接触轨与集电靴间的故障分析

接触轨与集电靴间的故障分析

在6号线的调试过程中，广州地铁6号线出现了电鞋燃烧痕迹。背景如下。(1)2012年12月3日,接管浔峰岗站至坦尾站(不含坦尾站)四站五区间,并展开设备整治;(2)2012年12月8日,开始使用L型车列车在已接管区段进行车辆、信号调试作业;(3)2013年1月16日,列车在浔峰岗站渡线部分进行调试时出现失电现象;(4)2013年1月20日,通过设计计算及实际测试的方式,各部门合作测量划定了浔峰岗渡线部分无电区,并对其进行了标示,要求司机确认区域采取措施通过;(5)2013年2月7日,车辆部门反映近期集电靴出现了较多疑似因拉弧打火造成的烧伤痕迹。1现场条件图1、图2为烧伤的集电靴图片。以上是比较严重的地方;笔者现场查看时也发现了一些,如图3、图4所示。2原因分析2.1接触轨、国通过图5可知集电靴的活动情况,因接触轨轨面在标准导高为200±5mm,平行于钢轨面,集电靴磨损在中间位置,若要摩损集电靴靠线路外侧部分,需集电靴抬升了一定高度后靴面倾斜以一定角度与接触轨轨面接触才可能出现的(集电靴抬高在200~260mm之间)。接触轨一般定位点在标准导高情况下是磨损不到集电靴外侧,线路上接触轨只有进出端部弯头处符合相关条件。集电靴调整到位,首尾不存在高差的情况下,磨损痕迹如图6所示。调整至标准的集电靴磨损痕迹相对是对称的,集电靴外侧部分是因为进入端部弯头从抬高260mm回到200mm时的痕迹。接触形式如图7所示,通过端部弯头时集电靴仅有外侧的一小块接触到接触轨。位于集电靴外侧的三角区域是集电靴与端部弯头的“专属”磨损区域,如图8的圆圈内。烧伤点在集电靴的外侧前端(尾端),见图3及图4,可判断打火点应该是在端部弯头处。在集电靴中部的烧伤点判断在普通定位处,见图1及图2,烧伤痕迹比较大且聚集,排除滑动中的烧伤,在车辆静止时烧伤的可能性较大。2.1.1接触轨的烧蚀端部弯头处因集电靴(水平)与端部弯头(坡度较大)的接触时存在一定角度,无法保证足够的接触面积。持续取流会使取流点产生大量热量,高温将使接触轨与集电靴出现不同程度的烧伤。滑动接触中,集电靴始终是一点滑动接触,接触轨位置一直变换,故一般集电靴烧伤程度要比接触轨严重。在初始接触和离开时产生电的弧对接触轨、集电靴也有烧蚀。存在拉弧打火时,接触轨钢带会出现电蚀点,接触部分会出现程度不一烧伤痕迹。检查发现确实有几处烧伤是在端部弯头处。2.1.2设备治理方面普通定位点均按照导高200mm,拉出值1510mm标准进行调整,偏差均不超过±5mm。两相邻定位间的高差不超过3mm,确保在波动范围内能够以较小坡度平缓地过渡,保证集电靴对接触轨有良好的跟随性,不会在高速情况下出现离线现象。实际上已接管区段已进行了多次设备整治,导高拉出值从验收前检查至验收期间均进行过复核。在接到故障情况的通知之后,随即安排作业对在接触轨的重点部位———端部弯头及岔群区域定位点进行了排查,导高拉出值均符合要求,排除该原因。2.1.3接触轨进行取电列车集电靴设计应与轨面平行,保持水平状态,但实际会因安装精度等因素影响造成集电靴存在偏角。存在偏角的集电靴在接触轨水平的情况下可能出现无法以面接触的方式从接触轨进行取电,造成和在端部弯头处类似的情况。在现场对停车场中的车辆进行了检查,部分集电靴的偏磨现象比较严重。如图1及图4中的这类情况,集电靴首尾高差过大,运行中仅较高那边与接触轨有接触,另一边与接触轨磨耗痕迹很少。根据既有线经验,列车新的集电靴碳滑板可能会存在拉弧,特别是在站台启动、通过端部弯头等位置时,在运行一段时间后恢复正常。随着集电靴运行磨损中,会将本来存在倾角的靴面磨损至与接触轨面大致平行,使得集电靴与接触轨接触面积增大,减少了拉弧打火情况的出现。2.2理论分析2.2.1温升与其他变量的关系首先通过计算确定温升受哪些因素影响。式中:Q———热量,J;m———质量;因研究的是大电流、小面积、短时间情况下出现的烧伤情况,这种情形散热速率远小于温升速率,故以下未引入散热修正算式进行校正。