摘要：本文对接触网绝缘锚段关节处拉弧的原因进行了初步分析，介绍了高铁中如何避免和减小拉弧采取的措施，并结合高铁分相绝缘锚段关节处的设置，提出了在地铁接触网中如何预防的措施和建议。
关键词：接触网绝缘锚段关节；拉弧；高铁；地铁；预防
Abstract：This paper makes a preliminary analysis on the causes of arc-drawing at the joints of insulated anchor section of catenary, introduces the measures taken to avoid and reduce arc-drawing in high-speed railway, and puts forward some measures and suggestions on how to prevent arc-drawing at the joints of insulated anchor section of high-speed railway.
Key words：Insulated anchor joint of catenary;Arcing; High-speed rail; metro; Prevention.
引言
在接触网系统中，拉弧现象产生的根本原因是弓网离线，多发生在分段绝缘器、锚段关节及其他接触线存在硬点、硬弯或接触线坡度变化较大处。接触网拉弧现场的产生主要与瞬间放电电压、空气湿度等有关，而产生电弧的大小主要与电流大小相关。拉弧将造成造成电力机车的不稳定运行、引起接触线和受电弓滑板异常磨损、产生无线电杂音干扰、使牵引电动机整流条件恶化。
本文介绍了高铁中如何避免和减小拉弧采取的措施，并结合高铁分相绝缘锚段关节处的设置，提出了在地铁接触网中如何预防的措施和建议。
一、高铁接触网及地铁接触网的供电形式及关节结构
高铁接触网与地铁接触网的主要区别在于供电制式的不同，高铁接触网为AC27.5kV，地铁一般为DC1500V，交流、直流制式的不同就直接影响供电分区分界处接触网的结构设计，即绝缘锚段关节的结构。
1.高铁分相结构
高铁目前一般采用AT供电方式，即带自耦变压器的单相工频交流供电方式，由相邻的变电所引入接触网的电源分别为A、B、C三相之中的两相，单相对地电压均为AC27.5kV。为避免受电弓在跨越供电分区时造成相间短路，相邻供电分区的接触网导线不允许在任何情况下通过任何形式短连，为保证供电及行车安全，高铁接触网分相绝缘关节必须设置中性区、无电区。目前高铁一般采用的为六跨分相绝缘锚段关节，其示意如下：
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图1（a）高铁分相绝缘锚段关节平面示意图
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图1（b）高铁分相绝缘锚段关节立面示意图
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图1（c）高铁接触网分相等效相位图
2.高铁自动过分相装置
高铁分相区前方放置2个地面感应器，一个在轨道右边，一个在轨道左边，分相区后面也放置2个地面感应器。在动车组安装受电弓的车上（第二节或第七节）装四个感应接收器来接受线路上的定位地面感应器，两个装在右边，另两个装在左边。同时在分相区两侧设有断、合以及禁止双弓等信号板，距离分相区长度根据线路运行速度等级设置，如下图所示：
3.地铁绝缘锚段关节
地铁为直流供电模式，所有变电所为接触网提供的电源均为直流正1500V，不存在相序问题，即使将相邻供电分区的接触网导线短连，短连点两端电压仅为因负载变化等原因产生的网压波动。为保证接触网对列车的不间断供电，接触网在供电分区转换处允许瞬时短连而一般不设置无电区。
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图2（a）地面磁感应器及标志牌示意图
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图2（b）感应接收器在机车上安装位置示意图
地铁绝缘锚段关节结构示意如下：
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图3地铁绝缘锚段关节结构示意图
二、拉弧现象产生的原因
拉弧现象是指在电位不同的两点之间，因电流击穿空气而产生瞬间火花并伴随一定的爆裂音的现象。在接触网系统中，拉弧现象产生的根本原因是弓网离线，多发生在分段绝缘器、锚段关节及其他接触线存在硬点、硬弯或接触线坡度变化较大处。接触网拉弧现场的产生主要与瞬间放电电压、空气湿度等有关，而产生电弧的大小主要与电流大小相关。
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图4受电弓与接触线间拉弧
1.高铁接触网拉弧分析
