受電弓離線過程弓網(wǎng)電弧電氣特性研究

徐 旻,劉文正,伊金浩,李 鑫,趙潞翔,孫 成,2

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044； 2.株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司，湖南株洲 412001)

引言

隨著我國高速鐵路客運(yùn)專線的持續(xù)開通以及高速鐵路運(yùn)行速度的進(jìn)一步提升，對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行也提出了更高的要求。受電弓-接觸網(wǎng)關(guān)系作為牽引供電系統(tǒng)重要的組成部分，對整個電氣化鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)作起著重要的作用[1-2]。弓網(wǎng)關(guān)系理想的狀態(tài)是弓網(wǎng)可靠接觸穩(wěn)定受流，高速列車通過受電弓從接觸網(wǎng)穩(wěn)定取流并且獲得電能。由于列車運(yùn)行速度提升及硬點(diǎn)等原因，列車在運(yùn)行過程中受電弓與接觸網(wǎng)發(fā)生離線而產(chǎn)生電弧，造成電力機(jī)車中牽引電機(jī)等負(fù)載的不正常工作[3]。并且弓網(wǎng)離線電弧會產(chǎn)生電氣損耗，降低受電弓和接觸線的使用壽命[4-5]，還對環(huán)境帶來電磁干擾并會影響通信的正常工作[6-7]。因此，研究弓網(wǎng)離線電弧的特性，并進(jìn)一步改善受流質(zhì)量，是高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)亟待解決的問題之一[8-9]。

目前國內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)更多的是在固定弓網(wǎng)間距下對弓網(wǎng)電弧進(jìn)行研究[10-11]，研究重點(diǎn)集中在電弧電磁干擾、弓網(wǎng)電接觸特性、載流摩擦磨耗、電弧侵蝕等方面[12-19]。而弓網(wǎng)離線電弧是在離線間距不斷變化過程中形成的電弧。為了探究弓網(wǎng)電弧的形成原因，以及弓網(wǎng)間隙距離連續(xù)變化過程中形成的電弧特性，本文基于自行設(shè)計(jì)搭建的弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，較為完整的模擬出受電弓與接觸線從滑動接觸到動態(tài)離線產(chǎn)生斜方向電弧的過程。并且對弓網(wǎng)穩(wěn)態(tài)離線電弧和動態(tài)離線電弧的電氣特性進(jìn)行對比分析研究，為提高列車受流質(zhì)量的研究提供了參考。

1 弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)高速鐵路弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生條件，在實(shí)驗(yàn)室中自行設(shè)計(jì)并搭建的弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)平臺及其檢測系統(tǒng)如圖1所示。弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示。

S—電源變壓器；P—受電弓滑板；L、R—模擬負(fù)載電感、電阻；A—電流互感器；C—光強(qiáng)傳感器；D—電磁鐵；M—直流電機(jī)；O—接觸線；T—軌道；Uo—接觸線電壓；Up—受電弓滑板電壓；Iarc—電弧電流

圖2 弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由弓網(wǎng)供電系統(tǒng)、離線動力系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

供電系統(tǒng)由電源變壓器，經(jīng)接觸線、受電弓滑板，再經(jīng)過大功率電阻與電感串聯(lián)，最后回到電源構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)室電源功率上限條件的約束，又由于電流大小是影響弓網(wǎng)電弧特性的主要因素，同時維持電弧燃燒所需的電壓較低，所以采用了低壓大電流的供電設(shè)計(jì)方案。電源電壓器采用的是工頻BK3000型變壓器，額定功率為3 kW，變比為220∶24。

離線動力系統(tǒng)由直流電機(jī)與搭載著受電弓滑板的小車通過高強(qiáng)度滌綸線連接構(gòu)成。受電弓滑板通過電磁鐵固定在小車上。電磁鐵由遠(yuǎn)程開關(guān)控制，當(dāng)電磁鐵動作時受電弓滑板迅速下降，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)分離。

檢測系統(tǒng)主要檢測的物理量有電壓、電流與光強(qiáng)信號。接觸線和受電弓上的電壓可以使用示波器探頭直接測量?；芈分械碾娏餍盘柾ㄟ^羅氏線圈電流互感器轉(zhuǎn)換成電壓信號后再經(jīng)過示波器顯示。光強(qiáng)信號經(jīng)光電檢測芯片OPT101測量并轉(zhuǎn)換后[20]，得到的電壓信號輸入示波器顯示。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)過程。

實(shí)驗(yàn)平臺的軌道長度為2 m，小車速度為0～2.5 m/s可調(diào)。設(shè)置的最高電壓為交流24 V，最大電流為120 A。通過控制，可以使弓網(wǎng)離線間距在0～3 mm連續(xù)可調(diào)。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用的是京滬高鐵中使用的Cu-Mg合金接觸線，受電弓滑板為CRH380A動車組中的使用浸金屬碳滑板。其參數(shù)見表1～表3。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺接觸線技術(shù)參數(shù)

表2 受電弓滑板的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 受電弓滑板物理參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程：研究穩(wěn)態(tài)離線電弧時，保持固定的弓網(wǎng)間隙距離，弓網(wǎng)間施加電壓，產(chǎn)生穩(wěn)定燃燒的縱向弓網(wǎng)電弧并進(jìn)行研究分析；研究動態(tài)離線電弧時，首先于弓網(wǎng)間施加電壓，弓網(wǎng)靜態(tài)接觸受流。然后，啟動直流電機(jī)，小車沿軌道上以一定的速度水平運(yùn)動，受電弓與接觸線滑動接觸取流。當(dāng)小車運(yùn)動至途中某一位置時，通過遠(yuǎn)程開關(guān)使電磁鐵動作，受電弓迅速下降使弓網(wǎng)分離，產(chǎn)生斜方向的電弧。最后，對電弧的各電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并進(jìn)行研究分析。

