摘要：本文介绍广州地铁接触轨系统端部弯头的工作原理，重点分析长湴地铁站折返线、渡线和存车线的端部弯头在运行中存在的一些常见现象。在接触轨系统的设计中，要合理地设计集电靴碳滑板与端部弯头之间的放电距离，以延长端部弯头和集电靴滑板的使用寿命；根据实际需要科学地调整端部弯头与集电靴之间的水平距离。
关键词：长湴站；端部弯头；拉弧烧伤
1 背景介绍
广州地铁四、五、六号线均采用接触轨供电方式，运营列车通过对其集电靴与接触轨钢带表面接触而获得电能。接触轨断口数量多，势必造成列车集电靴与端部弯头的冲击频率加大，影响安全运营。而接触轨端部弯头作为接触轨系统的重要设备，集电靴能否顺利平滑的通过接触轨轨道端部弯头处，是保证列车能否正常受电及运行的关键。
2 长湴站端部弯头常见现象分析
2.1 端部弯头工作原理
接触轨端部弯头是滑靴顺利通过第三轨断口的关键部件，端部弯头作为过渡部件，需要引导滑靴可靠过渡到正常接触轨的受流面。
在电分段处、道岔处及车站换边等处，接触轨设置断轨。断轨采用接触轨自然断开方式。在断轨处接触轨端部设置端部弯头，断口长度一般不大于14m，最长不大于29.5m。
在正线、存车线等一般长渡线处使用5.2m端部弯头，在空间狭窄的短渡线处使用3.4m端部弯头。集电靴是由一套2个弹簧和4个弹性鉸键轴承组成的机构，用于保证碳滑板磨损后与接触轨的压力不受影响。
端部弯头具有良好的耐电弧烧损及耐冲击特性。列车在运行过程中，一般情况下集电靴处于与接触轨钢带脱离的运动过程中（简称为出靴），端部弯头拉弧会比较严重；集电靴与接触轨钢带接触的运动过程中（简称为入靴），端部弯头所受的冲击作用比较明显。
以5.2m端部弯头为例，其中1#定位点处接触轨的导高是（200±5）mm，拉出值是（1510±5）mm；2#定位点处接触轨的导高为（285±5）mm，拉出值（1510±5）mm；端部弯头预弯点1处接触轨的导高为200mm，端部弯头预弯点2处接触轨的导高应为300mm，端部弯头末端3处接触轨导高应为326mm。如图1所示。
2.2 长湴站端部弯头拉弧烧伤情况分析
端部弯头处因集电靴（水平）与端部弯头（坡度较大）在接触时存在一定角度，无法保证足够的接触面积，造成集电靴在进出端部弯头时无法以面接触的方式从接触轨进行取电，在列车带大负荷的情况下，持续取流会在接触点产生大量热量，产生的高温电弧会使端部弯头出现不同程度的烧伤。
电弧是十分容易产生的。电路电压不低于10~20伏，电流不小于80~100mA，分合回路便会产生电弧。理想状态中1500V，电流为1500~2000A的电弧，可拉长至2m仍然可继续燃烧不熄灭。在实际情况中高压断路器均有配备熄弧装置，通过吹弧来冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度，通过灭弧栅等措施迅速拉长电弧。
如果被断开的电流超过0.25A，断开后集电靴与接触轨上的电压差超过12V，则会产生电弧。在集电靴与接触轨接触系统中，集电靴与接触轨分离的过程可以视为高电压、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。且直流电不存在交变，直流电弧要比交流电弧难以熄灭。故如果集电靴与接触轨之间出现拉弧会有比较严重的后果。
下表1为长湴站渡线、折返线和存车线处端部弯头拉弧情况的统计。
根据行车方向和图2长湴站折返线和渡线供电示意图可知。
渡线中D1-7，D2-1，D4-4，D5-1，D7-1，D8-3共6处属于只入靴时用的端部弯头，其中有1处轻微烧伤，占总数的16%。
