接觸軌與集電靴間的故障分析

接觸軌與集電靴間的故障分析

在6號(hào)線的調(diào)試過程中，廣州地鐵6號(hào)線出現(xiàn)了電鞋燃燒痕跡。背景如下。(1)2012年12月3日,接管潯峰崗站至坦尾站(不含坦尾站)四站五區(qū)間,并展開設(shè)備整治;(2)2012年12月8日,開始使用L型車列車在已接管區(qū)段進(jìn)行車輛、信號(hào)調(diào)試作業(yè);(3)2013年1月16日,列車在潯峰崗站渡線部分進(jìn)行調(diào)試時(shí)出現(xiàn)失電現(xiàn)象;(4)2013年1月20日,通過設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)際測(cè)試的方式,各部門合作測(cè)量劃定了潯峰崗渡線部分無電區(qū),并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)示,要求司機(jī)確認(rèn)區(qū)域采取措施通過;(5)2013年2月7日,車輛部門反映近期集電靴出現(xiàn)了較多疑似因拉弧打火造成的燒傷痕跡。1現(xiàn)場(chǎng)條件圖1、圖2為燒傷的集電靴圖片。以上是比較嚴(yán)重的地方;筆者現(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些,如圖3、圖4所示。2原因分析2.1接觸軌、國通過圖5可知集電靴的活動(dòng)情況,因接觸軌軌面在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)高為200±5mm,平行于鋼軌面,集電靴磨損在中間位置,若要摩損集電靴靠線路外側(cè)部分,需集電靴抬升了一定高度后靴面傾斜以一定角度與接觸軌軌面接觸才可能出現(xiàn)的(集電靴抬高在200~260mm之間)。接觸軌一般定位點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)高情況下是磨損不到集電靴外側(cè),線路上接觸軌只有進(jìn)出端部彎頭處符合相關(guān)條件。集電靴調(diào)整到位,首尾不存在高差的情況下,磨損痕跡如圖6所示。調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)的集電靴磨損痕跡相對(duì)是對(duì)稱的,集電靴外側(cè)部分是因?yàn)檫M(jìn)入端部彎頭從抬高260mm回到200mm時(shí)的痕跡。接觸形式如圖7所示,通過端部彎頭時(shí)集電靴僅有外側(cè)的一小塊接觸到接觸軌。位于集電靴外側(cè)的三角區(qū)域是集電靴與端部彎頭的“專屬”磨損區(qū)域,如圖8的圓圈內(nèi)。燒傷點(diǎn)在集電靴的外側(cè)前端(尾端),見圖3及圖4,可判斷打火點(diǎn)應(yīng)該是在端部彎頭處。在集電靴中部的燒傷點(diǎn)判斷在普通定位處,見圖1及圖2,燒傷痕跡比較大且聚集,排除滑動(dòng)中的燒傷,在車輛靜止時(shí)燒傷的可能性較大。2.1.1接觸軌的燒蝕端部彎頭處因集電靴(水平)與端部彎頭(坡度較大)的接觸時(shí)存在一定角度,無法保證足夠的接觸面積。持續(xù)取流會(huì)使取流點(diǎn)產(chǎn)生大量熱量,高溫將使接觸軌與集電靴出現(xiàn)不同程度的燒傷?；瑒?dòng)接觸中,集電靴始終是一點(diǎn)滑動(dòng)接觸,接觸軌位置一直變換,故一般集電靴燒傷程度要比接觸軌嚴(yán)重。在初始接觸和離開時(shí)產(chǎn)生電的弧對(duì)接觸軌、集電靴也有燒蝕。存在拉弧打火時(shí),接觸軌鋼帶會(huì)出現(xiàn)電蝕點(diǎn),接觸部分會(huì)出現(xiàn)程度不一燒傷痕跡。