黃 馳

廣州地鐵5號線列車降靴過程的拉弧分析

黃 馳

摘 要：針對廣州地鐵5號線列車在降靴過程中存在的拉弧現(xiàn)象，通過現(xiàn)場試驗、空調(diào)負載分析和輔助系統(tǒng)供電分析，給出了拉弧產(chǎn)生的原因，并提出了在輔助供電系統(tǒng)中增加高壓檢測電路的整改措施，試驗表明了整改措施的有效性，對于提高集電靴與接觸軌的使用壽命，保障列車安全運營具有重要意義。關(guān)鍵詞：地鐵列車；集電靴；拉弧；措施

中圖分類號：U266.23

黃 馳：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州 510310

0　引言

在采用第三軌供電的城市軌道交通系統(tǒng)中，列車集電靴與接觸軌之間由于過斷電區(qū)、故障大電流等原因會產(chǎn)生電弧。正常情況下，電弧會被快速徹底地分斷，但如果集電靴與接觸軌之間的絕緣距離較短或絕緣措施不全面則會產(chǎn)生拉弧，電弧侵入接觸軌造成集電靴與接觸軌的電灼傷。因此，研究地鐵列車拉弧現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并針對性提出改進措施，對于保護車載受流設(shè)備與接觸軌設(shè)備，提高集電靴與接觸軌使用壽命，保障列車安全運營具有重要意義。

目前，我國學(xué)者對列車存在的拉弧原因及預(yù)防檢測等做了大量研究。例如：以沙灣里隧道接觸線拉弧為例，對接觸線出現(xiàn)拉弧原因進行了初步的分析和探討，并提出解決接觸線拉弧的措施[1]；通過對弓網(wǎng)燃弧光譜的提取與分析，研制了基于特征紫外光和光子計數(shù)技術(shù)的弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)[2]；分析受流器由于安裝工藝問題導(dǎo)致的拉弧故障原因，并給出了相應(yīng)的整改措施[3]。

本文針對廣州地鐵5號線列車，通過試車線試驗和原理分析給出了降靴過程中存在的拉弧現(xiàn)象成因，并進一步給出了消除拉弧的整改方案，從而消除了降靴過程中由空調(diào)系統(tǒng)引起的拉弧現(xiàn)象。

1　拉弧現(xiàn)象

拉弧是由于絕緣擊穿，形成放電通道的一種放電現(xiàn)象[4]。當(dāng)電路電壓大于10～20 V，電流不小于80～100 mA時，分合回路便容易產(chǎn)生電弧。交流系統(tǒng)產(chǎn)生交流電弧，電弧可在過零點時熄滅，小于擊穿間隙即可恢復(fù)絕緣。與交流系統(tǒng)不同，直流系統(tǒng)因不存在交變，電弧不過零點，其自持性更強，因此，直流電弧比交流電弧難以消除。

地鐵列車輔助供電系統(tǒng)將直流1 500 V電源逆變?yōu)榻涣?80 V電源，為空調(diào)與控制系統(tǒng)等負載供電[5]，是正線運營的重要供電設(shè)備，是地鐵車輛的重要組成部分。廣州地鐵5號線地鐵列車的輔助供電系統(tǒng)采用全車貫通的方式實現(xiàn)供電冗余，以確保在部分集電靴受流器故障情況下列車正常供電。

在集電靴與接觸軌的動態(tài)接觸過程中，其分離操作是一種典型的直流高電壓、大電流開關(guān)過程。由于列車行進過程中只能通過車輛運動及氣流流動進行滅弧，因此，該電弧一旦形成則難以快速消除，從而造成比較嚴重的后果[6]。

廣州地鐵5號線列車的集電靴在維保檢查中發(fā)現(xiàn)存在較多的拉弧燒灼痕跡，從而確定5號線列車的集電靴與接觸軌存在拉弧現(xiàn)象，經(jīng)技術(shù)分析初步確定是在降靴過程中輔助供電系統(tǒng)大電流引起，為此，在5號線試車線進行現(xiàn)場試驗。

由于空調(diào)是輔助供電系統(tǒng)最大的負載，因此，現(xiàn)場試驗僅考慮了空調(diào)負載。試驗過程如下：首先升靴確保列車供電正常，然后啟動所有空調(diào)機組工作，隨后按壓空調(diào)停止按鈕，最后進行列車降靴操作。在試驗過程中，多次重復(fù)上述升降靴操作，確保能夠有效捕捉拉弧現(xiàn)象，避免偶然因素影響。

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)集電靴與接觸軌出現(xiàn)短暫拉弧現(xiàn)象。試驗結(jié)束后，進行集電靴與接觸軌的外觀檢查，發(fā)現(xiàn)接觸軌有明顯的燒灼痕跡，多個集電靴也存在拉弧造成的灼燒點，同時列車輔助供電系統(tǒng)的電流監(jiān)測結(jié)果顯示在降靴過程中存在較大電流，分析認為，輔助供電系統(tǒng)中的大電流應(yīng)該是造成拉弧現(xiàn)象的主要原因。

2　拉弧原因分析

在試車線列車試驗中，空調(diào)被作為輔助供電系統(tǒng)的主要負載產(chǎn)生了大電流。為此，對空調(diào)負載分析、輔助供電系統(tǒng)進行分析，以確定降靴過程中產(chǎn)生拉弧的主要原因，為下一步的整改方案提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1負載分析

