地铁架空刚性接触网弓网系统运行特征分析

工作带来巨大的工作量和安全压力。为此，通过专业的检测方法，主动获得各条线路的弓网系统运行特征，进而指导弓网系统优化工作并据此制定针对性维修策略，对于保障地铁线路架空刚性接触网弓网系统安全可靠运行、提高维修效率，显得尤为重要。

1 系统结构特点

受电弓与架空刚性接触网在电气和机械方面相互依赖、相互制约、相互作用，其各自的特征共同构成了弓网系统的运行特征。

1.1 架空刚性接触网

架空刚性接触网因其结构简单零部件少、接触线无张力、无需下锚装置及无断线隐患、载流量大、维修工作量小、事故影响范围及恢复时间短等特点，被广泛地应用于地铁线路隧道内[1-2]。并且，由于“Π”型刚性汇流排具有刚度性能好、维修及施工成本低的优点，在我国地铁线路被广泛应用，其门型结构刚性悬挂断面结构如图1所示，包括T型螺栓、悬吊槽钢、绝缘子、定位线夹等部件。为了使受电弓滑板在工作范围内磨耗均匀，汇流排需设置拉出值，但由于匯流排刚度较大，其平面布置通常采用“S”形布置形式，但也包括“V”形或三角形等布置形式[3-5]。为满足电气及机械方面要求，刚性接触网的纵向结构包括锚段、锚段关节、线叉、刚柔过渡等。但与柔性接触网悬挂不同，刚性接触网的锚段关节除包括断口式锚段关节外，还包括由膨胀元件（图2）构成的贯通式锚段关节，主要用于改善高速区段的弓网关系[2]。由于其结构存在双支或3支接触线重叠，故其结构与受电弓滑板之间的空间位置关系成为影响弓网关系的关键。

1.2 受电弓及车辆运行模式

架空刚性接触悬挂对受电弓的要求相对于柔性接触网更高。为保证良好的受流质量，车辆在正常工作时受电弓必须具有良好的跟随性及黏着性，使受电弓在列车振动时能保持与刚性悬挂接触线的良好接触，实现电能从接触线到受电弓滑板的可靠传输[1]。我国地铁受电弓均采用单臂受电弓，但不同生产厂商生产的受电弓在结构、材料、工作范围等方面均存在差异，造成不同型号受电弓动态性能差异较大并影响其与刚性接触网的运行质量[4]。

地铁线路电压较低，牵引电流较大，为了满足弓网系统的载流要求，地铁车辆运行时通常采用2架甚至3架受电弓同时升弓运行。同时，由于地铁线路站间距设置较短，为了提高运输效率，列车在区间运行时速度不断提高，使得地铁车辆在出站区段运行时启动加速度短时集中增加，引起列车牵引电流短时激增，如图3所示，造成牵引电流在地铁线路及区间分布差异显著，进而影响弓网系统的载流磨耗速度，使接触线磨耗分布不均匀，给运维工作带来极大压力。

2 系统运行特征及形成原因分析

2.1 刚性接触网平面布置形式对弓网关系的影响

2.1.1 对受电弓滑板磨耗廓形的影响

由于汇流排刚度较大，刚性接触网无法实现柔性接触悬挂“之”字形平面布置，即其平面布置均匀分布程度并不理想。目前，我国地铁线路刚性接触网单个锚段主要以“S”形和“八”字形平面布置为主，其中“S”形布置又分为“一次过零”布置和“三次过零”布置等，其平面布置及其分布特征统计如图4a～图4c所示[5-8]。可以看出，除“八”字形布置方案其拉出值分布相对较均匀外，“一次过零”和“三次过零”S形平面布置在±100 mm或±200 mm位置处存在集中分布的特征。