檢查發(fā)現(xiàn)確實(shí)有幾處燒傷是在端部彎頭處。2.1.2設(shè)備治理方面普通定位點(diǎn)均按照導(dǎo)高200mm,拉出值1510mm標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整,偏差均不超過±5mm。兩相鄰定位間的高差不超過3mm,確保在波動(dòng)范圍內(nèi)能夠以較小坡度平緩地過渡,保證集電靴對(duì)接觸軌有良好的跟隨性,不會(huì)在高速情況下出現(xiàn)離線現(xiàn)象。實(shí)際上已接管區(qū)段已進(jìn)行了多次設(shè)備整治,導(dǎo)高拉出值從驗(yàn)收前檢查至驗(yàn)收期間均進(jìn)行過復(fù)核。在接到故障情況的通知之后,隨即安排作業(yè)對(duì)在接觸軌的重點(diǎn)部位———端部彎頭及岔群區(qū)域定位點(diǎn)進(jìn)行了排查,導(dǎo)高拉出值均符合要求,排除該原因。2.1.3接觸軌進(jìn)行取電列車集電靴設(shè)計(jì)應(yīng)與軌面平行,保持水平狀態(tài),但實(shí)際會(huì)因安裝精度等因素影響造成集電靴存在偏角。存在偏角的集電靴在接觸軌水平的情況下可能出現(xiàn)無法以面接觸的方式從接觸軌進(jìn)行取電,造成和在端部彎頭處類似的情況。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)停車場(chǎng)中的車輛進(jìn)行了檢查,部分集電靴的偏磨現(xiàn)象比較嚴(yán)重。如圖1及圖4中的這類情況,集電靴首尾高差過大,運(yùn)行中僅較高那邊與接觸軌有接觸,另一邊與接觸軌磨耗痕跡很少。根據(jù)既有線經(jīng)驗(yàn),列車新的集電靴碳滑板可能會(huì)存在拉弧,特別是在站臺(tái)啟動(dòng)、通過端部彎頭等位置時(shí),在運(yùn)行一段時(shí)間后恢復(fù)正常。隨著集電靴運(yùn)行磨損中,會(huì)將本來存在傾角的靴面磨損至與接觸軌面大致平行,使得集電靴與接觸軌接觸面積增大,減少了拉弧打火情況的出現(xiàn)。2.2理論分析2.2.1溫升與其他變量的關(guān)系首先通過計(jì)算確定溫升受哪些因素影響。式中:Q———熱量,J;m———質(zhì)量;因研究的是大電流、小面積、短時(shí)間情況下出現(xiàn)的燒傷情況,這種情形散熱速率遠(yuǎn)小于溫升速率,故以下未引入散熱修正算式進(jìn)行校正。接觸面積大小與接觸部分溫升高低的關(guān)系如下:注:式(4)因電阻率與密度的符號(hào)均為ρ,為避免沖突,式(4)中密度(density)使用d表達(dá)。對(duì)于固定的某支集電靴而言,接觸材質(zhì)及接觸壓力等參數(shù)均確定,接觸軌與集電靴的外界條件相同,即公式中其它參數(shù)均相同,則還存在接觸面積S、電流I、接觸時(shí)間t3個(gè)變量。因?yàn)?個(gè)變量相互獨(dú)立,互不干擾,可以分別假設(shè)某兩變量恒定,計(jì)算剩下的單一變量變化時(shí)對(duì)溫升的影響。先從接觸面積對(duì)溫升的影響進(jìn)行研究,設(shè)定其它變量恒定,簡化其為常數(shù)Cs,則在t時(shí)間內(nèi)接觸面積大小與溫升關(guān)系為:從式(5)可知,其它參數(shù)相同時(shí),在時(shí)間t內(nèi),接觸面積大小與溫升成二次反比例關(guān)系。若接觸面積減小時(shí)溫升會(huì)呈二次函數(shù)形態(tài)提高,很容易達(dá)到接觸軌鋼帶和銅基碳滑板的金屬熔點(diǎn),造成接觸軌和集電靴的燒傷。