余香山,孔金文,何 斐,裘 成,姜冬梅
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,弓網(wǎng)視頻監(jiān)控、弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)等技術(shù)手段不斷推廣應(yīng)用,牽引供電系統(tǒng)中越來越多的問題被暴露出來,其中以接觸網(wǎng)打火問題最為嚴(yán)重,且呈逐年上升趨勢(shì)。接觸網(wǎng)打火降低了弓網(wǎng)設(shè)備的使用壽命,對(duì)弓網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備造成了非常大的干擾。近年來行業(yè)內(nèi)研究多為針對(duì)弓網(wǎng)理論和高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的分析[1~6],對(duì)城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)、低速、大電流牽引系統(tǒng)的研究較少。本文突破本專業(yè)思維限制,對(duì)車輛ERME事件記錄進(jìn)行分析,通過客觀數(shù)據(jù)分析接觸網(wǎng)打火問題的根本原因,并上線進(jìn)行測(cè)試論證,同時(shí)結(jié)合運(yùn)營指標(biāo)提出相應(yīng)對(duì)策。
針對(duì)接觸網(wǎng)打火問題,一般從以下幾方面進(jìn)行分析:
(1)接觸網(wǎng)、鋼軌平順性不良以及接觸線施工過程中出現(xiàn)硬點(diǎn),導(dǎo)致弓網(wǎng)跟隨性差,離線率較高,甚至出現(xiàn)打弓等情況。通過調(diào)整軌道水平、接觸線高差,使其控制在細(xì)微誤差范圍內(nèi),并通過檢查確保接觸線上幾乎無硬點(diǎn),且將鋼軌打磨光滑,發(fā)現(xiàn)打火問題未得到明顯改善。
(2)剛性接觸網(wǎng)自身彈性不良,與柔性接觸網(wǎng)可通過吊弦、定位器以及補(bǔ)償裝置的上下伸縮相比存在明顯的劣勢(shì),導(dǎo)致弓網(wǎng)之間機(jī)械磨損較為嚴(yán)重,長期惡化后出現(xiàn)打火。通過改良絕緣懸掛組件,增加彈性線夾,使剛性接觸網(wǎng)彈性更佳,理論上可實(shí)現(xiàn)更好的弓網(wǎng)關(guān)系,然而實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)效果不佳。
(3)弓網(wǎng)接觸壓力設(shè)置不合理,根據(jù)TB/T 3271-2011《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》相關(guān)規(guī)定,對(duì)于1.5 kV 直流系統(tǒng),列車靜止時(shí)靜態(tài)接觸力為70~110 N,然而實(shí)際城市軌道交通弓網(wǎng)靜態(tài)接觸力普遍設(shè)置在120 N 左右,導(dǎo)致弓網(wǎng)機(jī)械磨損加重,最終影響弓網(wǎng)關(guān)系。通過對(duì)靜態(tài)接觸力進(jìn)行調(diào)整,將壓力值降低進(jìn)行測(cè)試,由于接觸力降低后弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸不夠密貼,離線率增高,使得打火問題更為嚴(yán)重。
(4)加速度對(duì)于拉弧的產(chǎn)生也有一定影響[10]:a.當(dāng)列車加速度突然增大時(shí),列車取流增大,出現(xiàn)燃弧的現(xiàn)象增多(即電客車急劇加速時(shí),牽引電流也同時(shí)增大);b.電客車速度越高,急加速頻率越高,時(shí)間越長,燃弧次數(shù)越多;c.加速度越大,短時(shí)牽引電流上升越快,燃弧的程度也越劇烈。結(jié)合電氣學(xué)理論不難看出,列車瞬間取流時(shí)(即加速度大)產(chǎn)生了較大的網(wǎng)流(即短時(shí)溫升大),從而易導(dǎo)致拉弧。
本文針對(duì)上述第(4)點(diǎn),對(duì)車輛運(yùn)行中參數(shù)設(shè)置情況進(jìn)行深入研究分析并開展測(cè)試,找到車輛運(yùn)行中存在的客觀規(guī)律,通過在合理范圍內(nèi)對(duì)客觀規(guī)律進(jìn)行調(diào)整,從而改善接觸網(wǎng)打火情況。
通過分析弓網(wǎng)監(jiān)控視頻可以發(fā)現(xiàn),打火位置較為固定,主要集中在出站以及區(qū)間加速位置,這些位置處的接觸線由于長期經(jīng)受打火產(chǎn)生的電氣磨損,造成了不可逆的損傷,任何車輛運(yùn)行經(jīng)過這些位置時(shí)均可能出現(xiàn)打火?;诖耍槍?duì)這些固定位置與車輛ERME 事件記錄進(jìn)行匹配,圖1—圖4 幾乎涵蓋了所有ATO 模式下車輛運(yùn)行時(shí)的速度、牽引級(jí)位及DCU 中間電流(反映受電弓取流大?。┎ㄐ巫兓愋?,圖中畫圈處為打火位置。
圖1 客觀數(shù)據(jù)分析1
圖2 客觀數(shù)據(jù)分析2
圖3 客觀數(shù)據(jù)分析3
圖4 客觀數(shù)據(jù)分析4
從圖中可以發(fā)現(xiàn):
(1)圖1—圖3 中出站階段存在2 段加速:第1 段加速當(dāng)速度小于50 km/h 時(shí),牽引級(jí)位一直維持最大,電流持續(xù)上升,未出現(xiàn)打火情況;第2段加速當(dāng)速度超過50 km/h 后,牽引級(jí)位、電流瞬間升至最大值并維持一小段時(shí)間,打火情況出現(xiàn)。
