地鐵受電弓燃弧問題分析及改進(jìn)措施

1地鐵4.第1條線路廣州地鐵3號(hào)線分為三個(gè)項(xiàng)目：廣州地鐵3號(hào)線、廣州3號(hào)線北部延長項(xiàng)目和廣州3號(hào)線增購項(xiàng)目。這是中國第一條地鐵線路，最大運(yùn)營速度為120公里。h、采用剛性懸掛式電源。該線路目前有3種運(yùn)營車型,分別使用了3種型號(hào)的受電弓,車輛上線運(yùn)行過程中,其中的廣州3號(hào)線北延項(xiàng)目受電弓出現(xiàn)了較嚴(yán)重的燃弧問題,具體車輛與受電弓配置及弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)配合情況見表1。2受電弓弓網(wǎng)配合差異大的原因?yàn)楦玫亟鉀Q廣州3號(hào)線北沿項(xiàng)目的燃弧問題,南車株洲電力機(jī)車有限公司聯(lián)合廣州地鐵公司、國內(nèi)知名研究院校針對(duì)此情況展開了專題調(diào)查研究,并且經(jīng)過長期的跟蹤、試驗(yàn),分析認(rèn)為導(dǎo)致上述各項(xiàng)目受電弓弓網(wǎng)配合差異較大的主要原因有主電路配置差異、電流差異和受電弓類型差異3方面。2.1受電弓離線增加供電廣州地鐵3號(hào)線車輛采用3節(jié)編組,車頂主電路直接連接在一起,在運(yùn)營時(shí)2架受電弓同時(shí)升起為主電路供電(如圖1所示),即使運(yùn)營中出現(xiàn)1架受電弓離線,另一架也能繼續(xù)為整個(gè)主電路供電,并保證離線受電弓電位與供電網(wǎng)線一致,能夠有效避免燃弧問題。廣州地鐵3號(hào)線北延及廣州地鐵3號(hào)線增購車輛為6節(jié)編組、2個(gè)單元,每個(gè)單元主電路是相互獨(dú)立的(如圖2所示),只有1個(gè)受電弓,一旦受電弓運(yùn)行過程中出現(xiàn)沖擊振動(dòng)容易導(dǎo)致離網(wǎng),弓網(wǎng)之間瞬間產(chǎn)生電勢(shì)差,擊穿空氣產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。2.2車輛電流隨車輛電流的變化,容易產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)車的2廣州地鐵3號(hào)線車輛3節(jié)編組,每架弓僅分擔(dān)3節(jié)車總電流的一半電流,而目前廣州地鐵3號(hào)線北延項(xiàng)目車輛6節(jié)編組,每架弓分擔(dān)3節(jié)車總電流,2種車受電弓承受的電流大小差一倍,在其他條件一定的情況下,電流大更易產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。2.3車輛及受電弓廣州3號(hào)線3節(jié)編組車輛,采用南車株洲電力機(jī)車有限公司的TSG14型彈簧式受電弓;廣州地鐵3號(hào)線北沿項(xiàng)目6節(jié)編組車輛采用Schunk公司的SBF920型彈簧式受電弓;廣州地鐵3號(hào)線增購項(xiàng)目采用南車株洲電力機(jī)車有限公司的TSG18系列氣囊式受電弓。氣囊式受電弓具有更好的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性,能夠更好地滿足大電流、剛性懸掛供電網(wǎng)條件下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求,保證了廣州地鐵3號(hào)線增購項(xiàng)目受電弓運(yùn)行過程中的穩(wěn)定受流,避免了燃弧問題的產(chǎn)生。3解決措施在車輛編組已定型的條件下,為更好地提高弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性,只能是改進(jìn)受電弓的相關(guān)性能參數(shù)以提高弓網(wǎng)配合的穩(wěn)定性。3.1受電弓及剛性供電系統(tǒng)建模氣囊式受電弓由于采用氣動(dòng)升弓裝置,具有更好的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性,是受電弓的發(fā)展趨勢(shì)。