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[摘 要]架空式刚性悬挂已在广州地铁运营9年，弓网间燃弧产生的电气损耗已经造成诸如接触线磨耗异常等问题，本文通过对架空式刚性悬挂上弓网间燃弧原因的分析，对如何减少架空刚性悬挂弓网间燃弧提出建议。
[关键词]地铁 架空刚性悬挂 燃弧 磨耗 弓网关系
中图分类号：TH871.6 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）25―0629―02
1 概述
广州地铁自2002年12月29日二号线首期工程开通至今，采用架空式刚性悬挂的运营里程已达到200多条公里，总体运营情况良好，但随着运营时间的增加，也出现了诸如接触线磨耗及受电弓碳滑板磨耗异常等问题，该磨耗除弓网间接触压力产生的机械磨耗外，最主要是由于弓网间燃弧产生的电气磨耗。
弓网间燃弧包含两个部分，一部分是弓网间出现的电火花，另一部分是弓网间出现的电弧。笔者对广州地铁架空式刚性悬挂弓网燃弧现象跟踪分析，认为弓网间电火花对弓网系统的危害较小，而弓网间电弧对弓网系统的危害极其严重，故很有必要分析架空式刚性接触悬挂弓网间产生燃弧现象的原因，探讨优化措施，尽可能的减少燃弧现象。
2 弓网间燃弧的危害
（1）燃弧产生电气磨耗。弓网间燃弧产生的电弧极易热侵蚀接触线线面及受电弓工作面，使得接触线出现严重的局部磨耗，受电弓工作面凹凸不平，使弓网关系形成恶性循环。
（2）燃弧影响列车取流质量，并使得牵引设备及机车本体设备工作条件变化，如牵引变电设备中的整流器和整流变压器等；
（3）燃弧产生的热效应烧蚀接触网零部件，破坏架空式刚性接触悬挂紧固性，对列车运营形成安全隐患。如烧蚀刚性汇流排，导致汇流排表面出现大量烧蚀麻点，在隧道漏水腐蚀等复杂环境下，汇流排极易出现燕尾槽穿孔腐蚀等故障导致夹持力度不够，出现接触线跳线现象。
（4）若弓网间燃弧极其严重，电弧持续时间长，电弧能量强，易延伸到刚性接触悬挂接地体上（如化学锚固螺栓），引起牵引供电系统馈线开关跳闸，严重影响供电安全及行车运营，此类故障在广州地铁三号线出现过。
3 弓网间燃弧原因分析
3.1弓网间产生电火花原因分析
相比较于柔性接触网，广州地铁架空式刚性接触悬挂的日常运营时段，在车站进出站区域经常能够看到弓网间出现电火花现象，而检查机车受电弓及接触网相关运行参数，均符合规程要求，其实在弓网之间未出现任何因素导致机械脱离或接触压力不符标准的情况下，弓网间滑动接触过程中出现电火花是比较常见的。受电弓碳滑板与接触线实际接触面积比较小，相当于分散的导电斑点相互接触。以接触线为参考物，受电弓相对发生横向运动和纵向运动，列车取流时电流通过不断变换的接触导电斑点通过，如果接触线线面与受电弓碳滑板表面的接触导电斑点分布密集度和平顺度较低，即使列车低速运行，电流通过接触导电斑点产生的热量，迅速热熔化导电斑点，或者受电弓横向移动时导电斑点上通过的电流突然切断都会形成电火花，由于电火花持续时间是极其短暂，所产生的热量也是有限的，对弓网系统产生的危害较小。
3.2弓网间产生电弧原因分析
弓网取流是包含了多种机械运动及电气变化的动态过程，受电弓和接触网在运行过程中形成了一套动态振动系统。整个弓网取流动态振动系统中，弓网接触是在受电弓抬升力及电流收缩力作用下通过分散的导电斑点相互接触的。受电弓碳滑板与接触线互相滑动运动时，若存在任意因素导致弓网间接触压力发生波动，而受电弓抬升力又无法克服这种波动，弓网将发生离线，将在弓网间导电斑点之间产生电压降，弓网间空气绝缘被击穿，形成电弧。
3.2.1受电弓的影响
受电弓产生的影响主要表现在受电弓滑板不均匀磨耗、受电弓振动、不同类型受电弓与架空式刚性悬挂相互匹配等方面。
