接触轨单元失电区内靴轨设备的伤损预测研究

喻展

广州地铁集团有限公司   广东省广州市 510000

摘要：在城市轨道交通接触轨线路中，接触轨单元失电区是造成靴轨设备拉弧伤损的主要区段。针对该类区段内靴轨设备伤损问题，运营现行定期全面检查的维保策略。该策略为设备伤损出现后进行的滞后性维护，不仅耗费了较多时间及人力成本，也无法有效改善设备伤损趋势。为此，本文总结归纳运营数据，建模分析接触轨单元失电区靴轨拉弧程度与设备伤损程度的影响关系。通过取值靴轨拉弧程度的影响表征量，制定设备伤损预测方法及减损措施，创新维保模式，降低运营成本，提升设备运营安全性。

关键词：接触轨单元失电区；端部弯头；伤损预测；

在城市轨道交通接触轨线路中，接触轨沿地面敷设，受限于轨道布置、设备限界等限制条件，接触轨在部分区段呈连续断口布置，因而常出现“单元失电区”。接触轨“单元失电区”为电客车通过几个接触轨短锚组成的行车路径时，单元车所有集电靴与接触轨均脱离，致使单元车出现整体失电的区域。

当列车通行接触轨单元失电区失电时，因单元车分断负荷高、速度快等因素，最后一个脱离接触轨的集电靴会与端部弯头间产生强烈的靴轨拉弧现象，进而对集电靴、端部弯头造成伤损。该类设备伤损在运营过程中呈现不确定性，体现在：

1、同一靴轨设备所处运营时期不同，伤损程度不同；

2、同一运营时期，端部弯头所处的区段不同，伤损程度不同。

受限于该伤损特性，为避免伤损在设备上持续积累，现行维保策略在无法判断伤损出现规律的情况下，仅能采取“定期全覆盖检查”。该策略为设备伤损出现后进行的滞后性维护，不仅耗费了较多时间及人力成本，也无法有效改善靴轨设备的伤损趋势。为此，本文研究靴轨设备的伤损预测方法和减损措施，实现精准预防性维护，降本增效。

一、靴轨伤损预测逻辑

（一）靴轨拉弧程度的量化建模

电弧是一种气体放电现象。直流供电系统中的靴轨拉弧在电气上等效于在集电靴与端部弯头间串联一个由空气组成的电阻。该空气电阻在拉弧的瞬间分担了供电回路中的部分电压。因此，单次靴轨电弧的严重程度可以通过该空气电阻产生的热量进行表征。由于靴轨拉弧过程中，电流及空气电阻值在不断变化，因此单次电弧热量等于各个时刻下电流及空气电阻值的乘积总和：

（二）靴轨拉弧程度的取值表征

根据公式分析，靴轨拉弧程度S分别与拉弧时电流、空气电阻及燃弧时间三个变量有关。分析某地铁线路部分单元失电区中电客车后台TMS监测数据发现，通常情况下，拉弧电流I的最大取值范围约在800A左右（两个DCU电流和）；

以该线路单元失电区的最大单元失电距离15.74米，电客车通行速度30km/h计算，电弧的最大可持续时间为1.88秒。空气电阻按现有条件无法进行估算。因此，根据可评估数据的量级进行对比可知，单次靴轨拉弧程度的大小主要由电流决定。控制靴轨间通行的电流大小即可有效改变靴轨拉弧程度。

既有地铁运营技术条件下，可人为控制靴轨取流大小的操作只有调整牵引级位。电客车通过信号调整或司机操作控制牵引级位，影响靴轨间电流大小。结合某线路多列次电客车后台TMS监测数据，牵引级位与靴轨间电流大小呈现强相关性。

