長沙磁浮快線靴軌電弧原因分析及預(yù)防措施

鄒同友，涂振華，劉婷

（湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著我國改革開放和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，軌道交通行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，中低速磁浮交通線路建設(shè)在國內(nèi)逐漸鋪開，城市軌道交通制式已邁入磁浮時(shí)代。長沙磁浮快線作為國內(nèi)第一條自主研發(fā)的中低速磁浮運(yùn)營線路，在技術(shù)發(fā)展和革新的道路上走在時(shí)代前沿，而接觸軌作為磁浮交通供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其與受電靴的耦合關(guān)系直接影響著列車受流穩(wěn)定性，對(duì)磁浮安全運(yùn)營起到了至關(guān)重要的作用。

靴軌耦合異常直觀表現(xiàn)為靴軌電弧打火，它是由于接觸軌與運(yùn)行過程中受電靴碳滑板的瞬時(shí)分離引起的氣體間隙擊穿放電現(xiàn)象[1]，這種電弧的產(chǎn)生往往只能通過車輛本身位移及氣體自然地流動(dòng)進(jìn)行滅弧，一旦形成的電弧沒有得到及時(shí)消除，將對(duì)設(shè)備造成不同程度的影響?，F(xiàn)以長沙磁浮快線實(shí)際運(yùn)營為例，對(duì)靴軌運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，除磁浮車輛狀態(tài)、冰凍天氣等外界因素會(huì)造成電弧打火外，接觸軌的硬點(diǎn)、軌偏劇烈變化、電分段壓差、端部彎頭和膨脹接頭處過渡不平順等設(shè)備問題，同樣會(huì)造成受電靴離線電弧打火現(xiàn)象。

本文在深入研究了鐵路、地鐵柔性與剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)電弧預(yù)防措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合中速磁浮發(fā)展需要，根據(jù)長沙磁浮快線接觸軌自身特點(diǎn)，針對(duì)性提出了靴軌電弧預(yù)防的措施，達(dá)到延長設(shè)備使用壽命、減少人工維修量和運(yùn)營成本的目的。

1 靴軌電弧的影響

長沙磁浮快線牽引供電制式采用的是在走行梁兩側(cè)絕緣敷設(shè)的DC1500V正極軌授電、負(fù)極軌回流的側(cè)部受流方式，供電軌采用的是鋼鋁復(fù)合C型接觸軌。磁浮列車在運(yùn)行過程中碳滑板和接觸軌在水平方向做線性運(yùn)動(dòng)，而靴軌相對(duì)移動(dòng)的過程中，兩者的接觸位置也在不斷地變化，因此當(dāng)接觸軌受流面出現(xiàn)較大突變時(shí)，受電靴離線產(chǎn)生電弧并追隨磁浮列車運(yùn)行方向不斷地變化，造成接觸軌受流面產(chǎn)生麻點(diǎn)或麻面，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致熔坑或凹面的產(chǎn)生，如圖1所示。

接觸軌受流面如果沒有及時(shí)打磨拋光處理，在該處形成高差和突變，后續(xù)列車碳滑板滑過時(shí)會(huì)因離線產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電弧燒蝕，這種惡性循環(huán)會(huì)進(jìn)一步加快接觸軌和碳滑板的磨損，大大降低靴軌受流質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)將威脅到磁浮列車的安全運(yùn)行。

2 靴軌電弧原因分析

2.1 接觸電阻產(chǎn)生電弧

受電靴碳滑板與接觸軌并非完全耦合接觸，而是在受流面上表征為極少數(shù)的點(diǎn)接觸，鋼鋁復(fù)合接觸軌鋼帶是通過機(jī)械軋制而成，其受流面鋼帶經(jīng)熱軋?zhí)幚砗蠖嗌贂?huì)沿鋼帶軋制方向呈高低起伏的波浪形狀，不論接觸面如何精加工、打磨及靴軌長期相互作用，其微觀上總是體現(xiàn)為少數(shù)導(dǎo)電點(diǎn)實(shí)際發(fā)生真正的接觸， 因此靴軌運(yùn)行過程其實(shí)是受流面與碳滑板平面的線接觸。如圖2所示。