根據(jù)空調(diào)生產(chǎn)廠家技術(shù)資料，為保證壓縮機保持足夠的潤滑，避免因缺油損壞壓縮機，空調(diào)系統(tǒng)1 h內(nèi)啟動次數(shù)不能超過8次，每次啟動間隔時間不低于3 min，壓縮機啟動后至少保持運轉(zhuǎn)3 min[7]。在試車線試驗過程中，列車降靴后空調(diào)仍將在短時間內(nèi)繼續(xù)運行，輔助供電系統(tǒng)將輸出大電流，從而造成集電靴與接觸軌的拉弧現(xiàn)象。

2.2輔助供電系統(tǒng)分析

列車輔助供電系統(tǒng)可分為分開供電和貫通供電2種類型，不同的供電類型對拉弧的產(chǎn)生造成不同的影響。

2.2.1分開供電

分開供電類型的輔助供電系統(tǒng)相互隔離，彼此之間沒有線路連接，其供電互不影響，圖1給出了廣州地鐵4號線列車輔助供電系統(tǒng)的原理圖[8]，網(wǎng)壓檢測正常后供電接觸器Pancgs1閉合，SIV通高壓，當(dāng)失去高壓5 s后，供電接觸器將斷開。由于采用分開供電型式，因此，降靴時單個集電靴所承受的過載電流較小，電離放電情況輕微，不容易產(chǎn)生電弧。

2.2.2貫通供電

貫通供電類型的輔助供電系統(tǒng)是整車高壓貫通的，彼此之間存在直接的線路連接，圖2給出了廣州地鐵5號線列車輔助供電系統(tǒng)的電路圖[9]，其中供電接觸器KM1得電原理圖如圖3所示，供電接觸器KM1的通斷僅與到位繼電器PDR相關(guān)，降靴時PDR得電，KM1得電導(dǎo)通。

圖1　分開供電的廣州地鐵4號線輔助供電系統(tǒng)原理圖

圖2　貫通供電的廣州地鐵5號線輔助供電系統(tǒng)原理圖

列車集電靴的降靴過程是一種復(fù)雜的機械、電路和氣路的協(xié)同控制，難以實現(xiàn)整車集電靴的精準同步，因此，整個列車12個集電靴會存在下降先后不一致的情況。在此過程中，集電靴供電接觸器KM1保持導(dǎo)通，空調(diào)系統(tǒng)壓縮機維持在運轉(zhuǎn)狀態(tài)，最后離開接觸軌的集電靴將被迫向整車空調(diào)供電，從而造成集電靴大電流，且大電流造成空氣電離產(chǎn)生吸力進一步抵消部分集電靴下落的壓力，從而導(dǎo)致在集電靴降落過程中出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，對集電靴和接觸軌造成灼傷。

圖3　KM1得電原理圖及整改方案

3　整改方案

廣州地鐵5號線列車降靴過程中存在拉弧現(xiàn)象是由于采用了貫通供電方式，降靴速度最慢的集電靴為整車空調(diào)供電，形成的供電大電流造成集電靴與接觸軌之間的拉弧，因此，應(yīng)從切斷空調(diào)系統(tǒng)供電，降低集電靴供電負載思路出發(fā)進行技術(shù)整改。

廣州地鐵5號線列車輔助供電系統(tǒng)中，集電靴供電接觸器KM1僅與到位繼電器PDR相關(guān)，無法區(qū)分降靴過程中負載變化，因此，在整改方案中，在原有的KM1得電單元中增加高壓檢測單元，通過檢測降靴前后輔助供電系統(tǒng)電壓的變化率來控制KM1的斷開，如圖3所示。當(dāng)電壓變化率超過設(shè)定值時，利用降靴繼電器CCDRR的多余觸點直接控制輔助供電系統(tǒng)，強制KM1繼電器斷開，從而切斷大電流回路，實現(xiàn)集電靴與接觸軌之間的徹底滅弧。

將技術(shù)整改后的列車在5號線試車線重新進行試驗，并遵從第1節(jié)中的現(xiàn)場試驗操作步驟。試驗過程中，沒有發(fā)現(xiàn)集電靴與接觸軌之間的電弧，試驗結(jié)束后，對18只集電靴和接觸軌進行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)有燒灼痕跡，從而驗證了整改方案的有效性。

4　結(jié)論

通過對廣州地鐵5號線集電靴與接觸軌之間產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象進行分析，提出了在輔助供電系統(tǒng)后級電路上增加高壓檢測電路的整改方案，試驗結(jié)果表明，整改方案能夠有效地消除集電靴與接觸軌的拉弧現(xiàn)象，從而保護了車載受流設(shè)備和接觸軌設(shè)備，提高了設(shè)備的運行可靠性。

參考文獻

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[8] 廣州市地下鐵道總公司．廣州地鐵四號線輔助供電系統(tǒng)維保手冊[G]．廣東廣州，2005．

[9] 廣州市地下鐵道總公司．廣州地鐵五號線輔助供電系統(tǒng)維保手冊[G]．廣東廣州，2009．

責(zé)任編輯 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