城市軌道交通弓網(wǎng)離線電弧特性研究

王溢斐

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城市軌道交通弓網(wǎng)離線電弧特性研究

王溢斐

為了研究弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機(jī)理，基于實(shí)驗(yàn)室條件搭建弓網(wǎng)離線模擬試驗(yàn)平臺，通過改變離線間距、電流、負(fù)載等參數(shù)，研究不同離線狀態(tài)下弓網(wǎng)直流電弧特性。

弓網(wǎng)電弧；離線；燃弧時間；電氣特性

0 引言

城市軌道交通地下區(qū)段一般采用剛性接觸懸掛系統(tǒng)，接觸線幾乎沒有彈性。隨著列車運(yùn)行速度的提高，接觸線的波動及受電弓的振動加劇，受電弓與接觸網(wǎng)之間的相互作用越來越激烈，維持弓網(wǎng)之間良好的接觸性能愈加困難，實(shí)際運(yùn)營中頻繁發(fā)生弓網(wǎng)離線并導(dǎo)致拉弧現(xiàn)象。電弧燒蝕接觸線和碳滑板，產(chǎn)生噪聲污染和電磁干擾，使車載電器承受高頻振蕩過電壓，造成列車受流質(zhì)量下降[1]。因此有必要對城軌弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生機(jī)理及電弧特性進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)外弓網(wǎng)關(guān)系研究主要集中于交流電氣化鐵路弓網(wǎng)電接觸及離線電弧特性方面，對直流供電系統(tǒng)弓網(wǎng)離線電弧的研究較少，本文側(cè)重研究城市軌道交通弓網(wǎng)離線直流電弧特性。

1 弓網(wǎng)離線模擬試驗(yàn)平臺

城市軌道交通供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的電壓一般為DC 1 500 V，由于接觸網(wǎng)電壓相對較低，列車牽引電流很大?；趯?shí)驗(yàn)室條件搭建了弓網(wǎng)離線放電模擬試驗(yàn)平臺（圖1），試驗(yàn)電源采用工頻交流220 V，變壓器采用普通工頻BK3000型變壓器，變比為220∶24，額定輸出電流250 A[2]。電流經(jīng)過整流裝置和濾波電容、銅鎂合金接觸線、受電弓和模擬負(fù)載構(gòu)成電氣回路。通過離線控制系統(tǒng)使電磁閥產(chǎn)生電磁力，將受電弓拉下，模擬受電弓與接觸線分離，從而產(chǎn)生離線電弧。

受電弓與接觸線之間的電壓可以通過從受電弓和接觸線上引線到數(shù)字示波器的探頭直接測量，流過受電弓的電流可通過CHB-300SF型霍爾電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入示波器進(jìn)行測量。電弧光強(qiáng)可采用OPT101型光電檢測芯片將電弧光信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量。

圖1 弓網(wǎng)離線放電試驗(yàn)平臺

2 離線間距對直流電弧特性的影響

弓網(wǎng)耦合相對運(yùn)動過程中，每次離線時弓網(wǎng)間距各不相同，具有一定的隨機(jī)性。為了研究離線間距對直流電弧的影響，通過試驗(yàn)裝置設(shè)置不同的離線間距，在每個離線間距下多次放電測量，分析直流電弧平均燃弧時間、平均光強(qiáng)等特性規(guī)律。

2.1 直流電弧電氣特性分析

電壓為DC 24 V，電流為60 A，離線間距為 1 mm時，弓網(wǎng)電壓、電流波形如圖2所示。在弓網(wǎng)離線時刻，接觸線電壓基本平穩(wěn)上升，但受電弓電壓出現(xiàn)陡降，電壓降幅可達(dá)到14 V，之后受電弓電壓瞬間回升，隨后又隨著電弧燃燒過程逐漸下降，在熄弧時刻陡降為0。在離線時刻回路電流也出現(xiàn)下降，降幅約為20 A，隨著電弧燃燒過程呈線性逐漸下降的趨勢。