以下將針對(duì)氣囊式受電弓的相關(guān)性能參數(shù),進(jìn)行受電弓及剛性供電網(wǎng)線的建模分析,如圖3所示。弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)仿真分析輸出結(jié)果顯示,剛性網(wǎng)供電條件下,弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)集電穩(wěn)定性主要與受電弓弓頭懸掛剛度、弓頭質(zhì)量及網(wǎng)線的跨距等因素有關(guān)。3.1.1弓網(wǎng)接觸壓力受電弓運(yùn)行過程中,弓網(wǎng)之間有一定的沖擊振動(dòng),受電弓弓頭懸掛主要是吸收弓網(wǎng)之間的高頻沖擊振動(dòng)。弓頭懸掛剛度的大小與剛性懸掛網(wǎng)線的匹配性影響著弓網(wǎng)之間的受流穩(wěn)定性。弓頭懸掛剛度仿真趨勢(shì)圖如圖4所示。圖4中當(dāng)弓頭剛度K值逐漸增大時(shí)曲線顯示弓網(wǎng)接觸壓力波動(dòng)范圍。剛度K1:壓力平均值120N,最大值264N,最小值-2.94N,波動(dòng)范圍266.94N;剛度K2:壓力平均值120N,最大值254.6N,最小值-2.48N,波動(dòng)范圍257.12N;剛度K3:壓力平均值120N,最大值229.8N,最小值8.7N,波動(dòng)范圍221.1N;剛度K4:壓力平均值為120N,最大值223.73N,最小值19.74N,波動(dòng)范圍203.99N;剛度K5:壓力平均值為120N,最大值183.73N,最小值72.74N,波動(dòng)范圍110.99N;分析上述數(shù)據(jù)顯示,在一定范圍內(nèi),弓頭懸掛剛度越大,受電弓弓頭運(yùn)行中的振動(dòng)幅度范圍越小,弓網(wǎng)接觸壓力的變化范圍也越小。3.1.2質(zhì)量對(duì)比及最大壓力波動(dòng)范圍受電弓的設(shè)計(jì)原則是盡量降低運(yùn)行時(shí)靠近網(wǎng)線的受電弓部件質(zhì)量,運(yùn)行時(shí)弓頭直接與網(wǎng)線接觸受流,弓頭質(zhì)量越小越有利于弓網(wǎng)受流穩(wěn)定。弓頭質(zhì)量仿真趨勢(shì)圖如圖5所示。質(zhì)量m1:壓力平均值120N,最大值199.39N,最小值54.28N,波動(dòng)范圍145.11N;質(zhì)量m2:壓力平均值120N,最大值215.43N,最小值44.15N,波動(dòng)范圍171.28N;質(zhì)量m3:壓力平均值120N,最大值224.11N,最小值6.54N,波動(dòng)范圍217.57N。圖5仿真結(jié)果顯示弓頭質(zhì)量小,受電弓運(yùn)行過程中,動(dòng)態(tài)接觸壓力的波動(dòng)范圍小,更有利于弓網(wǎng)之間的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性。3.1.3懸掛連續(xù)梁的撓度結(jié)果分析剛性懸掛供電網(wǎng)線的平整程度是受電弓穩(wěn)定受流的基本條件之一。要保證受電弓的穩(wěn)定受流,要求與受電弓接觸的供電網(wǎng)線滑動(dòng)面平滑順直,網(wǎng)線連續(xù)不平滑程度變化應(yīng)盡量小。供電網(wǎng)線的連續(xù)不平滑程度由懸掛剛體的撓度和剛度來決定,在匯流排定型的情況下,懸掛跨距增大導(dǎo)致供電網(wǎng)線撓度的增加,對(duì)受電弓的穩(wěn)定受流不利。因此,為了提高列車的運(yùn)營速度,必須減小剛性懸掛的撓度。圖6為不考慮隧道施工誤差和匯流排變形情況下,不同跨距對(duì)剛性懸掛連續(xù)梁跨內(nèi)撓度變化曲線。從圖6對(duì)比可看出,在行車速度和受電弓參數(shù)一定的情況下,跨距減小剛性懸掛網(wǎng)線的撓度也小,8m跨距時(shí)僅為3.5mm,當(dāng)跨距增加到10m時(shí),其撓度相應(yīng)增大至8mm以上,其不平滑程度將發(fā)生較大變化。雖然從表面上看6m跨距下擾度較小只有1.1mm,但如果考慮到剛性懸掛施工精度的要求和工程結(jié)構(gòu)、線路等因素的變化,6m跨距并不是最佳選擇,更何況6m跨距下的網(wǎng)線固有頻率過高,容易與受電弓固有頻率重疊導(dǎo)致共振離線發(fā)生。