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摘要：接触网供电形式在地铁上的应用目前还是比较普遍，地铁的牵引供电与接触轨的授流质量都是直接影响到供电的质量的关键因素。本文主要对靴和接触轨授流的影响进行分析。
关键词：牵引供电；接触轨；集电靴；授流；电接触
1前言
地铁供电系统中对靴轨的影响关系研究还是比较空白，而实际上无论是是接触网还是接触轨，都是为了满足地铁列车牵引供电，本文对电接触基本理论进行阐述，并结合靴轨系统接触的质量进行分析。
2 靴轨系统电接触的特点
接触轨与取流靴之间的相互作用，主要是由二者之间的接触压力来支配的。轨靴之间的接触压力与接触轨的平整度、取流靴的性能、车辆的弹性以及列车运行速度等一系列因素有关。要保证机车良好取流，就必须保证轨靴之间接触压力的变化尽量小，且不超过规定范围，压力过小时，可能发生离线现象，这就有可能产生电弧，烧伤接触轨和取流靴；接触压力过大，会引起轨靴局部磨耗加剧，缩短它们的使用寿命。轨靴之间的接触压力己经成为衡量授流质量的重要标准之一。接触压力的最佳值，应保证接触轨和取流靴有最小的机械磨耗，同时还要保证接触轨和取流靴间有一定标准的过渡电阻，以排除在停车时，发生接触轨出现过热或烧伤的可能性。
列车静止不动时，靴轨系统表现为固定电接触，出现的主要现象和问题是接触电阻、接触温升和接触熔焊。列车运行时，靴轨系统具有滑动电接触的特点，除了固定电接触的问题外，还有接触轨与取流靴之间的摩擦、润滑及磨损等问题。靴轨系统接触区域无论如何加工、打磨再加上运行过程中的相互磨损，接触区域在微观上总是呈现凸凹不平。即使接触轨和取流靴之间具有很大的接触力，在接触区域也只有少数的点（小面）实际发生了真正的接触，这些实际接触的点（小面）承受着全部的靴轨接触力。由于接触轨表面一般都覆盖着导电不良的氧化膜或其他种类的杂质，在实际接触小面内，只有少部分氧化膜被压破的地方才能形成电的直接接触，电流实际上只能从这些更小的接触点中通过。
通常把实际发生机械接触的小面称为“接触斑点”，接触斑点中那些形成金属或准金属接触的更小面（实际传导电流的面）称为“导电斑点”。
3 靴轨系统的接触电阻
由于接触轨向取流靴的电流在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增加，有效导电面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为“收缩电阻”。电流通过接触区域时还会遇到准金属接触，电子通过极薄的膜时还会遇到另一附加电阻，称为“膜电阻”。这两部分附加电阻在电路上是串联的，相加后的总电阻构成靴轨系统的接触电阻。接触电阻是表征靴轨电接触特征的参数之一。
如果通过导电斑点的电流增大或接触电阻增高，则接触点的压降必然增大，导电斑点和收缩区内的温度亦会相应增高，当温度达到接触轨或取流靴滑块材料的软化点或熔化点时，导电斑点及其附近的接触轨或取流靴滑块就会发生软化和熔化。实际上，新开通的地铁中取流靴滑动次数较少的接触轨表面均有一层导电率较差的表面膜。在靴轨滑动接触过程中，出现电火花的现象较明显。随着取流靴滑动次数的增加，接触轨的表面膜逐渐被破坏，此时的接触电阻只剩收缩电阻部分。可见，靴轨系统的接触电阻与取流靴滑块及接触轨材料的电阻率、导电斑点数目、接触硬度、接触力大小有关。准确计算靴轨系统的接触电阻比较困难，通常进行估算或通过试验得到。
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4 靴轨系统电接触稳态热效应