當(dāng)靴軌運(yùn)行過程中接觸壓力失衡，接觸面導(dǎo)電點(diǎn)隨之減少或消失，此時(shí)由接觸軌流向碳滑板的電流在該處發(fā)生急劇收縮，電流流過的路徑增加，有效導(dǎo)電面積減少，形成接觸電阻[2]，當(dāng)電流流經(jīng)接觸電阻，靴軌系統(tǒng)局部接觸點(diǎn)溫度驟升，嚴(yán)重時(shí)溫升可達(dá)碳滑板和接觸軌的熔化點(diǎn)，甚至產(chǎn)生電火花[3]，受流質(zhì)量將嚴(yán)重惡化。

2.2 電分段串電產(chǎn)生電弧

長沙磁浮快線接觸軌系統(tǒng)各供電分區(qū)采用電分段形式進(jìn)行電氣隔離，而為確保受電靴碳滑板的平滑過渡，分段絕緣器主絕緣滑掠面與接觸軌受流面保持在同一水平面，在這種工況下受電靴與嵌線槽型分段絕緣器長期相互作用，容易致使碳滑板碳粉的脫落、分段絕緣碳粉的堆積，使主絕緣產(chǎn)生臟污型貫穿通道，造成絕緣性能下降，產(chǎn)生電弧閃絡(luò)，甚至擊穿，特別是在雨雪潮濕與冰凍天氣情況下，極易發(fā)生分段串電故障。接觸軌相鄰供電分區(qū)主要通過分段絕緣器來實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。如圖3所示。

2.3 接觸軌硬點(diǎn)產(chǎn)生電弧

磁浮列車在運(yùn)行過程中，其受電靴碳滑板同接觸軌接觸面處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，為保證正常取流，靴軌間存在一定的接觸壓力，由于某些原因會(huì)引起靴軌間接觸壓力、相對(duì)位置和速度的突然變化，致使靴軌關(guān)系產(chǎn)生瞬態(tài)變化，這種瞬態(tài)變化達(dá)到一定量化標(biāo)準(zhǔn)，便稱之為硬點(diǎn)[4]。接觸軌硬點(diǎn)形成原因：

（1）長沙磁浮快線接觸軌系統(tǒng)在架設(shè)初期，由于在國內(nèi)磁浮行業(yè)無側(cè)部受流應(yīng)用先例，缺乏嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)及理論體系進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，且無配套工裝設(shè)備適配現(xiàn)場工程質(zhì)量的把控，如接觸軌系統(tǒng)軌偏軌高檢測精度控制、旋轉(zhuǎn)卡頭扭矩檢測、受流面俯仰角測量等，這些因素的累積會(huì)破壞系統(tǒng)的力學(xué)平衡，使得接觸軌在外力作用下發(fā)生形變或扭曲，最終形成硬點(diǎn)。

（2）施工過程中隨意性較大，施工隊(duì)伍素質(zhì)參差不齊，造成接觸軌整體安裝精度不高。受電靴經(jīng)過高差超限的中間接頭、膨脹接頭、端部彎頭、定位支點(diǎn)處時(shí)，靴軌間會(huì)產(chǎn)生明顯的撞擊，加劇接觸軌和受電靴局部機(jī)械磨耗，長期運(yùn)行，會(huì)造成靴軌磨耗異常[5]，影響靴軌受流質(zhì)量甚至引發(fā)靴軌事故。如圖4所示。

3 靴軌電弧整治及防范措施

（1）升級(jí)改造系統(tǒng)設(shè)備。對(duì)接觸軌系統(tǒng)進(jìn)行無縫化處理，通過焊接打磨接觸軌中間接頭、更換平順性及補(bǔ)償效果處理更優(yōu)的無縫膨脹接頭、調(diào)整接觸軌端部彎頭坡度和絕緣支撐定位點(diǎn)安裝精度，消除接觸軌順線路方向的突變，改善靴軌接觸狀態(tài)，防止靴軌接觸電阻突變引起電弧火花的產(chǎn)生。