(2)圖1、圖2 中顯示,除出站加速外,區(qū)間運(yùn)行時(shí)也同樣存在瞬間大電流牽引的加速情況,該位置同樣出現(xiàn)打火。
(3)圖4 中未出現(xiàn)第2 段加速,區(qū)間運(yùn)行時(shí)最大牽引升至70%左右,未出現(xiàn)打火。
(4)打火情況出現(xiàn)時(shí),受電弓取流達(dá)到峰值。
因此,可以得出結(jié)論:(1)隨著牽引級(jí)位、速度的增大,受電弓取流也逐漸增大,造成弓網(wǎng)電氣磨損增大;(2)在既有受損的接觸線上,當(dāng)速度、牽引級(jí)位同時(shí)達(dá)到一定條件時(shí),容易出現(xiàn)接觸網(wǎng)打火問題。
為了驗(yàn)證接觸網(wǎng)打火與牽引級(jí)位、速度之間的關(guān)系,在某運(yùn)營線路上,通過限制ATP 模式下牽引級(jí)位的方式進(jìn)行測(cè)試。
從啟動(dòng)開始維持固定牽引級(jí)位至最大速度,將牽引級(jí)位由最大值開始逐漸降低進(jìn)行測(cè)試,降低過程中打火情況逐漸發(fā)生細(xì)微改善。
當(dāng)牽引級(jí)位降至30%時(shí),經(jīng)過打火位置時(shí)速度處于40~55 km/h 之間,電流在1 000 A 以內(nèi),打火情況較之前有明顯改善,打火持續(xù)時(shí)長明顯縮短,火花明顯變小,見圖5、圖6。
圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)分析1
圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)分析2
當(dāng)以30%牽引級(jí)位啟動(dòng)維持30 s,再惰行30 s,將經(jīng)過打火位置時(shí)的牽引級(jí)位、電流降為零,此時(shí)速度處于30~45 km/h 之間,與圖5、圖6 的相同地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,打火情況基本消失,見圖7、圖8。
圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)分析3
圖8 測(cè)試數(shù)據(jù)分析4
打火情況演變過程:新線開通初期接觸線均為全新狀態(tài),之后經(jīng)過長期運(yùn)行,對(duì)于其中部分經(jīng)受大功率牽引、大電流、高速度的接觸線,電氣、機(jī)械磨損逐漸增大直至出現(xiàn)異常,長此以往,陷入惡性循環(huán)造成打火。
通過采取限制牽引級(jí)位的方式限制經(jīng)過打火位置時(shí)的速度與電流,可以從根本上消除除接觸網(wǎng)設(shè)備本身異常外的幾乎所有接觸網(wǎng)打火問題。然而考慮到運(yùn)營指標(biāo),牽引級(jí)位無法降低至測(cè)試值,因此打火情況無法避免,因此在牽引級(jí)位、運(yùn)營指標(biāo)兩者之間需找到一個(gè)平衡點(diǎn),在確保運(yùn)營指標(biāo)基本不受影響的情況下盡量平緩增大牽引級(jí)位并避免出現(xiàn)大電流牽引,進(jìn)而延長弓網(wǎng)設(shè)備使用壽命。同時(shí)考慮到站臺(tái)位置接觸網(wǎng)磨耗情況同樣較為嚴(yán)重,因此建議車輛在運(yùn)行過程中的任何時(shí)間段內(nèi)牽引級(jí)位均不超過70%。
同時(shí),在日常維修作業(yè)過程中,做好接觸網(wǎng)、軌道參數(shù)的調(diào)整工作,保持接觸網(wǎng)、軌道的平順性,可以在一定程度上改善打火情況;當(dāng)弓網(wǎng)、輪軌磨損較大影響其平順性時(shí),除需做好調(diào)整工作以外,還需做好受電弓滑板、接觸線及車輪、軌道的打磨工作,確保弓網(wǎng)、輪軌間平滑過渡。
正常情況下發(fā)生的打火、拉弧現(xiàn)象輕微且很短暫,對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行影響較小[10],而對(duì)于不僅火花大而且持續(xù)時(shí)間長的接觸網(wǎng)打火,為非正常情況,這與剛性接觸網(wǎng)自身特性密切相關(guān),特別是出站加速位置,可以考慮針對(duì)出站位置的特殊性對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。隨著弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展,可以了解到更多關(guān)于弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)特性,再通過新技術(shù)新產(chǎn)品研制對(duì)弓網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行改良,尋找進(jìn)一步改善弓網(wǎng)關(guān)系的方法。
接觸網(wǎng)打火問題一直是城市軌道交通供電系統(tǒng)的難題,本文為解決接觸網(wǎng)打火問題從車輛運(yùn)行中存在的客觀規(guī)律找到了新的解決思路和方法,并對(duì)采用降低牽引級(jí)位(加速度)的方式進(jìn)行了測(cè)試,打火問題得到改善,對(duì)城市軌道交通供電、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)營管理具有一定的借鑒意義。