磁浮列车在通过动力轨断头处产生拉弧问题的研究

磁浮列车在通过动力轨断头处产生拉弧问题的研究

郏春华

上海上电电力运营有限公司上海201204

摘要：作为目前国际上最先进的交通工具，上海磁浮列车时速最高可达430km/h。列车高速运行时一直处于悬浮状态，但是车辆的工作用电由车辆蓄电池提供，电池充电由动力轨装置提供。由于一些人为或者自然因素存在，导致列车集电靴与动力轨电流采集母排之间发生拉弧现象，缩短车辆的使用寿命。本文讨论列车在运行过程中拉弧的产生原因及减少拉弧的建议措施。

关键词：集电靴；导电轨；拉弧现象；动力轨断头；磁浮列车

1.1动力轨概况

上海磁浮示范线动力轨系统包括4个主要区域，每个区域最大供给电流为12000A,列车时速一般在100km/h以下，列车自动放下集电靴与动力轨母排接触，开始为车载蓄电池充电，以提供悬浮动力。动力轨之间最大间隙长度为100mm，以避免局部过流。动力轨间隙的压降应尽可能小，最好为零点位区。如果车辆从动力轨有电区移向动力轨无电区，就不能避免拉弧的发生。因此车辆通过相邻动力轨段时，两相邻动力轨段必须均带电，绝对不允许从有电区驶向无电区。

1.2动力轨产生拉弧现象及其原因分析

图1-1为磁浮列车集电靴基本原理图。每节列车并联连接了2个集电靴，相距约为6m。集电靴长度为290mm，完全可以覆盖相邻动力轨段的间隙长度（最长距离为100mm）。通过集电靴电缆连接每节列车的2个并联集电靴，由此电缆为列车递升变频器供电。当列车时速达到约为100km/h时，列车所需的电源即可由线性发电机提供，可收起动力轨集电靴，停止动力轨供电。

图1-1车辆供电系统

在试运行过程中，发现磁浮列车的集电靴和动力轨之间因接触不良而导致拉弧的不良现象，分析其主要原因有以下三种情况：

A.集电靴滑板和导电轨之间接触不良导致拉弧现象。

B.集电靴过道岔和绝缘关节时，由于导电轨断开和绝缘分段设置，因存在电压差，出现滑板和导电轨之间拉弧现象。

C.导电轨本身锈腐蚀或存在污点也可能引发拉弧现象。

2轨道拉弧的原因分析及建议措施

2.1关于集电靴滑板和导电轨之间接触不良产生的拉弧问题

2.1.1产生原因和现象

A.动力轨施工调整精度不够，集电靴滑板和导电轨之间接触不良。

B.列车运动过程中，集电靴滑板和导电轨间出现瞬时脱离（离轨）。

C.轨道梁（特别是道岔处的钢梁）由于磁悬浮的运动，产生的震动引起集电靴和导电轨“共振“从而导致集电靴和动力轨瞬时脱离（离轨）。

2.1.2简要分析和建议措施

A.从提高受流质量的要求上，要求集电靴滑板和导电轨接触稳定，由于是“面面”接触受流，要求导电轨具有精确的安装精度，保证导电轨平整度和集电靴滑板接触稳定。因此，需要尽量高的确保动力轨的施工调整精度。

B.列车运行过程中，集电靴滑板和导电轨可能出现瞬间的脱离，这种现象发生的几率很小，可以理解是在受流质量要求的范围之内。根据国外刚性悬挂受流的检测数据分析，其离线率在3%之内是可以接受的，但应进一步研究电轨的刚度等力学特性。

C.动力轨和钢梁一体安装，磁浮列车振动通过集电靴和导电轨同时振动，从现场来看，振动过程中发生了拉弧现象，主要原因是车体振动频率和钢梁及动力轨的振动频率不能同步的原因。