由于接触线在水平横向空间位置分布的差异，使得受电弓滑板通过时，接触线与滑板不同位置发生接触摩擦的机率不同，造成滑板不同位置的磨耗量存在差异，滑板磨耗形状不均匀[6-8]。不同平面布置形式的刚性接触网由于拉出值分布特征不同，其对受电弓滑板不同位置磨耗贡献程度也不同。同时，受线路条件限制以及汇流排伸缩需要，通常1条线路由1种或者多种平面布置形式组成，其占比不同又进一步影响受电弓滑板磨耗分布，并形成最终的滑板磨耗廓形。如图4d所示为某地铁线路全线动态拉出值分布统计，图4e为该线受电弓滑板磨耗廓形，可以看出全线动态拉出值分布特征不仅包含了以上3种平面布置特征，同时滑板磨耗形状与全线动态拉出值分布特征高度一致，可见受电弓滑板磨耗廓形是全线不同平面布置形式综合作用的结果。

2.1.2 受电弓滑板磨耗廓形与接触网结构之间的空间位置匹配

由于受电弓滑板与刚性接触网磨耗后其磨耗分布不均匀，并且接触网各结构形式（如锚段关节、膨胀元件等）都有自身特定的平面布置特征，当受电弓滑板滑过时，受电弓滑板磨耗廓形与接触网结构之间的空间位置关系成为影响弓网关系的关键。如图5所示，若二者之间空间位置不匹配，就会造成弓网关系恶化，形成硬点、燃弧等，并烧蚀破坏接触网结构及受电弓滑板，严重影响弓网运行安全。如图5a所示，我国某地铁线路膨胀元件与受电弓滑板空间位置不匹配，导致受电弓滑板磨耗后在滑板中心-30 ～30 mm区域形成2.4 mm凹槽，使得滑板通过膨胀元件时膨胀元件辅助导线高度低于对应位置滑板高度，造成滑板通过膨胀元件时持续出现撞击，使弓网关系恶化，引起打弓、膨胀元件烧蚀等严重故障[5-8]，如图5b、图5c所示。

2.2 接触线磨耗分布不均匀现象普遍存在

无论是刚性接触悬挂还是柔性接触悬挂，弓网系統运行都是在复杂大气环境作用下多场（复杂应力场—电场—热场等）耦合作用的复杂载流摩擦磨损过程。其磨损机理主要包括以磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损为主的机械磨耗和以电离子转移、电弧熔融喷溅为主的电气磨耗[9-10]。相关研究表明，在接触线和受电弓滑板材料一定的前提下，机械磨损和电气磨损主要与弓网接触力和牵引电流有关[11-15]。同时，在刚性接触网平顺性满足要求的前提下，弓网接触力主要与运行速度有关，大量仿真和现场试验测试结果表明，传统架空刚性接触网最高运行速度能够满足120 km/h运行要求，通过优化跨距及安装弹性线夹等措施，其最高运行速度能够满足250 km/h运行要求[12-14]。可见，刚性悬挂接触线的载流磨损分布主要与列车牵引电流分布特征有关。

由于地铁车辆牵引电流大，且在出站区段短时激增，使得地铁线路刚性悬挂接触线在出站加速区段磨耗严重，而在区间非加速区段磨耗较轻[15]。图6为我国某地铁线路各区间接触线磨耗严重位置分布统计图，全线共计27个区间，接触线严重磨耗位置主要分布在出站第1～5个锚段，该特征与车辆牵引电流分布特点（图3）相一致;其中，区间16和区间20由于区间距离较大导致其加速区间较长，故其磨耗严重位置向后延伸了几个锚段。并且，该分布特点已在我国多条地铁线路得到验证。

3 检测方法

虽然刚性接触网弓网系统运行特征具有一定的普适性，但由于各条线路平面布置形式、线路条件、车辆功率、列车运行方式、受电弓型号等存在差别，因此不同线路刚性悬挂弓网系统的运行特征又彼此之间存在差异。通过一定的检测方法，准确获取弓网系统的运行特征，对于优化弓网系统运行状态、制定针对性维修策略、保证弓网系统安全稳定运行极为关键。