电客车停车时，其内部附属设备的运转仍需通过相对静止的靴轨接触点获取电能。由于接触电阻的存在，当电流通过接触点时必然产生焦耳热，使靴轨系统接触点局部区域温度升高，严重时温升可达到取流靴滑块或接触轨材料的软化点、熔化点，而接触材料的软化容易造成取流靴滑块和接触轨的磨耗加剧。通过靴轨接触区域的电流越大，或者接触电阻越高，则接触点温升亦会相应变大；另外，接触轨与取流靴材料的电阻率也是接触点温升的主要影响因素。为保证高速及重载情况下靴轨系统的正常运行，接触轨与取流靴材料必须具备良好的电气性能。
5 靴轨系统的电火花和电弧现象
在靴轨滑动接触过程中，当取流靴滑块与接触轨实际导电面的面积较小、接触电阻较高及列车的取流较大时，电流通过导电斑点产生的热量使导电斑点的温度迅速上升到一定程度而形成电火花，或因靴轨相对滑动导致导电斑点断裂，取流靴与接触轨凸出部脱离接触时也会形成电火花。上述两种情况在靴轨滑动接触中比较常见，甚至在列车低速运行情况下也能见到。电火花的能量较弱，对靴轨系统的影响有限。需要说明的是：此时靴轨系统并未出现机械脱离或接触力不足的现象。而在电动列车高速运行过程中，因各种原因导致取流靴与接触轨整体分离或部分分离，在两者接触区域最后分离前的瞬间，列车电流通过接触电阻引起的热能集中加热最后分离的导电斑点，使其温度迅速上升到材料沸点而引起爆炸式气化。当靴轨恢复接触后，电弧熄灭。靴轨之间的电弧拉长到一定距离后也会熄灭。高速运行的列车，其靴轨系统的电弧弧根要么与靴轨一起快速移动，要么在很短的时间内熄灭，尽管电弧温度很高，但其热流对靴轨系统的侵蚀却有限，对靴轨系统的影响也有限。高速运行中的电弧对环境产生影响，但却能保证电动列车取流的连续性，这对滑动接触下的能量传输非常重要。
取流靴的升或降一般为无负载或小负载操作，虽然靴轨接触或脱离瞬间会产生电火花现象，但不会带来严重后果。而带大负载操作取流靴升降或电动列车带负载进出无电区均能导致靴轨间产生强烈的燃弧现象，此种情况下电弧根部在取流靴滑块与接触轨的固定部件上长时间燃烧，电弧热流会对靴轨系统带来严重后果，这种情况是不允许的。
6 硬点对靴轨电接触的影响
电力机车在运行过程中，其取流靴同接触轨接触面处于滑动摩擦状态，为保证正常取流，靴轨间存在一定的接触压力，由于某些原因会引起靴轨间接触压力、相对位置和速度的突然变化，致使靴轨关系产生瞬态变化，这种瞬态变化达到一定量化标准，我们便称之为硬点。
接触轨硬点是评价和衡量城市轨道交通靴轨关系一个重要参数之一。接触轨硬点危害主要有以下三个方面。
一是造成接触轨和取流靴之间发生水平和垂直方向的撞击，加大接触轨和取流靴局部的机械磨耗。长期运行，会造成接触轨和取流靴的磨耗异常，影响靴轨接触质量甚至引发靴轨事故。
二是导致靴轨接触不良、在瞬间发生接触轨和取流靴机械脱开，我们称这种现象为“离线”。离线发生时，会伴有火花或电弧产生，烧伤或者熔化取流靴滑块或接触轨表面，形成麻面，加速接触面电化腐蚀。从电气原理上讲，机车取流靴离线时空气的电阻是非线性的，使机车电流骤变，产生冲击电流和瞬时过高压、高次谐波，降低供电质量，对机车牵引电机、牵引变压器及供电系统构成危害。
三是对周围的环境产生强烈电磁波和辐射，污染环境，并对周围通信线路产生干扰。
参考文献：
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[3]吴积钦，钱清泉.受电弓与接触网系统电接触特性[J].中国铁道科学，2008，（03）.
论文作者:叶韬
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
标签：电阻论文; 电弧论文; 系统论文; 斑点论文; 电流论文; 列车论文; 电火花论文; 《基层建设》2016年6期论文;