时运行，但是会造成接触网的局部磨耗加剧，故为减小拉弧的影响，应考虑将控制电客车加速度纳入地铁电客车运行条件中。

（3）根据现场实际观察，当列车以较大取流运行时，不管列车是高速还是低速行驶，受电弓穿越不同供电分区，尤其是有单边供电情况或由带电区进入无电区时，均能导致强烈的电弧现象，给弓网系统带来严重的不良后果。因此，应尽量避免该种情况的发生。

4 结论及建议

从弓网打火拉弧的现象和本质来分析，接触网打火、拉弧是受电弓与接触线电接触的一种固有现象。通过对接触网受电弓系统滑动电接触的特性研究和现场测试可知，当列车取流较大，尤其是加速取流时，发生拉弧的几率较大。正常情况下的打火、拉弧现象轻微且很短暂，对弓网系统的实时运行影响较小，但会增大磨耗。须注意非正常运行情况下列车升降弓或由带电区进入无电区等情况，特别要注意直流牵引供电系统单边供电时，列车穿越不同供电区段时，较大电压差引起拉弧加剧导致的弧光短路。

减轻地铁打火现象，改善地铁弓网关系，一方面要做好受电弓、接触网的检测、检调，满足相互之间滑动的平顺性和跟随性，减少离线率；另一方面要做好列车在较大牵引电流时降弓和穿越电分段的技术和管理措施；尤其要注意急加速引起的打火现象。最终减轻弓网磨耗，应从系统入手，将弓网关系作为一个整体，研究满足受流质量情况下合理的电客车运行速度、弓网接触压力值及对列车启动速度和加速度的控制，掌握其成因及规律，不断研究改善弓网关系的新措施，为城市轨道交通弓网系统统一设计及运营管理提供参考依据。