在高铁接触网中，受电弓在进入分相无电区前，列车检测到线路上设置自动过分相装置驶入感应器，将自动切断取自接触网的电源，并在行驶出无电区、检测到驶出感应器后自动恢复供电，确保受电弓在通过绝缘关节、受电弓在两支接触线间过渡时，电客车不会通过受电弓从接触网取流。
但机车通过分相时也会产生过电压，过电压的性质主要为合于空载容性线路的合闸过电压，与牵引载体本身无关，所以电力机车和动车组受电弓通过电分相的四个阶段都会出现电弧，相应产生合闸过电压，两次跨接时刻的过电压幅值很高，而两次分离时候产生的过电压在机车速度条件满足时，幅值不大。
两次跨接时刻，高幅值的振荡过电压有可能引起车顶高压互感器的铁磁饱和，使得等效电感降低，接近中性线电容值，产生谐振。以谐振频率叠加在合闸过电压上，瞬时幅值更大，且不易衰减。第二次跨接中性线和接触线时，由于互感器初值小，电压突变更大，饱和可能性比第一次跨接时更大。
不论是分离还是跨接阶段，电弧的重燃将会使振荡过电压的幅值足以击穿放电间隙。受电弓分离接触线和中性线时，机车速度大于80.4km/h时就不会产生二次电弧，如果低于51km/h就有可能产生最大为114kV的过电压。
2.地铁接触网拉弧分析
在地铁接触网系统中，因其设计及结构特点，受电弓在通过绝缘锚段关节时，将有瞬间将分属两个供电分区的接触线连接导通，当连通的两个供电分区的接触网电压不同时，受电弓在通过过渡区时必将产生拉弧现象。
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图5受电弓与中性段接触线的四个过程示意
三、拉弧的危害
拉弧是电气化铁道电力机车正常牵引供电中一种十分有害的现象，它危害主要体现在以下几个方面：
1.造成电力机车的不稳定运行
弓网间的脱离，使电力机车供电时断时续，造成列车运行过程中不正常的减速和加速，增加了旅途中的不舒适感。
2.引起接触线和受电弓滑板异常磨损
特别是在离线瞬间，由于电弧的高温熔蚀作用，使接触线和滑板的接触面粗糙不平，造成两者的磨耗速度大大加快，工作寿命缩短。当离线过大或电流太小，使弓网间的电弧不能维持时，还会造成供电中断，使机车丧失牵引力或制动力。接触线振动变形增大后，接触线的机械疲劳加剧，严重时会造成断线。
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图6（a）拉弧对接触线造成的溶蚀
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图6（b）拉弧对碳滑板造成的灼伤及磨损
3.产生无线电杂音干扰
在拉弧瞬间,牵引电流的波形急剧变化，其中含有许多高次谐波，对邻近无线电通讯线路造成有害的干扰。
4.使牵引电动机整流条件恶化
当滑板与接触线脱开，然后再接触的瞬间，有冲击电流流入牵引电动机，增大整流子片间电位差，造成整流条件恶化，引起火花，甚至还会引起环火。
四、拉弧现象在地铁接触网绝缘锚段关节处如何避免或减弱
1.高铁拉弧减弱措施
（1）电弧重燃是引起过电压偏高的主要原因，可以考虑在两个断口处加强绝缘，改善电极形状，提高击穿电压水平，或设定固定电弧产生点，以利于对电弧的控制。
（2）在选择和设计关节式电分相时，应进行线路合闸过电压计算，使得过电压幅值低于车顶放电间隙或避雷器的阀值，并应考虑海拔高度和空气密度对绝缘的影响。
（3）在保证绝缘配合的基础上，应增强车顶绝缘强度，提高耐压水平。
（4）合闸过电压是一操作过电压，持续时间短，为了保护其他电力设备，通过牵引变电所主断路器跳闸来释放能量是合理的，跳闸后，振荡电压被转移，采用自动重合闸或者强送电，一般都能够恢复正常供电。
（5）为了保证重合闸动作的正确性，考虑到线路整体为容性，电弧跨接后电流超前电压90度，而跨接之前电流为感性，利用这个变化特征，可以为智能重合闸提供参考。
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图7地铁绝缘锚段关节开关示意图
2.地铁拉弧减弱建议措施
（1）将绝缘锚段关节设置在电客车减速、进站等负荷较小的位置，减小受电弓在通过过渡区时取自接触网的电流。
（2）加装设备或采取措施，降低绝缘锚段关节处空气湿度，增大空气绝缘性。
（3）加装设备，在受电弓通过绝缘锚段关节时，临时将关节调整为非绝缘关节，避免两支接触线间存在电压差。（需核实负荷开关寿命、动作时间，供电、信号、车辆等相关系统配合等问题）
（4）提高施工工艺，保证关节处等高区内平滑过渡，减少产生拉弧点的数量。
（5）对受电弓及接触网关键部位加强巡检、发现灼伤应及时处理，避免拉弧造成的损伤范围累积扩大。
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作者简介
李杨，男，河北省石家庄市人，1986年10月25日出生，汉，中级工程师，本科学历，从事铁路（地铁）电气化施工工作。
论文作者:李杨
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：过电压论文; 关节论文; 电弧论文; 高铁论文; 地铁论文; 电压论文; 电流论文; 《电力设备》2020年第1期论文;