地铁刚性接触网弓网磨耗关系浅析

地铁刚性接触网弓网磨耗关系浅析摘要:刚性接触网弓网磨耗主要包括机械磨耗和电气磨耗两种，这两种类型的磨耗大部分同时发生且相互影响。本文分别从影响受电弓碳滑板磨耗和影响接触线磨耗的两个方面的因素，分析弓网磨耗问题产生的原因。为有效改善弓网间的磨耗，提出相应的建议:优化刚性接触网的布置方式、特殊地段增加弹性部件、接触线选型、注重检查、精修细检等。关键词：接触线碳滑板弓网关系磨耗刚性接触悬挂因其具有结构紧凑、无断线隐患、费用较低、安装维护方便等特点，现已成为我国地铁地下线路的接触网首选类型。通过对运营线路统计发现，刚性接触网较多存着接触线磨耗不均匀、受电弓碳滑板不规则磨耗、局部接触线磨耗率大等问题，这些磨耗问题，不仅会使弓网关系变差，影响受流质量，而且还会缩短接触线和受电弓碳滑板的使用寿命，增加运营维修成本。1存在的问题接触线局部磨耗大：在实际运营中，接触线出现不均匀磨耗主要集中在列车出站加速区段、减振道床区段、绝缘锚段关节、汇流排中间接头等地方。正常情况下接触线磨耗至汇流排才需更换，但如个别点或区段的接触线磨耗严重，接近磨到汇流排，而其他地方的接触线还未达到换线标准时，接触线就必须整个锚段或局部进行更换，以广州地铁二号线为例，作为国内第一条采用刚性悬挂接触网的线路，已经运营十年多的时间，部分区段接触线运营4～5年磨耗就达到需换线程度（表1）（图1）。表1近年广州地铁二号线部分换线记录图1接触线磨耗严重图2受电弓碳滑板磨耗严重受电弓碳滑板磨耗凹凸不平：在长时间运营后，受电弓碳滑板的磨耗呈不均匀分布（图2），具体表现为：受电弓碳滑板工作面的形状不规则且起伏不平；最大拉出值处（±200mm）受电弓碳滑板磨耗严重，形成较深的凹槽。为保证弓网间保持良好的关系，在实际运营中，当受电弓碳滑板凹槽深度达到一定深度时，需要对受电弓碳滑板进行打磨，使其表面平滑。当碳滑板最薄点厚度小于5mm时，需更换碳滑板。部分受电弓碳滑板的更换周期也缩短为原来的4/5。因此，碳滑板不均匀磨耗不仅降低了受电弓碳滑板的利用率，缩短了受电弓碳滑板的使用寿命和更换周期，导致运营维护成本大量增加。接触线不均匀磨耗和碳滑板磨耗凹凸不平之间还存在着一种恶性循环关系，即接触线相对于受电弓中心的拉出值分布不合理会造成碳滑板的凹凸不平，碳滑板凹凸不平会造成接触线的不均匀磨耗。随着时间的推移，碳滑板的凹凸不平会更明显，接触线的不均匀磨耗也会更严重。2磨耗原因分析2.1受电弓碳滑板磨耗原因分析理想情况下，受电弓碳滑板的磨耗应如图3所示为圆滑的曲线，要达到这种状态，理论上要求接触线相对于线路中心的偏移拉出值呈正态分布（图4），以广州地铁现行的几条刚性悬挂接触网对比分析（广州地铁2、3、8、广佛线的正线均采用刚性悬挂接触网），几条线的列车受电弓碳滑板均出现不同程度的磨耗，其中以2号线的受电弓碳滑板磨耗尤为严重，这是因为广州地铁2号线作为第一条采用刚性悬挂接触网的线路，缺乏相应的设计经验，线路接触线布置为之字型，导致接触线在受电弓碳滑板上的摩擦概率和磨耗时间分布不均匀。与接触线相互接触的次数较多，其磨耗也就较大；与接触线相互接触的次数较少，其磨耗也就较小。这样，随着运行时间的增长，受电弓碳滑板就会呈现出凹凸不平的不规则磨耗情况（图2）。其他线路的接触线拉出值采用接近正态分布的正弦波布置，受电弓碳滑板总体磨耗情况良好。图3碳滑板理想磨耗状态图4接触线拉出值正态分布图2.2接触线局部磨耗原因分析2.2.1在列车出站加速区段，列出取流增大，弓网关系处于波动状态，冲击力及接触压力都不稳定，不仅造成弓网间的机械磨耗增大，而且造成弓网间的离线率增大，弓网间电接触不良会导致接触电阻增大，大电流产生的热量使接触点局部区域的温度升高软化接触线，易产生拉弧现象，对受电弓滑板和接触线产生较大的电气磨耗，加速此区段接触线的磨耗速率，导致接触线工作面出现不平滑的现象，严重时会烧损碳滑板和接触线。