圖2 弓網(wǎng)電壓、電流波形

2.2 直流電弧電阻及功率與離線間距的關(guān)系

在弓網(wǎng)間距為1 mm的分離過程中，電弧燃弧電阻變化如圖3所示。弓網(wǎng)在0.01 s時刻離線，在0.01～0.085 s燃弧過程中，電弧電阻基本上呈線性規(guī)律逐漸增大，阻值范圍在0.2～1W。隨著弓網(wǎng)間距增大，弓網(wǎng)間隙電場減小，等離子體在弧隙間擴(kuò)散，在0.06 s時刻弧隙中帶電粒子和密度開始減少，宏觀上表現(xiàn)為電弧電阻迅速增大，電弧光強(qiáng)從最大值開始減小（圖4），在0.085 s時刻完成機(jī)械和電氣上的弓網(wǎng)分離，電弧電流降為0，電弧電阻變?yōu)闊o窮大，電弧散熱加劇，電源提供的能量不足以維持電弧繼續(xù)燃燒，致使電弧熄滅。經(jīng)過試驗(yàn)測量，在其他離線間距下電弧電阻也具有類似變化規(guī)律。

圖3 燃弧過程中的電弧電阻變化

圖4 燃弧過程中的光強(qiáng)變化

在1 mm離線間距下電弧燃燒過程中的功率變化如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)直流電弧在產(chǎn)生到熄滅的過程中，功率基本維持在500～700 W范圍內(nèi)波動，且不隨離線間距的變化而變化。由于在燃弧過程中電弧電阻逐漸增大，電弧電流逐漸減小，這2種趨勢使得電弧功率基本維持在一定范圍內(nèi)。

圖5 燃弧過程中的功率變化

2.3 直流電弧燃弧時間與離線間距的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)不同離線間距下電弧平均燃弧時間如圖6所示，隨著離線間距的增大，電弧平均燃弧時間呈下降的趨勢。由于電壓等級一定，離線間距較小時，弓網(wǎng)間隙中電場強(qiáng)度較大，電弧維持的時間較長；離線間距較大時，弓網(wǎng)間隙中的電場強(qiáng)度較小，電弧維持的時間較短。

圖6 不同離線間距下的電弧平均燃弧時間

3 電流對直流電弧特性的影響

列車運(yùn)行過程中需經(jīng)過啟動、加速、制動等工況，在不同的運(yùn)行工況下，列車牽引電流均不同，而電流的大小對弓網(wǎng)離線電弧的影響很大。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過改變電流大小來研究電流對直流電弧的影響，將電流增大到120 A，其他離線條件均保持不變，探討電流對直流電弧特性的影響。

3.1 電流對直流電弧電阻和功率的影響

經(jīng)過測量，電流為120 A時，燃弧過程中電弧電阻基本保持在0.1～1W，與60 A電流時規(guī)律相似。120 A電流時電弧平均功率為650～1 200 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 A電流時電弧的平均功率。

隨著電流的增大，弓網(wǎng)間隙中帶電粒子密度增大，表現(xiàn)為電弧光強(qiáng)和平均功率均增大，但電流的改變對弓網(wǎng)間隙中帶電粒子數(shù)量的影響不是很大，表現(xiàn)為電流增大時，電弧電阻基本不變。

3.2 電流對直流電弧燃弧時間的影響

試驗(yàn)表明，電流為120 A且離線間距設(shè)置為 1 mm時，電弧燃弧一直持續(xù)且相當(dāng)劇烈，燒蝕接觸線及受電弓嚴(yán)重。當(dāng)間距增大到2.5 mm時，電弧燃弧持續(xù)時間依然很長，示波器很難對其進(jìn)行完整記錄，直到間距增大到4 mm以上，整個燃弧過程才能被示波器完整記錄下來。

離線間距為4、6、9 mm時，電弧的平均燃弧時間見圖7。在1 mm和2.5 mm小離線間距下，直流電弧均能持續(xù)燃燒，隨著離線間距的增大，電弧燃弧時間縮短。這種規(guī)律和60 A電流時直流電弧的規(guī)律一致，但120 A電流時直流電弧燃弧時間達(dá)60～160 ms，甚至更長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 A電流時電弧燃弧時間。這是由于隨著電流的增大，弧隙間碰撞游離和熱游離產(chǎn)生的二次電子增加，弓網(wǎng)間隙電弧等離子體的密度增大，相同間距下，電弧更容易維持；且電流增大，注入到弧隙中的能量相應(yīng)增大，電弧釋放能量需要更長時間，所以燃弧時間更長。

城市軌道交通采用的接觸網(wǎng)電壓等級一般比較?。ㄎ覈鵀镈C 1 500 V和DC 750 V兩種供電制式），列車的集流量很大，一般為幾千安，所以城軌直流供電系統(tǒng)下的直流電弧能量很高，對接觸線和受電弓碳滑板的燒蝕相當(dāng)嚴(yán)重。