故接觸面積大小是集電靴與接觸軌接觸是否良好的很重要的因素,之前3種經(jīng)驗(yàn)歸結(jié)起來均是與接觸面積相關(guān)。再對(duì)電流對(duì)溫升的影響進(jìn)行研究,設(shè)定其它變量恒定,簡化其為常數(shù)CI,則在t時(shí)間下電流強(qiáng)度大小與溫升關(guān)系為:由式(6)可知,其它參數(shù)相同時(shí),在時(shí)間t內(nèi),溫升與電流強(qiáng)度大小成二次正比例關(guān)系。牽引系統(tǒng)中,接觸軌電壓維持1500V左右,可將牽引供電系統(tǒng)近似視為恒壓系統(tǒng),電流強(qiáng)度變化可視為負(fù)荷大小變化。從式(5)、式(6)可推斷,大電流、小面積情況下,t與溫升成正比關(guān)系。在固定時(shí)間t內(nèi),接觸面積、電流強(qiáng)度兩條件主導(dǎo)決定接觸點(diǎn)處的溫升。溫升除以時(shí)間,便是溫升速率,即接觸面積、電流強(qiáng)度兩條件主導(dǎo)決定接觸點(diǎn)處的溫升速率。接觸面積越小,電流強(qiáng)度越大,溫升速率越大,一定時(shí)間內(nèi)的溫升也越大。在溫度不斷升高的過程中,散熱速率也會(huì)隨之提高,從無法忽視其影響,直至溫升速率等于散熱速率,式(6)中變量變化均無法再提高溫度,可以理解為該類熱現(xiàn)象的極限溫度。但在我們研究的燒傷現(xiàn)象中溫度小于極限溫度,即使達(dá)到極限溫度,僅僅是溫度無法繼續(xù)提高,但是對(duì)集電靴與接觸軌的燒傷效果仍然存在。2.2.2接觸系統(tǒng)的選擇電弧是由于絕緣擊穿,形成放電通道的一種放電現(xiàn)象,電弧是十分容易產(chǎn)生的,電路電壓不低于10~20V,電流不小于80~100mA,分合回路時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電弧。理想狀態(tài)中直流1500V,電流為1500~2000A的電弧,可拉長至2m仍然可繼續(xù)燃燒不熄滅。交流系統(tǒng)產(chǎn)生的是交流電弧,電弧可在過零點(diǎn)時(shí)熄滅,小于擊穿間隙即可恢復(fù)絕緣。直流電因不存在交變,電弧不過零點(diǎn),故直流電弧自持性更強(qiáng),比交流電弧難以熄滅。除了高速動(dòng)作的觸頭外,直流高壓斷路器一般都有配備熄弧裝置,如利用吹弧來冷卻電弧減弱熱游離,通過滅弧柵等措施迅速拉長電弧,加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合和擴(kuò)散,把弧隙中的帶電粒子吹散,達(dá)到迅速恢復(fù)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的目的。在集電靴與接觸軌的接觸過程中,集電靴與接觸軌的分離過程可以視為直流高電壓、大電流開關(guān)過程,若出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象時(shí),并不像直流斷路器一樣設(shè)置有效措施來保證能夠熄滅電弧,只能通過電弧產(chǎn)生的氣流流動(dòng)或機(jī)車的運(yùn)動(dòng)來熄滅電弧。在靜止情況下集電靴與接觸軌出現(xiàn)拉弧會(huì)有比較嚴(yán)重的后果。2.3端部彎頭損傷2月17號(hào)晚,在潯峰崗渡線的端部彎頭處發(fā)現(xiàn)了多處較為明顯燒傷點(diǎn)。全線排查發(fā)現(xiàn),端部彎頭燒傷的現(xiàn)象,有很多典型的打火燒傷現(xiàn)象。圖9及圖10是截取了同一個(gè)端部彎頭處兩段不同位置的燒傷。