苏州轨道交通5号线列车降弓拉弧问题分析

苏州轨道交通5号线列车降弓拉弧问题分析

杨航,徐永江

苏州市轨道交通集团有限公司，苏州 215000  江苏经纬轨道交通设备有限公司，苏州 215000

摘　要：城市轨道交通线路弓网关系的稳定与否直接影响着电客车的受流质量与设备安全。本文针对苏州轨道交通5号线列车库内静态调试过程中出现的一起降弓拉弧事件，通过建立数学模型，对电弧的伏安特性曲线与电弧能量进行了定性分析，为电客车降单弓不产生拉弧提供了理论依据。同时结合列车依次在降前、后受电弓工况下辅助供电系统的运行逻辑，判断出降后弓时的拉弧原因，并提出了有效的解决方案。

关键词：城市轨道交通弓网拉弧 电弧能量 伏安特性

1 引言

近些年来，城市轨道交通以其快速、舒适、准时等诸多优点成为越来越多人首选的出行方式[1]。地铁电客车通过安装在顶部的受电弓与线路接触网之间的电接触来获取电能，从而维持列车的牵引系统以及辅助供电的正常运转[2]。稳定的受流过程依靠于受电弓与接触网的良好接触，保证电客车可靠、安全、不间断的运行。

弓网关系是受电弓与接触网相互作用关系的简称，是业内目前研究的热点问题之一[3,4]。当弓网出现离线，即受电弓与接触网瞬时分离、断续式接触时，会出现拉弧打火现象。产生的电弧可以烧蚀受电弓滑板与接触线，造成受电弓滑板与接触线表面出现凹坑、金属氧化膜，进而劣化弓网系统的电接触性能[5]。根据列车的运行状态，可以将弓网电弧分为运动电弧与静止电弧两类。运动电弧是弧根一直在受电弓滑板与接触线表面移动的电弧，对受电弓碳滑板和接触网的烧蚀程度相对较轻；静止电弧的弧根静止于接触线和受电弓滑板表面，因此对接触线和受电弓滑板的烧蚀程度较为严重[6]。当列车停在站内或库内进行降弓操作时，产生的降弓电弧属于静止电弧。因此，研究如何规避降弓拉弧对于保护受电弓、接触线，指导实际降弓操作以及优化列车辅助供电系统控制逻辑都具有重要意义。

2 降弓拉弧打火情况简介

苏州轨道交通5号线采用的是6节编组“四动两拖”结构的B型电动客车，两节MP车顶部各安装一套QG-120型气动受电弓，具有较好的自身稳定性和弓网跟随性。每个弓头上安装有2条浸金属材质碳滑板。

检修库零轨为刚性悬挂（采用PAC110汇流排+150截面接触线），可承受580A（95℃）静态电流，硬度大于 120HB。

2020年9月2日，5号线1列车停于检修库零轨进行预验收，在开展远程升降弓指令试验时，MP2受电弓降弓后发生明显拉弧打火现象。登顶检查发现碳滑条、接触线表面均有明显灼烧痕迹，如图1所示。列车故障记录显示故障时间段整车辅助供电系统连续报网压缺失。现场重做远程降弓试验并调看软件数据，发现远程模式下列车网络系统发给辅助供电系统的降弓信号为5s的脉冲信号。

图1  列车降弓拉弧后接触线灼伤情况

3  降弓拉弧原因分析

3.1  降单弓的电流

苏州轨道交通5号线每车配置两台辅助变流器，单台辅助变流器的额定容量为三相逆变240kVA、充电机24kW，功率因数PF=0.85，额定输入电压1500V，整机效率0.91。

静态工况下，只考虑弓网回路接辅助变流器情况，辅助变流器满载工作时整车两个受电弓每个受电弓流经的电流为：

3.2  电弧定性分析

地铁弓网电压为1500V直流，受电弓与弓网的拉弧为直流拉弧问题，降弓时的等效电路如下：

图2  列车降弓等效电路图

上图中Ui为弓网网压，R是弓网与辅助变流器组成的电路的线路电阻，L是线路电感，Ia是电路电流，也是直流电弧电流，Ua是电弧电压。

稳态下的电路方程为：

             (1)                                           

电弧伏安特性呈现非线性的负阻抗特性，电弧电流越大，电弧电压越小。

假设降弓时出现电弧，根据基尔霍夫电压定律，电弧动态电路下有：

转换可得：

             (2)

将公式(2)得到的电弧动态伏安特性曲线1(黑色)与公式(1)得到的直流负载线（红色）绘制在一起可得图3如下：

图3  电弧动态伏安特性曲线与直流负载线

从图3可以看出，将电弧动态伏安特性曲线与直流负载线有两个交点，分别是点1和点2，只有这两个点才可能是直流电弧稳定燃烧的工作点。

点1的左侧，即区域I，电弧伏安特性曲线在直流负载线的上方，根据公式(1)与公式(2)可知，；同理，在点1和点2的中间，即区域Ⅱ，电弧伏安特性曲线在直流负载线的下方，于是有：；在点2的右方，即区域Ⅲ，有：。

