列车经过接触轨连续断口区打火拉弧分析

引言

接触轨供电方式因其结构简单、维护方便而被广泛应用。本文针对广州地铁14号线出现的列车经过接触轨断口处时产生打火拉弧的案例进行分析探讨。

广州地铁14号线采用快车、普通车运行模式,快车在进入某站台后,集电靴在离开端部弯头时出现较为强烈的打火拉弧现象,经过观察,打火现象有以下特点:(1)相较于普通车,快车打火现象更加强烈,普通车打火表现为瞬时闪光:(2)打火集电靴为第一单元车A车集电靴:(3)列车速度较快时,打火现象为闪光,持续时间极短,接触轨授流面上留有黄褐色点状放电痕迹:(4)列车速度较慢时,打火现象为拉弧,接触轨授流面上留有深褐色线状放电痕迹。

1列车编组及接触轨布置

1.1列车编组

本文案例中行进车辆为B型车,集电靴分布如图1所示。

列车左右三节车厢分别为一个单元车,单元车内6个集电靴连接至同一母排对两牵引机供电,集电靴工作高度200mm,最大高度276mm。

1.2接触轨端部弯头

接触轨断口端部弯头为1:60坡度7.4m高速端部弯头,末端定位点工作高度292mm,所测断口长度实际为接触轨离靴点与始触点间距离。

2燃弧原因分析

2.1燃弧机理

当开关电器开断电路,电压和电流达到一定值(电路电压大于10V,电流不小于80mA)时,触头刚刚分离后,触头之间就会产生强烈的白光,称为电弧。

集电靴与接触轨的分离与电器开关断开操作是相同的物理过程。靴轨分离后,电弧燃烧过程中,电弧热场、电磁场以及外界环境气流场耦合并相互作用,由于隧道环境复杂,靴轨间打火拉弧现象发生概率与集电靴、列车行走速度、靴轨间接触状态等有较大关系。

2.2失电区所致单元车车电流分断

结合实测接触轨锚段及断口长度,使用等比例列车模型(1:400)对列车进站过程进行模拟,当列车集电靴离开Y03锚时,靴轨位置如图2所示。

当A1靴离开Y03锚时,B1、C1靴已悬空,列车第一单元瞬间失电,A1靴处断开第一单元车所有电流。此时靴轨分离实际是分断大电流的过程,满足燃弧条件。失电区长度约为:(32.58＋19.98)-(21.54+12.23+14.32)=4.47m。即列车行进4.47m后,C1靴接触Y02锚,第一单元重新得电。

3燃弧现象分析

针对案例中列车打火拉弧的特点,读取了多趟列车数据进行对比分析,得到列车经过接触轨断口时电压、电流数据。

3.1靴轨拉弧现象分析

通过读取005/006次列车(拉弧现象)数据可知,A1集电靴离开Y03锚时,列车正处于加速状态,单元车取流约为600A,列车行进速度约为5m/s,车载网压数据下降持续时间约为1000ms,网压下降后电流持续时间约为300ms,设L1为数据异常时间内列车通过的距离,L2为打火拉弧持续时间列车通过的距离,则有:

L1与实测单元失电区长度基本一致,L2与A1靴在Y03锚端部弯头拉弧长度(即离靴点至末端)基本一致。

3.2靴轨无打火现象分析

通过读取031/032次列车(无打火现象)数据可知,A1集电靴离开Y03锚时,列车正处于匀速状态,单元车取流约为40A,列车行进速度约为6.3m/s,车载网压数据下降持续时间约为

800ms,网压下降后无电流持续,则有:

L1与实测单元失电区长度基本一致,网压下降后无持续电流,与无打火现象表现一致。

3.3靴轨打火闪光现象分析

通过读取021/022次列车(打火闪光现象)数据可知,A1集电靴离开Y03锚时,列车正处于制动状态,此时列车向接触轨馈能,电流从列车流向接触轨,故列车经过失电区时,电流下降,电压稍有上升。该过程持续时间约为300ms,列车时速为14.5m/s,则有:

L1与实测单元失电区长度基本一致,由于车速较快,在靴轨分离速度及隧道风等因素影响下,打火现象表现为瞬时闪光。

4结论

由上述案例分析可得:

(1)靴轨分离时出现的打火拉弧现象根本原因为列车单元失电致使单靴分断大电流所造成的:

(2)列车电流变化与列车加速度大小有直接关系,加速度较大时,列车取流、馈流较大,通常达100~700A,A1靴离靴时容易产生打火、拉弧现象:

(3)当列车匀速通过失电区时,单元车取流较小,通常为几十安,A1靴离靴时不易产生打火、拉弧现象:

(4)当列车速度较快时,所产生电弧容易熄灭。

5改善及抑制措施

由燃弧机理可以知道,此类电弧的产生是因"电流分断"所致,故在改善及抑制打火措施上主要从以下两方面入手。

(1)减小分断电流。通过对列车数据进行分析可知,列车加速度越大,取流(馈流)越大,在不改变接触轨布置方式的前提下,可通过控制列车加减速达到减小分断电流的效果。也就是使列车以较高且匀速的状态通过。

(2)避免电流分断。避免电流分断的主要措施是改变接触轨的布置方式,如上述案例中,可通过延长Y04锚长度的方式来实现。