（1）理想状态下，受电弓碳滑板最终磨损成理想的光滑曲线形状，而检查广州地铁受电弓碳滑板却被磨损成波浪形凹槽状，凹槽最深处能达到10mm，如图1所示。受电弓参照于刚性悬挂作横向移动，运行至较深凹槽位置时，弓网接触点之间瞬间出现突变间隙，由于这种突变因素的存在，并且突变性大于抬升力的跟随性，使得弓网间接触点的接触压力发生变化，当接触压力小于一定数值时，相当于弓网间机械分离，弓网间出现燃弧现象，特别注意的是离线的同时由于受电弓抬升力以及行驶列车的冲量作用，使得受电弓产生垂直方向与水平方向的同时振动，形成连续碰撞，出现连续的燃弧现象。
图1 受电弓碳滑板凹槽
（2）广州地铁车辆采用了弹簧弓和气囊弓两种不同类型的受电弓，弓头结构及质量均不同，弹簧弓比气囊弓重量大很多；广州地铁二三号线设计时速及架空式刚性悬挂跨距也不同，二号线设计最高时速为80km/h，跨距为8米，三号线设计最高时速为120km/h，跨距为6米。2012年11月至2013年1月期间，对两种不同受电弓分别运行在不同设计时速及跨距的二三号线架空式刚性悬挂上的燃弧情况进行试验，《广州地铁二三号线弓网受流质量评价试验报告》指出二、三号线地铁列车上气囊弓的使用能减少电弧（燃弧）现象的发生，而从整体线路对比中发现，使用弹簧弓试验时三号线电弧现象较二号线严重。说明受电弓类型、质量、运行速度以及与架空式刚性悬挂之间的匹配也会对弓网间燃弧程度形成较大影响。
3.2.2刚性悬挂无弹性特性的影响
架空式刚性悬挂由刚性汇流排夹持接触线组成，具有独特的无弹性特征，会对弓网关系的耦合性形成较大影响。受电弓运行在刚性悬挂上，在受电弓抬升力作用下两者互相耦合接触，刚性悬挂抵消受电弓抬升力的反力是随着受电弓突然接触而突然出现的，受电弓对刚性悬挂的冲量就比较大，同时刚性悬挂抵消受电弓抬升力的反力产生的冲量也比较大。一般情况下，受电弓抬升力能够克服列车振动等因素造成的受电弓振动而产生的冲量的影响，保持受电弓与刚性悬挂良好接触；但列车加速或减速以及运行在弹性道床时都将增大列车振动频率及幅度，弓网之间就很难良好接触，一旦发生弓网离线现象，刚性悬挂不会像柔性悬挂一样随着受电弓振动而振动，重新耦合时相互产生的冲量较大，弓网接触压力的波动会极其明显；而此时列车正在加速或减速，弓网接触压力受到速度的影响也很大，速度增减量越大，压力波动也越大，极易在弓网间出现连续的燃弧现象，而且这种燃弧（电弧）强度较大，极易对受电弓及接触线产生电气磨耗，这与广州地铁二号线进站减速及出站加速区域刚性接触网接触线局部磨耗严重以及日常运营中车站人员在站台经常能看到列车进站和出站有打火现象是相符的。
3.2.3刚性悬挂硬点的影响
架空式刚性悬挂若存在硬点，对弓网间接触压力产生的影响也较大，越高速度表现越明显，弓网接触压力波动越大，在广州地铁架空式刚性悬挂的运营过程中，利用激光雷达技术的网轨检测装置对各线架空式刚性悬挂的硬点进行检测，发现极易出现硬点的地方主要有：中间接头下坠、中心锚结异常抬升刚性悬挂、分段绝缘器、锚段关节、线岔、膨胀元件等过渡元件、前后定位点坡度过大以及接触线线面局部磨耗严重等。特别是接触线局部磨耗产生的硬点对弓网接触压力的影响特别明显。
3.2.4刚性接触线局部磨耗的影响
由于列车振动、轨道振动、列车速度、受电弓磨耗等多方面的综合影响，致使架空式刚性接触悬挂接触线出现严重的局部磨耗，如图2所示广州地铁刚性接触网局部磨耗线面情况。在广州地铁运营的二号线、八号线等线路都存在类似这种严重磨耗的接触线线面，线面凹凸不平，成不规则波浪状，这对于同样存在磨耗的受电弓碳滑板来说，弓网间的分布的接触导电斑点密集度将急剧减小，并且弓网间分布的导电斑点之间存在许多的间隙，一方面即使在低速状态下，弓网间取流电流都将迅速熔化间隙周围的导电接触点而产生电火花；另一方面在高速运行或加减速状态弓网间的耦合关系极差，弓网间的接触压力波动极其明显，产生的电弧也相对强烈，从而形成恶性循环。