2.2.2在减振道床区段，道床增加了弹性，在列车行进时会造成受电弓碳滑板处于振动状态，而刚性悬挂接触网因弹性差，无法对受电弓碳滑板的振动进行缓冲，导致弓网间的接触压力不稳定，使弓网间的离线率增大，导致减振道床区段接触线的磨耗较大。2.2.3绝缘锚段关节处，正常情况下其两端的供电臂由与之相邻的牵引变电所分别供电，当受电弓碳滑板在短接绝缘锚段关节两个供电臂的瞬间，由于存在电势差会在短接处会产生电火花或电弧，对接触线和受电弓碳滑板造成电气磨耗。2.2.4当列车高速通过汇流排中间接头处时，由于受电弓碳滑板的接触压力和冲击力无法缓解，造成整个架空刚性悬挂接触网处于振动状态，在其长期综合作用下，会造成汇流排中间接头的螺纹滑牙，进而造成汇流排中间接头零部件松动，产生驰度，形成硬点，造成中间接头处接触线的磨耗较大。接触网硬点是造成受电弓离线的重要原因之一，受电弓离线对列车牵引电机、受电弓、接触网、牵引变电所都有危害。3建议措施3.1优化刚性悬挂接触网的布置在进行刚性接触网设计时，全线接触线拉出值的分布应呈正正弦波布置；刚性接触网的悬挂跨距宜为6～8m，不应大于10m；在变坡区段，根据车辆的运行速度，接触线的坡度宜为2‰～5‰。减小汇流排的形变。3.2特殊地段采用弹性部件刚性接触网因其结构特点弹性较小，受电弓在运行中的上下震动不能得到缓冲或释放，会加大弓线间的机械磨耗或电气磨耗，因此应根据线路与刚性悬挂安装的具体情况（如出站加速区段、减震道床区段、变坡区段等），加装硅胶弹性绝缘子、弹性线夹等弹性部件，增大悬吊结构的弹性，改善弓网关系的跟随性，达到减小弓网机械磨耗及降低其离线率的目的。3.3选择有效接触面更大的接触线广州地铁2号线接触网采用的是截面积为120mm2的银铜合金接触线，而广州地铁3号线与广佛线是采用的截面积为150mm2的平底接触线，如图5所示。弓网接触区域，在微观上总是呈现凹凸不平，即在实际接触中只有少数小面发生接触，业界通常把这种接触小面称为“接触斑点”，而列车受流是通过少数接触线与受电弓的接触斑点导流的，而接触斑点越多，过渡电阻越小，运行中弓网过渡点的发热就越小。由于两种接触线的形状不同，150mm2的接触线有效接触面比120mm2的大，150mm2接触线与碳滑板接触斑点要多于120mm2接触线，因而发热量更小，电流通过性更好。故在其他条件相同的情况下，150mm2的接触线磨耗要小于120mm2的接触线。图5120mm2接触线与150mm2接触线图示3.4注重检查、精检细修在接触网日常检修作业中，应重点加强对紧固件的检查，特别是对汇流排中间接头的检查，检查汇流排有无侧磨；重点测量和检查锚段关节和线岔转换处接触线的磨耗情况；检查分段绝缘器接头平滑过渡状况，以及有无电气烧伤痕迹。建立重点磨耗台账，对磨耗严重的区域进行跟踪检查，当发现接触线产生偏磨或局部磨耗过大时，应及时进行调整，以降低接触线磨耗的不均匀性，必要时进行接触线局部或全锚更换。在实际运营中，加强对受电弓碳滑板的检查。当受电弓碳滑板表面凹凸不平处高差超过2mm时，对受电弓碳滑板进行打磨，使其工作面平滑，当碳滑板最薄点厚度小于5mm时，需要更换碳滑板，以确保运营安全。4结束语接触网作为地铁供电系统的重要组成部分，不具有后备性，一旦出现接触网系统故障，直接影响地铁列车的正常运行。研究弓网关系的磨耗对地铁安全运营具有重要意义，通过必要的措施改善弓网关系，减少两者的磨耗，延长碳滑板和接触线的更换周期，以实现降低运营维修