接触面积大小与接触部分温升高低的关系如下:注:式(4)因电阻率与密度的符号均为ρ,为避免冲突,式(4)中密度(density)使用d表达。对于固定的某支集电靴而言,接触材质及接触压力等参数均确定,接触轨与集电靴的外界条件相同,即公式中其它参数均相同,则还存在接触面积S、电流I、接触时间t3个变量。因为3个变量相互独立,互不干扰,可以分别假设某两变量恒定,计算剩下的单一变量变化时对温升的影响。先从接触面积对温升的影响进行研究,设定其它变量恒定,简化其为常数Cs,则在t时间内接触面积大小与温升关系为:从式(5)可知,其它参数相同时,在时间t内,接触面积大小与温升成二次反比例关系。若接触面积减小时温升会呈二次函数形态提高,很容易达到接触轨钢带和铜基碳滑板的金属熔点,造成接触轨和集电靴的烧伤。故接触面积大小是集电靴与接触轨接触是否良好的很重要的因素,之前3种经验归结起来均是与接触面积相关。再对电流对温升的影响进行研究,设定其它变量恒定,简化其为常数CI,则在t时间下电流强度大小与温升关系为:由式(6)可知,其它参数相同时,在时间t内,温升与电流强度大小成二次正比例关系。牵引系统中,接触轨电压维持1500V左右,可将牵引供电系统近似视为恒压系统,电流强度变化可视为负荷大小变化。从式(5)、式(6)可推断,大电流、小面积情况下,t与温升成正比关系。在固定时间t内,接触面积、电流强度两条件主导决定接触点处的温升。温升除以时间,便是温升速率,即接触面积、电流强度两条件主导决定接触点处的温升速率。接触面积越小,电流强度越大,温升速率越大,一定时间内的温升也越大。在温度不断升高的过程中,散热速率也会随之提高,从无法忽视其影响,直至温升速率等于散热速率,式(6)中变量变化均无法再提高温度,可以理解为该类热现象的极限温度。但在我们研究的烧伤现象中温度小于极限温度,即使达到极限温度,仅仅是温度无法继续提高,但是对集电靴与接触轨的烧伤效果仍然存在。2.2.2接触系统的选择电弧是由于绝缘击穿,形成放电通道的一种放电现象,电弧是十分容易产生的,电路电压不低于10~20V,电流不小于80~100mA,分合回路时便会产生电弧。理想状态中直流1500V,电流为1500~2000A的电弧,可拉长至2m仍然可继续燃烧不熄灭。交流系统产生的是交流电弧,电弧可在过零点时熄灭,小于击穿间隙即可恢复绝缘。直流电因不存在交变,电弧不过零点,故直流电弧自持性更强,比交流电弧难以熄灭。除了高速动作的触头外,直流高压断路器一般都有配备熄弧装置,如利用吹弧来冷却电弧减弱热游离,通过灭弧栅等措施迅速拉长电弧,加强带电粒子的复合和扩散,把弧隙中的带电粒子吹散,达到迅速恢复介质绝缘强度的目的。在集电靴与接触轨的接触过程中,集电靴与接触轨的分离过程可以视为直流高电压、大电流开关过程,若出现拉弧现象时,并不像直流断路器一样设置有效措施来保证能够熄灭电弧,只能通过电弧产生的气流流动或机车的运动来熄灭电弧。在静止情况下集电靴与接触轨出现拉弧会有比较严重的后果。2.3端部弯头损伤2月17号晚,在浔峰岗渡线的端部弯头处发现了多处较为明显烧伤点。全线排查发现,端部弯头烧伤的现象,有很多典型的打火烧伤现象。图9及图10是截取了同一个端部弯头处两段不同位置的烧伤。烧伤点除了全部是在端部弯头处之外,还有另一点共同点是发生在进出无电区的端部弯头。2.3.1集电鞋与接触轨的连接端部弯头一般设在牵引变电所车站进站前的防淹门、人防门处,或渡线、正线区段部分因曲线半径小于300m而无法布置膨胀接头的地方。这些端部弯头处并不会出现严重的拉弧现象,因为这类地方列车牵引负荷一般都不大,进站时列车是惰行的状态,普通渡线处列车也多是利用惯性低速通过。接触轨的布置对线路限界考虑较多,在浔峰岗岔群处因空间限制,造成道岔、断口密集布置也就产生了无电区。在进出无电区时,整辆机车仅有一处集电靴能与接触轨相接触,而出无电区时与端部弯头接触时集电靴仅仅只有很小一块能够进行导流,且需要承担全车负荷,故在无电区端部弯头处更容易出现电烧伤现象(见图11)。广州地铁6号线列车是AB-BA的4节编组形式,每对AB车左右两边各有两支集电靴,共4支,整车共8支。