3.1 检测要求

3.1.1 接触悬挂平面布置

由受电弓滑板磨耗形成机理可知，接触网平面布置影响滑板磨耗形状。但由于车体晃动量和受电弓横向摆动量带来的影响，接触线相对于受电弓滑板中心的水平空间位置（即动态拉出值）与其相对于线路中心的水平空间位置（即静态拉出值）不同，故通过测量接触线静态拉出值分布特征无法准确获取受电弓滑板磨耗形状，需测量动态拉出值。同时又由于不同车辆、以及相同车辆在不同载荷和运动速度下，相同线路位置的接触线相对于受电弓滑板中心水平横向位置不同，为准确获取运营车辆受电弓滑板磨耗形状，检测装置需能够准确测量运营车辆受电弓中心与接触线的水平横向位置关系。通过测量运营车辆在各种载荷工况下的全线接触线动态拉出值数据，统计其分布特征，从而较为准确的测量运营车辆受电弓滑板磨耗值。相关检测参数包括接触线高度、拉出值、导线水平间距、导线垂直间距、里程、速度，其中接触线高度、导线水平和垂直间距的测量有助于实现锚段关节、线叉及等双支接触线高区段长度的测量，使滑板磨耗形状测量更加准确。

3.1.2 接触线磨耗分布

刚性悬挂接触线的载流磨损分布主要与牵引电流分布有关。因此，通过测量运营车辆牵引电流的分布参数能够较准确获得接触线磨耗分布特征。但根据载流磨损机理可知，在弓网材料一定的前提下，载流磨损的主要影响因素为弓网接触力、牵引电流、燃弧[11-15]。为实现弓网系统优化，需同时对弓网接触力、网流、燃弧时间、燃弧率、里程、速度等参数进行测量。

3.2 检测装置

目前，地铁线路接触网检测装置主要包括：接触网激光测量仪、接触网检测车和车载弓网检测装置，用于日常刚性接触网运行维护，其各自的特点及局限性如表1所示。从表中分析可知，现有接触网检测装置无法满足架空刚性接触网弓网系统运行特征的测量要求，需要设计专门的检测装置。

由于刚性接触网弓网系统运行特征可通过现场试验测量获取，因此，中国铁道科学研究院集团有限公司于2016年自主研发了1套基于地铁运营车辆的接触网检测系统。如图7所示，检测装置由几何参数检测子系统和弓网动态作用参数检测子系统以及数据集成处理系统组成。其关键检测组件包括：高速激光相位扫描仪、二维接触压力传感器、硬点传感器、导高传感器、接触网电压传感器、火花传感器以及高压侧信号采集处理装置、光信号隔离传输装置、供电隔离变压器等。具有检测项目齐全、测量精度高、模块化、集成度高、便于拆装等特点，满足120km/h检测速度要求，其测量技术指标如表2所示，能够满足地铁弓网系统运行特征测量要求。该装置已在国内多条地铁线路运用检测，为地铁刚性悬挂弓网系统的优化提供了有力的技术和装备支撑。

4 结束语

在刚性接触网结构与地铁车辆及其行车组织等特征的共同作用下，地铁架空刚性接触网平面布置形式对弓网关系影响严重，接触线磨耗分布不均匀现象普遍存在，给弓网系统安全可靠运行及运维带来一定压力。本文提出在地铁运营车辆加装专业检测装置，更全面地获取刚性接触网弓网系统动态运行参数，实现对不同线路运行特征的获取，为刚性接触网弓网系统的优化设计及运维策略的制定提供依据。

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收稿日期 2019-06-14

责任编辑 宗仁莉

Analysis of performance characteristics of metro rigid overhead contact system and pantograph-overhead contact wire

Sheng Liang， Zhao Lifeng， Zhang Wenxuan， et al.

Abstract： By analyzing the structural characteristics of rigid overhead contact system and the pantograph and vehicle operation mode of metro vehicles， this paper pointes out that the plane layout of rigid overhead contact system has a serious impact on the pantograph- overhead contact wire interface， and the phenomenon of uneven distribution of contact wire wear is commonly seen， and it analyzes its causes and effects. Based on the limitations of existing overhead contact system inspection devices for metro lines， an overhead contact wire inspection system for metro operating vehicles is developed. By installing specialized inspection devices for metro operational vehicles， parameters of pantograph and overhead contact wire operation characteristics are acquired， providing optimal design of rigid overhead contact system and pantograph and overhead contact wire for different lines and basis for the formulation of operation and maintenance strategies.

Keywords： metro， rigid overhead contact system， pantograph-overhead contact wire interface， wear patterns， dynamic inspection

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