[关键词]地铁 架空刚性悬挂 燃弧 磨耗 弓网关系
中图分类号：TH871.6 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）25―0629―02
1 概述
广州地铁自2002年12月29日二号线首期工程开通至今，采用架空式刚性悬挂的运营里程已达到200多条公里，总体运营情况良好，但随着运营时间的增加，也出现了诸如接触线磨耗及受电弓碳滑板磨耗异常等问题，该磨耗除弓网间接触压力产生的机械磨耗外，最主要是由于弓网间燃弧产生的电气磨耗。
弓网间燃弧包含两个部分，一部分是弓网间出现的电火花，另一部分是弓网间出现的电弧。笔者对广州地铁架空式刚性悬挂弓网燃弧现象跟踪分析，认为弓网间电火花对弓网系统的危害较小，而弓网间电弧对弓网系统的危害极其严重，故很有必要分析架空式刚性接触悬挂弓网间产生燃弧现象的原因，探讨优化措施，尽可能的减少燃弧现象。
2 弓网间燃弧的危害
（1）燃弧产生电气磨耗。弓网间燃弧产生的电弧极易热侵蚀接触线线面及受电弓工作面，使得接触线出现严重的局部磨耗，受电弓工作面凹凸不平，使弓网关系形成恶性循环。
（2）燃弧影响列车取流质量，并使得牵引设备及机车本体设备工作条件变化，如牵引变电设备中的整流器和整流变压器等；
（3）燃弧产生的热效应烧蚀接触网零部件，破坏架空式刚性接触悬挂紧固性，对列车运营形成安全隐患。如烧蚀刚性汇流排，导致汇流排表面出现大量烧蚀麻点，在隧道漏水腐蚀等复杂环境下，汇流排极易出现燕尾槽穿孔腐蚀等故障导致夹持力度不够，出现接触线跳线现象。
（4）若弓网间燃弧极其严重，电弧持续时间长，电弧能量强，易延伸到刚性接触悬挂接地体上（如化学锚固螺栓），引起牵引供电系统馈线开关跳闸，严重影响供电安全及行车运营，此类故障在广州地铁三号线出现过。
3 弓网间燃弧原因分析
3.1弓网间产生电火花原因分析
相比较于柔性接触网，广州地铁架空式刚性接触悬挂的日常运营时段，在车站进出站区域经常能够看到弓网间出现电火花现象，而检查机车受电弓及接触网相关运行参数，均符合规程要求，其实在弓网之间未出现任何因素导致机械脱离或接触压力不符标准的情况下，弓网间滑动接触过程中出现电火花是比较常见的。受电弓碳滑板与接触线实际接触面积比较小，相当于分散的导电斑点相互接触。以接触线为参考物，受电弓相对发生横向运动和纵向运动，列车取流时电流通过不断变换的接触导电斑点通过，如果接触线线面与受电弓碳滑板表面的接触导电斑点分布密集度和平顺度较低，即使列车低速运行，电流通过接触导电斑点产生的热量，迅速热熔化导电斑点，或者受电弓横向移动时导电斑点上通过的电流突然切断都会形成电火花，由于电火花持续时间是极其短暂，所产生的热量也是有限的，对弓网系统产生的危害较小。
3.2弓网间产生电弧原因分析
弓网取流是包含了多种机械运动及电气变化的动态过程，受电弓和接触网在运行过程中形成了一套动态振动系统。整个弓网取流动态振动系统中，弓网接触是在受电弓抬升力及电流收缩力作用下通过分散的导电斑点相互接触的。受电弓碳滑板与接触线互相滑动运动时，若存在任意因素导致弓网间接触压力发生波动，而受电弓抬升力又无法克服这种波动，弓网将发生离线，将在弓网间导电斑点之间产生电压降，弓网间空气绝缘被击穿，形成电弧。
3.2.1受电弓的影响
受电弓产生的影响主要表现在受电弓滑板不均匀磨耗、受电弓振动、不同类型受电弓与架空式刚性悬挂相互匹配等方面。
