城市轨道交通接触网打火分析论证及对策

余香山，孔金文，何 斐，裘 成，姜冬梅

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，弓网视频监控、弓网检测系统等技术手段不断推广应用，牵引供电系统中越来越多的问题被暴露出来，其中以接触网打火问题最为严重，且呈逐年上升趋势。接触网打火降低了弓网设备的使用寿命，对弓网检测设备造成了非常大的干扰。近年来行业内研究多为针对弓网理论和高速铁路弓网系统的分析[1～6]，对城市轨道交通刚性接触网、低速、大电流牵引系统的研究较少。本文突破本专业思维限制，对车辆ERME事件记录进行分析，通过客观数据分析接触网打火问题的根本原因，并上线进行测试论证，同时结合运营指标提出相应对策。

1 行业内分析情况

针对接触网打火问题，一般从以下几方面进行分析：

（1）接触网、钢轨平顺性不良以及接触线施工过程中出现硬点，导致弓网跟随性差，离线率较高，甚至出现打弓等情况。通过调整轨道水平、接触线高差，使其控制在细微误差范围内，并通过检查确保接触线上几乎无硬点，且将钢轨打磨光滑，发现打火问题未得到明显改善。

（2）刚性接触网自身弹性不良，与柔性接触网可通过吊弦、定位器以及补偿装置的上下伸缩相比存在明显的劣势，导致弓网之间机械磨损较为严重，长期恶化后出现打火。通过改良绝缘悬挂组件，增加弹性线夹，使刚性接触网弹性更佳，理论上可实现更好的弓网关系，然而实际使用过程中发现效果不佳。

（3）弓网接触压力设置不合理，根据TB/T 3271-2011《轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则》相关规定，对于1.5 kV 直流系统，列车静止时静态接触力为70～110 N，然而实际城市轨道交通弓网静态接触力普遍设置在120 N 左右，导致弓网机械磨损加重，最终影响弓网关系。通过对静态接触力进行调整，将压力值降低进行测试，由于接触力降低后弓网动态接触不够密贴，离线率增高，使得打火问题更为严重。

（4）加速度对于拉弧的产生也有一定影响[10]：a.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）；b.电客车速度越高，急加速频率越高，时间越长，燃弧次数越多；c.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，列车瞬间取流时（即加速度大）产生了较大的网流（即短时温升大），从而易导致拉弧。

本文针对上述第（4）点，对车辆运行中参数设置情况进行深入研究分析并开展测试，找到车辆运行中存在的客观规律，通过在合理范围内对客观规律进行调整，从而改善接触网打火情况。

2 客观数据分析

通过分析弓网监控视频可以发现，打火位置较为固定，主要集中在出站以及区间加速位置，这些位置处的接触线由于长期经受打火产生的电气磨损，造成了不可逆的损伤，任何车辆运行经过这些位置时均可能出现打火。基于此，针对这些固定位置与车辆ERME 事件记录进行匹配，图1—图4 几乎涵盖了所有ATO 模式下车辆运行时的速度、牵引级位及DCU 中间电流（反映受电弓取流大小）波形变化类型，图中画圈处为打火位置。

图1 客观数据分析1

图2 客观数据分析2

图3 客观数据分析3

图4 客观数据分析4

从图中可以发现：

（1）图1—图3 中出站阶段存在2 段加速：第1 段加速当速度小于50 km/h 时，牵引级位一直维持最大，电流持续上升，未出现打火情况；第2段加速当速度超过50 km/h 后，牵引级位、电流瞬间升至最大值并维持一小段时间，打火情况出现。

（2）图1、图2 中显示，除出站加速外，区间运行时也同样存在瞬间大电流牵引的加速情况，该位置同样出现打火。

（3）图4 中未出现第2 段加速，区间运行时最大牵引升至70%左右，未出现打火。

（4）打火情况出现时，受电弓取流达到峰值。

因此，可以得出结论：（1）随着牵引级位、速度的增大，受电弓取流也逐渐增大，造成弓网电气磨损增大；（2）在既有受损的接触线上，当速度、牵引级位同时达到一定条件时，容易出现接触网打火问题。

3 测试论证

为了验证接触网打火与牵引级位、速度之间的关系，在某运营线路上，通过限制ATP 模式下牵引级位的方式进行测试。

从启动开始维持固定牵引级位至最大速度，将牵引级位由最大值开始逐渐降低进行测试，降低过程中打火情况逐渐发生细微改善。

当牵引级位降至30%时，经过打火位置时速度处于40～55 km/h 之间，电流在1 000 A 以内，打火情况较之前有明显改善，打火持续时长明显缩短，火花明显变小，见图5、图6。

图5 测试数据分析1

图6 测试数据分析2

当以30%牵引级位启动维持30 s，再惰行30 s，将经过打火位置时的牵引级位、电流降为零，此时速度处于30～45 km/h 之间，与图5、图6 的相同地点进行对比，打火情况基本消失，见图7、图8。

图7 测试数据分析3

图8 测试数据分析4

4 整改建议及对策

打火情况演变过程：新线开通初期接触线均为全新状态，之后经过长期运行，对于其中部分经受大功率牵引、大电流、高速度的接触线，电气、机械磨损逐渐增大直至出现异常，长此以往，陷入恶性循环造成打火。

通过采取限制牵引级位的方式限制经过打火位置时的速度与电流，可以从根本上消除除接触网设备本身异常外的几乎所有接触网打火问题。然而考虑到运营指标，牵引级位无法降低至测试值，因此打火情况无法避免，因此在牵引级位、运营指标两者之间需找到一个平衡点，在确保运营指标基本不受影响的情况下尽量平缓增大牵引级位并避免出现大电流牵引，进而延长弓网设备使用寿命。同时考虑到站台位置接触网磨耗情况同样较为严重，因此建议车辆在运行过程中的任何时间段内牵引级位均不超过70%。

同时，在日常维修作业过程中，做好接触网、轨道参数的调整工作，保持接触网、轨道的平顺性，可以在一定程度上改善打火情况；当弓网、轮轨磨损较大影响其平顺性时，除需做好调整工作以外，还需做好受电弓滑板、接触线及车轮、轨道的打磨工作，确保弓网、轮轨间平滑过渡。

正常情况下发生的打火、拉弧现象轻微且很短暂，对弓网系统的实时运行影响较小[10]，而对于不仅火花大而且持续时间长的接触网打火，为非正常情况，这与刚性接触网自身特性密切相关，特别是出站加速位置，可以考虑针对出站位置的特殊性对接触网进行差异化设计。随着弓网检测系统技术的不断发展，可以了解到更多关于弓网之间的动态特性，再通过新技术新产品研制对弓网设备进行改良，寻找进一步改善弓网关系的方法。

5 结语

接触网打火问题一直是城市轨道交通供电系统的难题，本文为解决接触网打火问题从车辆运行中存在的客观规律找到了新的解决思路和方法，并对采用降低牵引级位（加速度）的方式进行了测试，打火问题得到改善，对城市轨道交通供电、信号系统设计及运营管理具有一定的借鉴意义。