8m跨距情況下懸掛剛體的連續(xù)平滑度要明顯好于10m跨距,網(wǎng)線固有頻率較低,可以有效避開受電弓固有頻率,是一個(gè)較佳的選擇。網(wǎng)線跨距仿真示意圖如圖7所示。圖7中,受電弓弓頭剛度K值一定,網(wǎng)線懸掛跨距分別為6m、8m和10m?？缇郘=6m:壓力平均值120N,最大值224.02N,最小值16.43N,波動(dòng)范圍207.59N;跨距L=8m:壓力平均值120N,最大值207.55N,最小值17.94N,波動(dòng)范圍為189.61N;跨距L=10m:壓力平均值120N,最大值為241.61N,最小值-0.51N,波動(dòng)范圍為242.12N。圖7仿真結(jié)果顯示,在剛度一定的情況下,跨距為8m的網(wǎng)線更有利于動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)跟隨性。此外,從工程經(jīng)濟(jì)的角度考慮,在剛性懸掛設(shè)計(jì)時(shí),也推薦采用8m的跨距,可減少懸掛點(diǎn)數(shù)量和降低施工成本。3.2弓網(wǎng)固有頻率重疊為更好保證運(yùn)行過程中的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性,受電弓選型過程中,需避免受電弓固有頻率與網(wǎng)線固有頻率重合(或接近),從而避免產(chǎn)生共振。經(jīng)查相關(guān)資料及計(jì)算公式后可知:供電網(wǎng)線最高固有頻率約為5.5Hz。在列車加速過程中(速度0~120km/h),網(wǎng)線的固有頻率在0~5.5Hz之間變化。廣州地鐵3號(hào)線受電弓的固有頻率為5.2Hz,廣州地鐵3號(hào)線北延伸線受電弓的固有頻率約為3.6Hz。網(wǎng)線固有頻率是0~5.5Hz,與廣州地鐵3號(hào)線北延線受電弓頻率重疊,與老廣州地鐵3號(hào)線受電弓頻率在110km/h以上速度時(shí)也較接近。但老廣州地鐵3號(hào)線是3節(jié)雙弓,弓間距是27m不是6m的倍數(shù),雙弓出現(xiàn)同時(shí)離線的概率極小,所以實(shí)際運(yùn)營幾乎沒有燃弧;而廣州地鐵3號(hào)線北延線弓間距接近48m是6m的倍數(shù),雙弓恰好可能同時(shí)離線,尤其是在速度70~90km/h加速大電流區(qū)段,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)線固有頻率(3.3~4.2Hz)恰好與受電弓固有頻率3.6Hz重疊,弓網(wǎng)之間可能產(chǎn)生共振離線,因此廣州地鐵3號(hào)線北延線燃弧嚴(yán)重。網(wǎng)線的固有頻率隨著速度的增加而逐漸上升,受電弓的固有頻率只跟本身的特性剛度有關(guān),只要錯(cuò)開弓和網(wǎng)的固有頻率,就能有效地抑制共振。廣州地鐵3號(hào)線北延受電弓出現(xiàn)嚴(yán)重燃弧問題的原因之一可能是由于弓網(wǎng)固有頻率重疊導(dǎo)致共振離線。廣州地鐵3號(hào)線增購項(xiàng)目中,針對(duì)上述問題,廣州地鐵和南車株洲電力機(jī)車有限公司展開了聯(lián)合攻關(guān),從網(wǎng)線固有頻率的調(diào)整和受電弓固有頻率的優(yōu)化上著手,已成功解決了棘手的弓網(wǎng)燃弧問題。3.3受電弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性受電弓相關(guān)研究資料表明,為更好地提高受電弓弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)跟隨性,應(yīng)盡量減小受電弓運(yùn)動(dòng)桿件的質(zhì)量,特別是受電弓使用時(shí)與供電網(wǎng)線最接近的桿件,如上框架,質(zhì)量越小,越能夠更好地提高受電弓弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。4提高受電弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性1綜合考慮,對(duì)于剛性接觸網(wǎng)而言,采用8m的跨距可能比較合適。此時(shí),列車運(yùn)行時(shí)的