因此，本文选取具有可控性、强相关性的牵引级位作为靴轨拉弧程度S的量化表征量。

（三）靴轨拉弧程度与设备影响程度的关系建模

根据持续性的观察，靴轨拉弧程度与设备影响程度为呈阶段性的正相关联系。建模分析如下：

图2：靴轨拉弧与设备影响程度的关系曲线

0至为轻微拉弧。期间引发的电弧仅会在端部弯头轨面形成轻微弧斑。该类弧斑在靴轨间摩擦下自行消散，对设备的影响程度几近为零。

至为中度拉弧，期间引发的电弧在端部弯头轨面形成较为严重的弧斑。该类弧斑随着拉弧次数的增加在轨面平缓积累。

至为严重拉弧，期间引发的电弧在端部弯头轨面形成更为严重的弧斑。该类弧斑随着拉弧次数的增加在轨面快速积累。

当靴轨拉弧程度大于，超出了安全临界点。该电弧将造成设备直接伤损，甚至供电区跳闸，影响运营。

（四）靴轨拉弧程度表征量的分级赋值

抽取某线路端部弯头伤损情况及通行牵引级位数据，分严重、中度、轻微三类做拉弧影响程度与牵引级位关系的对比研究，为、、赋值。根据大量样本量的归纳对比结果，样本量所表征的结果是收敛的。、、的可赋值（供参考）如下：

产生轻微拉弧时的牵引级位：=5%，0—5%；

产生中度拉弧时的牵引级位：=20%，5%—20%；

产生严重拉弧时的牵引级位：=98%，20%—98%；

存在安全风险的牵引级位：98%—100%；

二、靴轨伤损预测方法

综上所述，电客车常态化通行某一端部弯头的牵引级位与端部弯头的伤损程度强相关。同时，通行牵引级位因电客车运行时刻表的不同而存在差异，造成了端部弯头在不同运营时期、不同区段下，因为通行的牵引级位不同，出现了不同程度的伤损积累。

基于此，本文建立以通过电客车牵引级位预测靴轨设备伤损发展的方法，具体如下：

 

图3：端部弯头伤损发展预测方法

通常情况下，电客车开行采用自动驾驶模式。在列车时刻表不变的前提下，各区段通行的的牵引级位相对稳定。在列车根据新运营时刻表行驶一天后，由车辆专业导出各车次TMS后台数据。接触网专业人员结合各单元失电区位置读取牵引级位数据，从而对各个端部弯头可能产生的靴轨拉弧程度S进行分级评估，进而对伤损趋势进行预测。根据预测结果，车辆及接触网专业人员针对性开展对应减损措施。

三、靴轨伤损消减措施

（一）降低通行牵引级位

1、转换驾驶模式，由ATO自动驾驶模式调整为人工驾驶模式。通过司机操作，调减通行接触轨单元失电区的牵引级位，降低靴轨拉弧程度及设备损伤。

2、调整ATO模式下加减速区段的分布。由信号专业调整各区段的速度限制情况，避免电客车在接触轨单元失电区以高牵引级位执行加、减速操作。

（二）改变列车通行路径

1、在具备快慢线的站点，可通过调整列车通行路径，避免快车走慢线的情况出现。

2、在多道岔区段，可通过调整通行路径避免列车行经接触轨单元失电区。

（三）消除接触轨单元失电区

接触轨受限于道岔、人防门、转辙机等设备影响产生了接触轨断口。接触轨实际断口距离由于测量误差、施工误差或错期施工等因素，与相关技术规范下的理论计算值存在一定的差值。因此，单元失电区消除可充分考虑断口理论值与施工值的差值，因地制宜延长接触轨锚段。

四、结语

现今，轨道交通行业逐步向数字化、精细化发展。过往粗放式的设备管理方式已无法满足当下降本增效的时代要求。因此，做好设备的伤损预测，提前实施消除措施才能达到真正意义上的“预防性维护”，进而规避运营风险，保障地铁运营安全。

参考文献：

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[2]王胜 接触轨线路靴轨关系的研究及改善分析.电力系统装备,1001-523X(2019)10-0080-02

[3]张宏宇 天津地铁2号线接触轨断电区分析与应对措施.科技创新导报,1674-098X(2019)04b-0032-03