2.2关于导电轨本体的锈蚀和有污斑引发的拉弧的问题

2.2.1产生的原因和现象

A.导电轨表面锈蚀引起集电靴与轨之间接触电阻增大，受流不畅，由于锈蚀造成集电靴对锈蚀处的放电和拉弧。

B.导电轨表面有污斑，不仅造成接触电阻增大，当集电靴通过是将成为一个“高阻抗体”而为拉弧的导引点。

2.2.2简要分析和建议措施

A．虽然采用钢铝复合导电轨，导电轨的接触面为不锈钢带，但从现场的观测来看，不锈钢带表面确有锈蚀的痕迹。目前，尚不能确定锈蚀的主要原因，通过对已经应用在地铁第三轨供电的复合导电轨的了解情况来看，应着重深入研究。

B．导电轨表面有污斑主要是设备制造、运输和施工过程中可能留下的。从广州地铁二号线汇流安装施工中，这种现象也曾发生过，也造成了受电弓的拉弧。对此问题，应加强导电轨制造和施工安装的清洁要求，确保集电靴良性受流。

3消弧效果分析和建议

3.1道岔和绝缘关节处拉弧的原因分析

由于动力轨在道岔处为适应活动的转辙要求，设置辅助线和正线间动力轨间隙（间隙一般为40～60CM）,同时为了满足电分段要求，在两段动力轨间设置有绝缘关节，其间一般为100MM。动力轨是在列车低速运行时向磁悬浮列车提供电能的供电设备。磁悬浮列车通过具有弹性的集电靴从动力轨上获取电流，保证磁浮列车车内用电的需求。在道岔和绝缘关节两侧，将动力轨自身电阻的存在，必然在动力轨分段处两端存在一定的电位差，当电压差越大，则磁悬浮列车集电靴通过间隙，由一段动力轨进入另一段动力轨时，产生的电弧现象越严重。

3.1.1对道岔和绝缘关节处拉弧问题进行处理的措施

道岔和绝缘关节处增加与动力轨的并联点。

轨旁变电所的设置，应尽量靠近道岔和绝缘关节处，通过DC800V馈出电缆就近与绝缘关节两端相连，以减少断口处的压降。

当轨旁变电所已设置完成后，将引自动轨旁变电所的出线DC800V电缆在道岔和绝缘关节处两端增加与动力轨的并联点，以降低道岔和绝缘关节处两端的电位差，从而可以减少磁悬浮列车道岔和绝缘关节处的拉弧现象。采用此方法时，需要在道岔和绝缘关节处增加较多的连接电缆及连接件。

3.2加设动力轨小段和二极管后，磁浮列车集电靴和动力轨间的受电分析

由于在改进后的动力轨布置中，增加了具有单向导通的二极管装置，并且在道岔和绝缘关节处增加了一小段约6.8m的动力轨，且每段磁浮列车车体由两组并联受电的集电靴构成，其间距为6.5m。虽然在道岔和剧院关节两侧的动力轨电位不一致，但是当两集电靴从动力轨一小段通过道岔和绝缘关节滑行到动力轨另一小段过程中，其中动力轨电位较低段的二极管将出现反向截止，使两小段动力轨的电位始终保持在电位较高段的动力轨的水平，且保持一致，这就避免了集电靴通过道岔和绝缘关节处瞬间产生穿越电流的可能性，集电靴与动力轨间不会由于切断穿越电流而产生了打火花现象，消除了对间隙端部复合导电轨的灼烧问题。

但要注意由于动力轨中流过的负荷较大，在二极管选型时，应合理的选用设备参数，保证动力轨系统运行的安全性和可靠性。

在设备运行过程中，当二极管有损坏（开路和短路）时，在动力轨处将会造成更大的拉弧现象。

4结语

综上所述，由于工艺及设计上的问题，在动力轨断头处拉弧是很难避免的，目前磁浮运营线已在多处动力轨断头处加装了二极管，多年运行下来未发生拉弧现象。故在今后如有新线路建设的话，可以考虑整条轨道均架设连贯的动力轨母排，消除间隙。虽然成本会上升，但从安全性上考虑还是值得一试的。

参考文献

[1]磁悬浮轨道设计Siemens相关资料

[2]磁悬浮牵引供电系统Siemens相关资料

[3]磁悬浮动力轨技术规程Siemens相关资料

[4]磁悬浮列车技术规范Siemens相关资料