由此我们得知：

（1）在点1的左侧，若电流减小，则因为 ，故电流会越来越小，直至电流等于零，电弧熄灭；

（2）在点1的右侧到点2的左侧之间，若电流增大，则因为，电流会不断增大，直至到达点2。

（3）在点2的右侧，若电流增大，则因为 ，电流会减小，工作点会返回到点2。

综上几种情况，得出点2就是直流电弧的稳定工作点。

电弧的能量计算如下：

式中，为电源给电弧提供的能量，

为降弓前线路电感储存的能量，它将转化成电弧的能量，由于在降单弓时另一个弓还与弓网连接，辅助变流器正常工作，因此线路电感储存的这部分能量不会转化到降下的弓上，故降下的单弓与接触网之间的电弧能量很小，不会形成拉弧。

3.3  依次降前、后弓工况下拉弧分析

苏州5号线列车辅助变流器通过检测降弓信号来做辅助电源工作的逻辑处理，软件判定机制为：

（1）当接收到本地或远端的其中一台受电弓降弓信号，降弓过程中辅助电源正常工作；

（2）当接收到本地且远端的两台受电弓降弓信号，为避免整车带载降弓，辅助电源将在降弓前提前停机。

远程模式下降弓由于辅助变流器接收到降弓信号为5s脉冲，当两台受电弓分开降弓时间大于5s时，辅助变流器会在后弓降弓时误执行条件（1）下的降弓逻辑，即不会先进行停机，只有后弓与接触网完全弓网分离后，辅助变流器因网压缺失才会停机。此时辅助变流器带载运行，后弓会承受整车全部弓网电流，极有可能发生拉弧现象。图4是本次对远程模式下降弓受电弓拉弧原因分析示意图。

图4  远程模式下降弓受电弓拉弧原因分析示意图

结合图3与图4分析结果，理论上可考虑通过以下措施规避降弓电弧的产生：

（1）加快降弓速度，加大电弧的弧长。加大弧长，电弧的伏安特性曲线就会上移，即图3中绿色的电弧伏安特性曲线2，它在直流负载线的上方，与直流负载线没有交点，电弧稳定点不存在，电弧会自然熄灭。

然而在实际中，地铁列车降弓时间标准一般为7s左右，受列车机械结构制约，通过进一步加快降弓速度的思路解决拉弧问题成本高、难度大。

（2）减小或切断受电弓降弓时的电流，使图3红色直流负载线向左移动，不会电弧的伏安特性曲线有交叉。

通过前文分析，若将远程降弓指令由5s脉冲信号修改为电平信号后，辅助供电系统即可准确识别出后弓降弓指令，并通过提前停机断负载的方式切断列车弓网电流，有效规避拉弧的产生。该措施可通过软件方式实现，作业人员在更新列车远程控制软件并实车测试后证实，5号线列车远程模式下降弓拉弧问题得以有效解决。

4  结语

本文针对苏州轨道交通5号线列车库内静态调试过程中出现的一起降弓拉弧事件，通过建立数学模型，对电弧的伏安特性曲线与电弧能量进行了定性分析。同时结合列车依次在降前、后受电弓工况下辅助供电系统的运行逻辑，判断出降后弓时的拉弧原因，并根据理论分析结果提出了简单有效的整改方案，并通过实车测试验证了分析的正确性与方案的可行性。

参考文献

[1] 杨永平,边颜东,周晓勤等.我国城市轨道交通存在的主要问题及发展对策[J].城市轨道交通研究,2013, 16(10):1-6.

[2] 吴积钦,钱清泉.受电弓与接触网系统电接触特性[J].中国铁道科学,2008,29(3):106-109.

[3] 朱星光,陈善乐,秦建伟.广州地铁2号线弓网关系优化设计研究[J].铁道工程学报,2015,32(07):62-67.

[4] 徐旻,刘文正,伊金浩等.受电弓离线过程弓网电弧电气特性研究[J].铁道标准设计,2021,65(02):147-153.

[5]许潘,杨泽锋,魏文赋,高国强,吴广宁.降弓电弧对接触线侵蚀的仿真研究[J].高电压技术,2019,45(11):3529-3538.

[6] 吴广宁,周悦,雷栋等.弓网电接触研究进展[J].高电压技术,2016,42(11):3495-3506.

第一作者

姓名：杨航

性别：男

出生年月：1990年5月14日

民族：汉族

籍贯：河南省开封市

学历硕士研究生

职称：中级工程师

研究方向：电气传动

第二作者

姓名：徐永江

性别：男

出生年月：1986年6月

民族：汉族

籍贯：甘肃省兰州市

学历：大学本科

职称：中级工程师

研究方向：工程管理