（1）理想状态下，受电弓碳滑板最终磨损成理想的光滑曲线形状，而检查广州地铁受电弓碳滑板却被磨损成波浪形凹槽状，凹槽最深处能达到10mm，如图1所示。受电弓参照于刚性悬挂作横向移动，运行至较深凹槽位置时，弓网接触点之间瞬间出现突变间隙，由于这种突变因素的存在，并且突变性大于抬升力的跟随性，使得弓网间接触点的接触压力发生变化，当接触压力小于一定数值时，相当于弓网间机械分离，弓网间出现燃弧现象，特别注意的是离线的同时由于受电弓抬升力以及行驶列车的冲量作用，使得受电弓产生垂直方向与水平方向的同时振动，形成连续碰撞，出现连续的燃弧现象。
图1 受电弓碳滑板凹槽
（2）广州地铁车辆采用了弹簧弓和气囊弓两种不同类型的受电弓，弓头结构及质量均不同，弹簧弓比气囊弓重量大很多；广州地铁二三号线设计时速及架空式刚性悬挂跨距也不同，二号线设计最高时速为80km/h，跨距为8米，三号线设计最高时速为120km/h，跨距为6米。2012年11月至2013年1月期间，对两种不同受电弓分别运行在不同设计时速及跨距的二三号线架空式刚性悬挂上的燃弧情况进行试验，《广州地铁二三号线弓网受流质量评价试验报告》指出二、三号线地铁列车上气囊弓的使用能减少电弧（燃弧）现象的发生，而从整体线路对比中发现，使用弹簧弓试验时三号线电弧现象较二号线严重。说明受电弓类型、质量、运行速度以及与架空式刚性悬挂之间的匹配也会对弓网间燃弧程度形成较大影响。
3.2.2刚性悬挂无弹性特性的影响
架空式刚性悬挂由刚性汇流排夹持接触线组成，具有独特的无弹性特征，会对弓网关系的耦合性形成较大影响。受电弓运行在刚性悬挂上，在受电弓抬升力作用下两者互相耦合接触，刚性悬挂抵消受电弓抬升力的反力是随着受电弓突然接触而突然出现的，受电弓对刚性悬挂的冲量就比较大，同时刚性悬挂抵消受电弓抬升力的反力产生的冲量也比较大。一般情况下，受电弓抬升力能够克服列车振动等因素造成的受电弓振动而产生的冲量的影响，保持受电弓与刚性悬挂良好接触；但列车加速或减速以及运行在弹性道床时都将增大列车振动频率及幅度，弓网之间就很难良好接触，一旦发生弓网离线现象，刚性悬挂不会像柔性悬挂一样随着受电弓振动而振动，重新耦合时相互产生的冲量较大，弓网接触压力的波动会极其明显；而此时列车正在加速或减速，弓网接触压力受到速度的影响也很大，速度增减量越大，压力波动也越大，极易在弓网间出现连续的燃弧现象，而且这种燃弧（电弧）强度较大，极易对受电弓及接触线产生电气磨耗，这与广州地铁二号线进站减速及出站加速区域刚性接触网接触线局部磨耗严重以及日常运营中车站人员在站台经常能看到列车进站和出站有打火现象是相符的。
3.2.3刚性悬挂硬点的影响
架空式刚性悬挂若存在硬点，对弓网间接触压力产生的影响也较大，越高速度表现越明显，弓网接触压力波动越大，在广州地铁架空式刚性悬挂的运营过程中，利用激光雷达技术的网轨检测装置对各线架空式刚性悬挂的硬点进行检测，发现极易出现硬点的地方主要有：中间接头下坠、中心锚结异常抬升刚性悬挂、分段绝缘器、锚段关节、线岔、膨胀元件等过渡元件、前后定位点坡度过大以及接触线线面局部磨耗严重等。特别是接触线局部磨耗产生的硬点对弓网接触压力的影响特别明显。
3.2.4刚性接触线局部磨耗的影响
由于列车振动、轨道振动、列车速度、受电弓磨耗等多方面的综合影响，致使架空式刚性接触悬挂接触线出现严重的局部磨耗，如图2所示广州地铁刚性接触网局部磨耗线面情况。在广州地铁运营的二号线、八号线等线路都存在类似这种严重磨耗的接触线线面，线面凹凸不平，成不规则波浪状，这对于同样存在磨耗的受电弓碳滑板来说，弓网间的分布的接触导电斑点密集度将急剧减小，并且弓网间分布的导电斑点之间存在许多的间隙，一方面即使在低速状态下，弓网间取流电流都将迅速熔化间隙周围的导电接触点而产生电火花；另一方面在高速运行或加减速状态弓网间的耦合关系极差，弓网间的接触压力波动极其明显，产生的电弧也相对强烈，从而形成恶性循环。