燒傷點(diǎn)除了全部是在端部彎頭處之外,還有另一點(diǎn)共同點(diǎn)是發(fā)生在進(jìn)出無電區(qū)的端部彎頭。2.3.1集電鞋與接觸軌的連接端部彎頭一般設(shè)在牽引變電所車站進(jìn)站前的防淹門、人防門處,或渡線、正線區(qū)段部分因曲線半徑小于300m而無法布置膨脹接頭的地方。這些端部彎頭處并不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的拉弧現(xiàn)象,因?yàn)檫@類地方列車牽引負(fù)荷一般都不大,進(jìn)站時(shí)列車是惰行的狀態(tài),普通渡線處列車也多是利用慣性低速通過。接觸軌的布置對(duì)線路限界考慮較多,在潯峰崗岔群處因空間限制,造成道岔、斷口密集布置也就產(chǎn)生了無電區(qū)。在進(jìn)出無電區(qū)時(shí),整輛機(jī)車僅有一處集電靴能與接觸軌相接觸,而出無電區(qū)時(shí)與端部彎頭接觸時(shí)集電靴僅僅只有很小一塊能夠進(jìn)行導(dǎo)流,且需要承擔(dān)全車負(fù)荷,故在無電區(qū)端部彎頭處更容易出現(xiàn)電燒傷現(xiàn)象(見圖11)。廣州地鐵6號(hào)線列車是AB-BA的4節(jié)編組形式,每對(duì)AB車左右兩邊各有兩支集電靴,共4支,整車共8支。同一對(duì)AB車間集電靴是相互連通的,即一個(gè)靴受電,其它3個(gè)靴也會(huì)帶上電。兩對(duì)AB車之間的高壓牽引部分相互獨(dú)立,低壓部分是相連通的。第一種情況,集電靴通過端部彎頭時(shí),其所在的同一對(duì)AB車上有其它集電靴與接觸軌接觸,使得該集電靴進(jìn)出端部彎頭時(shí)需要分合的負(fù)荷,承受的壓差并不會(huì)太大。第二種情況,在非進(jìn)出無電區(qū)端部彎頭時(shí),存在單個(gè)斷口大于29.82m的情況,斷口間可以有機(jī)車接觸不到的接觸軌。AB車的某集電靴進(jìn)出該段接觸軌時(shí),該AB車上沒有其它集電靴與接觸軌相連,但另一對(duì)AB車還有集電靴與接觸軌相連,可以分擔(dān)低壓負(fù)荷。通過端部彎頭處的集電靴需要分合的是其所在AB車的牽引負(fù)荷,且分開后對(duì)接觸軌壓差上升為鋼軌與接觸軌間壓差。第三種情況,在進(jìn)出無電區(qū)端部彎頭時(shí),最后一個(gè)與接觸軌接觸(分開)的集電靴承載了其所在AB車的牽引負(fù)荷以及整列車的所有低壓負(fù)荷,在端部彎頭處通過極小的接觸面與接觸軌接觸,集電靴進(jìn)出無電區(qū)處的端部彎頭時(shí)分合整車負(fù)荷,壓差為鋼軌與接觸軌壓差。故進(jìn)出無電區(qū)處的端部彎頭容易出現(xiàn)燒傷,進(jìn)出過程中易出現(xiàn)拉弧、打火?？梢詮谋?直觀地看到集電靴進(jìn)出不同區(qū)域端部彎頭時(shí)的區(qū)別。無電區(qū)一直存在,為什么之前沒有出現(xiàn)相關(guān)情況?拉弧打火現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間,發(fā)現(xiàn)在與供電相關(guān)的事件之后———?jiǎng)澏o電區(qū),這二者有什么關(guān)系呢?期間未改變?nèi)魏卧O(shè)備情況,僅僅在線路上標(biāo)出了無電區(qū)的大概位置并設(shè)置標(biāo)示。原因是劃定了無電區(qū)后采取的“措施”。在劃定無電區(qū)域之后,部分司機(jī)為順利通過無電區(qū),在看到無電區(qū)域標(biāo)識(shí)后便加速通過,增大了機(jī)車牽引負(fù)荷,最后一處集電靴與端部彎頭接觸時(shí)(導(dǎo)高200~260mm部分)在小接觸面大取流的情況下,接觸軌鋼帶、集電靴均會(huì)留下了電蝕、燒傷痕跡,如圖9及圖3所示。