圖7 不同離線間距下電弧平均燃弧時間

4 負(fù)載對直流電弧特性的影響

列車負(fù)載是影響弓網(wǎng)電弧的重要因素，不同的阻抗、感抗負(fù)載影響電路電壓、電流的變化速度，從而影響電弧產(chǎn)生、熄滅的時間[3]。為研究阻性負(fù)載和感性負(fù)載對直流電弧特性的影響，進(jìn)行了2組對比試驗(yàn)：電源電壓均為DC 24 V，離線間距均為1 mm，阻性負(fù)載電阻為0.4W，感性負(fù)載電阻為 0.4W，電感為0.04 mH。試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

（a）阻性負(fù)載

（b）感性負(fù)載

圖8 不同負(fù)載下離線電弧波形

通過50組離線放電試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)（表1），在阻性負(fù)載和感性負(fù)載下分別離線，直流電弧的平均起弧電壓和光強(qiáng)峰值平均值基本相同，但感性負(fù)載下直流電弧的光強(qiáng)變化較為平緩，阻性負(fù)載下直流電弧的光強(qiáng)波動較大，且感性負(fù)載下直流電弧的燃弧時間平均值要大于阻性負(fù)載時的燃弧時間平均值。

表1 不同負(fù)載下離線電弧數(shù)據(jù)

注：平均光強(qiáng)值用感光芯片輸出電信號表示。

由于負(fù)載中串聯(lián)了電感，電感的存在使得電弧電壓、電流變化更加平緩，電弧功率也維持在一個平穩(wěn)的范圍，所以電弧光強(qiáng)變化也比較平緩。電感是儲能元件，在弓網(wǎng)離線后，電感將儲存的能量釋放到弓網(wǎng)間隙中，使得感性負(fù)載條件下電弧能量更大，維持的時間更長，所以燃弧時間更長。

從電路的角度看（圖9），直流電弧可以看成一個非線性電阻，弓網(wǎng)離線后電弧電壓平衡方程為

式中，為電源電壓，h為電弧電壓，為電弧電流，為電感，為電阻。

圖9 牽引回路電路

假設(shè)燃弧時長為h，將式（1）兩邊乘以d，并進(jìn)行積分，弓網(wǎng)離線時= 0、=（為離線時刻的電弧電流），經(jīng)過時間h后，電弧電流= 0，則有

式中，為電弧能量，1為電源供給電弧的能量，2為儲存在磁場中的能量。

由此可見，在牽引回路中，當(dāng)受電弓與接觸線產(chǎn)生離線電弧時，電弧的能量源自2部分，一部分是電壓提供的能量在電弧中的耗散，另一部分是以磁場形式存儲在回路中的能量在電弧中的耗散。所以在感性電路中，離線時電感將會釋放儲存的能量以維持電弧繼續(xù)燃燒，直到電感釋放的能量不足以維持電弧燃燒時，電弧熄滅。由式（1）得

則電弧的燃弧時間為h為

可見，電感越大電路儲能越多，電弧的燃弧時間越長，這與之前的試驗(yàn)結(jié)論及分析一致。

5 結(jié)論

（1）隨著離線間距的增大，電弧的起弧尖峰、電弧電阻以及電弧功率基本保持不變，但電弧的平均燃弧時間逐漸縮短。

（2）隨著電流增大，電弧功率增大，燃弧時間更長，產(chǎn)生的電弧能量越大，對接觸線和受電弓滑板的燒蝕越嚴(yán)重。

（3）感性負(fù)載時產(chǎn)生的直流電弧燃弧時間更長，因此提高列車功率因數(shù)，減少感性負(fù)載成分，可以減少電弧對弓網(wǎng)的危害。

（4）該研究是在實(shí)驗(yàn)室低電壓、大電流條件下進(jìn)行的弓網(wǎng)離線直流電弧特性探討。由于城市軌道交通供電系統(tǒng)電壓等級相對較低，牽引電流較大，同時電弧放電本身也具有低電壓、大電流的特性，因此本文中弓網(wǎng)離線直流電弧特性在一定程度上反映了城軌系統(tǒng)實(shí)際工況下的弓網(wǎng)離線電弧特性，可為研究直流電弧產(chǎn)生機(jī)理提供一定的參考。

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Pantograph-catenary arc; contact-loss; arcing time; electrical characteristics

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.006

U231.8

A

1007-936X(2017)05-0022-04

王溢斐.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，助理工程師。

2017-01-10