同一对AB车间集电靴是相互连通的,即一个靴受电,其它3个靴也会带上电。两对AB车之间的高压牵引部分相互独立,低压部分是相连通的。第一种情况,集电靴通过端部弯头时,其所在的同一对AB车上有其它集电靴与接触轨接触,使得该集电靴进出端部弯头时需要分合的负荷,承受的压差并不会太大。第二种情况,在非进出无电区端部弯头时,存在单个断口大于29.82m的情况,断口间可以有机车接触不到的接触轨。AB车的某集电靴进出该段接触轨时,该AB车上没有其它集电靴与接触轨相连,但另一对AB车还有集电靴与接触轨相连,可以分担低压负荷。通过端部弯头处的集电靴需要分合的是其所在AB车的牵引负荷,且分开后对接触轨压差上升为钢轨与接触轨间压差。第三种情况,在进出无电区端部弯头时,最后一个与接触轨接触(分开)的集电靴承载了其所在AB车的牵引负荷以及整列车的所有低压负荷,在端部弯头处通过极小的接触面与接触轨接触,集电靴进出无电区处的端部弯头时分合整车负荷,压差为钢轨与接触轨压差。故进出无电区处的端部弯头容易出现烧伤,进出过程中易出现拉弧、打火。可以从表1直观地看到集电靴进出不同区域端部弯头时的区别。无电区一直存在,为什么之前没有出现相关情况?拉弧打火现象出现的时间,发现在与供电相关的事件之后———划定无电区,这二者有什么关系呢?期间未改变任何设备情况,仅仅在线路上标出了无电区的大概位置并设置标示。原因是划定了无电区后采取的“措施”。在划定无电区域之后,部分司机为顺利通过无电区,在看到无电区域标识后便加速通过,增大了机车牵引负荷,最后一处集电靴与端部弯头接触时(导高200~260mm部分)在小接触面大取流的情况下,接触轨钢带、集电靴均会留下了电蚀、烧伤痕迹,如图9及图3所示。同时在离开(进入)接触轨时(导高260mm至离开接触轨端部弯头),集电靴与接触轨需要分合更大的负荷,集电靴与接触轨便出现更严重的拉弧打火现象,如图10所示,此时集电靴与接触轨已经无接触,但因是分合大负荷,间隙拉出严重的电弧,对接触轨造成了电灼伤。这并不是“突然”出现大规模严重的拉弧打火现象,而是将原本就存在的缺陷,放大并体现出来了。进出无电区时,端部弯头处集电靴与接触轨接触面积较小,集电靴与接触轨需要分合全车负荷,很难避免集电靴与接触轨之间产生烧伤乃至拉弧打火。在划定无电区之后,司机采取提速通过无电区的措施增大了机车取流,加剧了集电靴与接触轨烧伤的现象。2.3.2集电鞋受电弓与接触网的转换除了端部弯头外,还有一处涉及到集电靴与接触轨分合的地方———转换轨。在转换轨区段,机车停车进行降弓升靴或降靴升弓,对取流方式进行转换,也就涉及到集电靴(受电弓)与接触轨(接触网)的分(合)。图12是在出段线列车停车降靴的位置,接触轨上有拉弧的痕迹。存在低压大负荷时(空调等)进行降弓、降靴操作,无异于带负荷分合无灭弧息弧装置的开关,存在很大的危险性,造成接触轨(网)与集电靴(受电弓)间出现明显打火甚至长达十几秒的拉弧现象,在接触轨(网)、集电靴(受电弓)上留下明显的烧伤痕迹。降弓情况下对接触线的烧伤,如图13所示。2.3.3损伤点的类型根据以上的判定方法来分析其它几张图片原因。(1)图1中的集电靴磨损痕迹可以看到明显存在偏磨,该集电靴有一边翘起,其烧伤点的位置偏向集电靴中部而未存在三角区内。根据烧伤点的形式判断,应该是点接触大电流造成的。在较长时间停车取流或者带大负荷降靴升弓均可能出现这种情况,此时负荷多是以空调负荷为主的低压负荷。(2)图4中集电靴上痕迹较小,且多处均呈圆点状,且周围并没有接触磨损的痕迹,判断其原因为集电靴与接触轨端部弯头接触前(离开时)间隙放电的电弧烧伤造成的。与图10中的情况相对应,电弧击伤在接触轨钢带上留下的凹坑状熔痕,可以看到接触轨上并没有集电靴摩擦滑过的痕迹。3问题的提出与分析方向集电靴偏磨会造成打火,端部弯头处也时常有打火现象;导高拉出值等参数调整不到位也会导致火花,出站时也可能出现有打火现象……在长久的运营过程中我们总结了大量的运营经验,也遇到了很多无法用“经验”解释的事情,若是缺乏总结钻研,不假思索把故障原因往“经验”上套,盲