（2）跟蹤靴軌動(dòng)態(tài)關(guān)系。對(duì)發(fā)現(xiàn)受電靴碳滑板磨耗異常的，一方面及時(shí)查找接觸軌設(shè)備的原因，從源頭治理，另一方面定期對(duì)受電靴進(jìn)行檢查，校調(diào)靴軌接觸壓力至120±24N標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，對(duì)發(fā)現(xiàn)受電靴碳滑板異常磨耗的及時(shí)進(jìn)行打磨或更換，確保良好的靴軌關(guān)系。

（3）優(yōu)化檢修工藝流程。按最新檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)及流程優(yōu)化設(shè)備的檢修，并根據(jù)需要及時(shí)縮短分段的檢修周期，調(diào)整分段絕緣器的絕緣檢測及清洗頻次，校調(diào)其滑掠面與接觸軌過渡處安裝精度在±0.2mm高差范圍內(nèi)，確保其電氣絕緣及機(jī)械性能良好。

（4）及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)缺陷。對(duì)于出入段線相鄰單邊供電分區(qū)之間的電分段，當(dāng)車輛跨分區(qū)通過、負(fù)載變化及供電臂長短差異等都會(huì)引起分段絕緣器兩側(cè)壓差的產(chǎn)生，加上車輛段內(nèi)日常檢修的需要，會(huì)經(jīng)常性地進(jìn)行分區(qū)停電，且磁浮列車受電靴滑過時(shí)會(huì)伴隨拉弧打火現(xiàn)象，長此以往會(huì)造成分段絕緣器絕緣劣化、燒蝕、甚至擊穿，存在安全隱患。按照長沙磁浮快線車輛限速要求，磁浮列車進(jìn)出出入段線速度最高時(shí)速為15km/h，因此建議將該處電氣分段改為機(jī)械分段，通過端部彎頭加電連接方式替代分段絕緣器使用，提高分區(qū)檢修的安全性。

（5）加強(qiáng)硬點(diǎn)預(yù)防處置。在工程介入前期加強(qiáng)現(xiàn)場管理，督促施工單位開展崗前練兵，提高施工隊(duì)伍整體素質(zhì)，做好關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工序的質(zhì)量把控；在工程檢查驗(yàn)收階段把好工程質(zhì)量關(guān)，對(duì)接觸軌俯仰角超限、定位支點(diǎn)安裝精度不達(dá)標(biāo)、旋轉(zhuǎn)卡頭歪斜、各部件螺栓力矩不合格等情況進(jìn)行跟蹤檢查與整改；在運(yùn)營維護(hù)期加強(qiáng)系統(tǒng)平順性的檢查與調(diào)整，利用多形式檢測手段，定期做好軌偏、軌高、磨耗的測量，對(duì)發(fā)現(xiàn)接觸軌系統(tǒng)高差問題，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整處理，對(duì)超限中間接頭進(jìn)行1‰放坡處理，提升受流面的平順性。

4 結(jié)論

靴軌電弧現(xiàn)象產(chǎn)生原因很多也很復(fù)雜，不能一概而論，在實(shí)際運(yùn)行中電弧的產(chǎn)生包含各種原因，如車輛震動(dòng)、靴軌壓力、線路平順性、空氣濕度、供電臂壓差等。為保障磁浮列車運(yùn)行達(dá)到最佳的靴軌耦合狀態(tài)，一是要保證自身設(shè)備安裝精度，其軌偏、軌高及接頭受流面安裝精度須滿足設(shè)計(jì)要求，確保受電靴的平滑取流；二是通過規(guī)范檢修模式和采取科學(xué)檢測手段，及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)，對(duì)發(fā)現(xiàn)靴軌耦合異常情況進(jìn)行及時(shí)跟蹤和整治。