同時(shí)在離開(進(jìn)入)接觸軌時(shí)(導(dǎo)高260mm至離開接觸軌端部彎頭),集電靴與接觸軌需要分合更大的負(fù)荷,集電靴與接觸軌便出現(xiàn)更嚴(yán)重的拉弧打火現(xiàn)象,如圖10所示,此時(shí)集電靴與接觸軌已經(jīng)無接觸,但因是分合大負(fù)荷,間隙拉出嚴(yán)重的電弧,對(duì)接觸軌造成了電灼傷。這并不是“突然”出現(xiàn)大規(guī)模嚴(yán)重的拉弧打火現(xiàn)象,而是將原本就存在的缺陷,放大并體現(xiàn)出來了。進(jìn)出無電區(qū)時(shí),端部彎頭處集電靴與接觸軌接觸面積較小,集電靴與接觸軌需要分合全車負(fù)荷,很難避免集電靴與接觸軌之間產(chǎn)生燒傷乃至拉弧打火。在劃定無電區(qū)之后,司機(jī)采取提速通過無電區(qū)的措施增大了機(jī)車取流,加劇了集電靴與接觸軌燒傷的現(xiàn)象。2.3.2集電鞋受電弓與接觸網(wǎng)的轉(zhuǎn)換除了端部彎頭外,還有一處涉及到集電靴與接觸軌分合的地方———轉(zhuǎn)換軌。在轉(zhuǎn)換軌區(qū)段,機(jī)車停車進(jìn)行降弓升靴或降靴升弓,對(duì)取流方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,也就涉及到集電靴(受電弓)與接觸軌(接觸網(wǎng))的分(合)。圖12是在出段線列車停車降靴的位置,接觸軌上有拉弧的痕跡。存在低壓大負(fù)荷時(shí)(空調(diào)等)進(jìn)行降弓、降靴操作,無異于帶負(fù)荷分合無滅弧息弧裝置的開關(guān),存在很大的危險(xiǎn)性,造成接觸軌(網(wǎng))與集電靴(受電弓)間出現(xiàn)明顯打火甚至長達(dá)十幾秒的拉弧現(xiàn)象,在接觸軌(網(wǎng))、集電靴(受電弓)上留下明顯的燒傷痕跡。降弓情況下對(duì)接觸線的燒傷,如圖13所示。2.3.3損傷點(diǎn)的類型根據(jù)以上的判定方法來分析其它幾張圖片原因。(1)圖1中的集電靴磨損痕跡可以看到明顯存在偏磨,該集電靴有一邊翹起,其燒傷點(diǎn)的位置偏向集電靴中部而未存在三角區(qū)內(nèi)。根據(jù)燒傷點(diǎn)的形式判斷,應(yīng)該是點(diǎn)接觸大電流造成的。在較長時(shí)間停車取流或者帶大負(fù)荷降靴升弓均可能出現(xiàn)這種情況,此時(shí)負(fù)荷多是以空調(diào)負(fù)荷為主的低壓負(fù)荷。(2)圖4中集電靴上痕跡較小,且多處均呈圓點(diǎn)狀,且周圍并沒有接觸磨損的痕跡,判斷其原因?yàn)榧娧ヅc接觸軌端部彎頭接觸前(離開時(shí))間隙放電的電弧燒傷造成的。與圖10中的情況相對(duì)應(yīng),電弧擊傷在接觸軌鋼帶上留下的凹坑狀熔痕,可以看到接觸軌上并沒有集電靴摩擦滑過的痕跡。3問題的提出與分析方向集電靴偏磨會(huì)造成打火,端部彎頭處也時(shí)常有打火現(xiàn)象;導(dǎo)高拉出值等參數(shù)調(diào)整不到位也會(huì)導(dǎo)致火花,出站時(shí)也可能出現(xiàn)有打火現(xiàn)象……在長久的運(yùn)營過程中我們總結(jié)了大量的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),也遇到了很多無法用“經(jīng)驗(yàn)”解釋的事情,若是缺乏總結(jié)鉆研,不假思索把故障原因往“經(jīng)驗(yàn)”上套,盲