D1-1，D2-7，D4-1，D5-3，D7-4，D8-1共6处属于只出靴时用的端部弯头，其中有1处严重烧伤，3处轻微烧伤，共占总数的66%。
折返线中共8处端部弯头，只有一处D10-1有轻微烧伤，占总数的12%。
由统计数据可以看出出靴时的拉弧烧伤情况数量比例是入靴拉弧烧伤情况数量比例的4倍。所以讨论入靴时着重讨论其集电靴对端部弯头的冲击作用，出靴时着重讨论端部弯头与集电靴之间的拉弧烧伤情况。
2.2.1 入靴情形
以5.2m端部弯头为例，集电靴在进入接触轨过程中，集电靴碳滑板在端部弯头受流时，集电靴碳滑板和接触轨钢带是从完全没接触到临界接触、再从开始接触再到完全接触的状态转变。其具体接触取流过程是：集电靴在运动过程中准备进入端部弯头。由于集电靴向接触轨表面自由延伸只有60mm（按照端部弯头坡度1：41，可以计算出集电靴和接触轨临界接触位置是在距离1#定位点约2460mm处，即图1中）。当集电靴碳滑板和端部弯头刚刚发生接触时，由于集电靴碳滑板和端部弯头之间的接触平面存在一定的角度差，所以难免会发生冲击作用，会使端部弯头和集电靴碳滑板在位置4处发生剧烈的摩擦，形成类似拉弧烧伤的痕迹，之后集电靴碳滑板从位置4行进到定位1#后，集电靴碳滑板完全与接触轨钢带受流面接触完成受流过程。
根据论文《受流器与接触轨端部弯头接触特性分析》中分析可知，想要减少集电靴碳滑板与端部弯头在入靴时所产生的冲击作用，在保持端部弯头末端高度不变的情况下，增加端部弯头的长度（2m），折算成坡度为1：55，可以有效减少冲击作用所产生的磨损。
2.2.2 出靴情形
还是以5.2m端部弯头为例，集电靴碳滑板在脱离端部弯头的过程中，集电靴碳滑板在端部弯头受流时，集电靴碳滑板和接触轨钢带是从完全接触到临界接触、再从开始脱离知道完全脱离的转态转变。其具体接触取流过程是：1#定位点处集电靴碳滑板全部接触接触轨钢带受流面，在预弯点1处接触轨开始缓慢抬高；集电靴也开始缓慢抬高，但保持接触压力基本不变。在图5中位置4处，集电靴开始逐渐脱离接触轨。在图5中4处和端部弯头末端3处，集电靴碳滑板和接触轨钢带始终存在一个接触空挡区域，形成放电间隙，产生电弧从而烧伤端部弯头。
为了减轻集电靴对接触轨放电电弧的强度，接触轨采用坡度形式逐渐加大两者间放电间隙，尽量减少电弧对接触轨设备的损伤。在出靴过程中，如果在实际情况中还存在拉弧烧伤，则可以适当地提高2#处的工作高度，增加坡度使两者间放电间隙变大，从而加快灭弧进程。
三，总结
本文通过介绍端部弯头的工作原理，并列举出长湴站端部弯头拉弧烧伤情况统计和端部弯头处的伪偏磨的部分记录，得出以下结论：A，在入靴时，要减少集电靴碳滑板与端部弯头在入靴时所产生的冲击作用，在保持端部弯头末端高度不变的情况下，增加端部弯头的长度（2m），折算成坡度为1：55左右，可以有效减少冲击作用所产生的磨损；B，在出靴时，在满足二段消弧的设计下，如果在实际情况中还存在拉弧烧伤，则可以适当地提高2#处的工作高度，增加坡度使两者间放电间隙变大，从而加快灭弧进程。
参考文献：
[1] 李峰.直流1500V接触轨端部弯头的研究
[2] 王文娇.受流器与接触轨端部弯头接触特性
[3] 孙放心.广州地铁四号线直线电机车辆集电靴系统分析
[4] 郭远哲.广州地铁六号线集电靴烧伤原因分析
论文作者:叶达斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/27
标签：弯头论文; 电弧论文; 烧伤论文; 滑板论文; 坡度论文; 情况论文; 过程中论文; 《电力设备》2017年第3期论文;