2 穩(wěn)態(tài)離線電弧的特性分析

在電壓為交流24 V、電流為120 A、弓網(wǎng)間隙距離d=0.3 mm的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)燃弧實(shí)驗(yàn)及電弧特性分析。

2.1 電弧放電現(xiàn)象及電壓電流波形分析

如圖3所示，在間隙距離固定為0.3 mm的情況下，弓網(wǎng)間形成了約2 cm長穩(wěn)定燃燒的電弧?？梢钥吹诫娀∪紵齽×遥娀≈行姆懦鲆鄣陌坠?，伴有飛濺的火花。

圖3 穩(wěn)態(tài)離線電弧現(xiàn)象

穩(wěn)定燃弧時的電弧電壓、電流波形、光強(qiáng)信號如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)間隙d=0.3 mm時電弧電壓、電流、光強(qiáng)波形

在正半周期，即碳滑板作為陰極時，電壓從過零點(diǎn)開始，電壓按正弦規(guī)律上升。經(jīng)過起弧時間t1，電壓上升至燃弧尖峰電壓U1。此時弓網(wǎng)間隙的電場強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿場強(qiáng)使得空氣被擊穿。弓網(wǎng)間隙形成導(dǎo)電通道并產(chǎn)生電弧[21]，此時弓網(wǎng)間隙電壓迅速下降到穩(wěn)定燃弧電壓U2。在經(jīng)過燃弧時間t2后，電壓又小幅上升至熄弧電壓U3。隨后電壓下降，經(jīng)熄弧時間t3回到零點(diǎn)。從整個正半周期的電弧波形可以看出電弧大致呈“馬鞍”形。而在負(fù)半周期時，接觸線作為陰極，電壓波形沒有出現(xiàn)明顯的燃弧尖峰與熄弧尖峰，電弧在燃弧階段電壓波形較為平直。

電壓波形存在差異是因?yàn)殛帢O對離線電弧的產(chǎn)生有著重要的影響。在正半周期時，陰極為碳滑板，發(fā)生氣體碰撞電離過程中，二次電子不容易從碳滑板中放出，因此弓網(wǎng)間需要的擊穿電壓較高，所以電壓波形出現(xiàn)尖峰。而在負(fù)半周期時，陰極為金屬接觸線，從金屬陰極中碰撞出二次電子較為容易，所以電壓波形較為平直，燃弧尖峰電壓較低。熄弧尖峰的出現(xiàn)是因?yàn)殡娀≡谙鐣r，弧柱變細(xì)使得電弧電阻變大，弓網(wǎng)間隙壓降增大導(dǎo)致。又由于弧柱具有熱慣性的作用，在熄弧時的電弧電阻比起弧時要小，所以熄弧尖峰電壓要小于燃弧尖峰電壓。

電弧電流伴隨電弧形成而出現(xiàn)。在電弧電壓達(dá)到燃弧尖峰電壓時電流迅速上升，在電弧穩(wěn)定燃燒時達(dá)到最大值。在電壓達(dá)到熄弧電壓時電流提前到達(dá)零點(diǎn)，出現(xiàn)周期性的“零休”現(xiàn)象[22]。

光強(qiáng)信號與電流信號同步周期性出現(xiàn)，電弧發(fā)光持續(xù)時間t2在正半周期較短，說明正半周期的燃弧時間小于負(fù)半周期。這是因?yàn)樵谪?fù)半周期時，燃弧尖峰電壓較低，弓網(wǎng)間隙電壓能更早達(dá)到燃弧尖峰電壓，所以燃弧持續(xù)時間比正半周期長。

2.2 穩(wěn)定燃弧電壓特性分析

由圖4中可知，正半周期(以碳滑板作為陰極)的穩(wěn)定燃弧電壓U2小于負(fù)半周期(以接觸線作為陰極)，而在電流方面前者大于后者。這是由于在穩(wěn)定燃弧階段，電弧主要是以熱電子發(fā)射的方式維持。根據(jù)熱發(fā)射電流密度公式[23]

(1)

式中，J0為熱發(fā)射電流密度；A0為常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)；Eγ為電子逸出功；T為陰極溫度。

從公式(1)可以看出，陰極表面的電流密度主要由陰極表面的溫度決定。而一般電弧生成時陰極溫度很高，可以達(dá)到3 000 K以上。銅的熔點(diǎn)為1 357 K，沸點(diǎn)為2 835 K，碳的熔點(diǎn)為3 652 K，沸點(diǎn)為5 100 K[24]，所以銅作為陰極時極易融化與汽化。電弧無法集中在一個陰極點(diǎn)穩(wěn)定燃燒，陰極斑點(diǎn)以很高的速度處于連續(xù)的無規(guī)則運(yùn)動中。所以陰極點(diǎn)處無法形成穩(wěn)定的熱電子發(fā)射，電弧維持主要以場致電子發(fā)射的形式存在。而碳的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，當(dāng)碳作為陰極時電弧能以熱電子發(fā)射和場致電子發(fā)射共同作用下穩(wěn)定存在，因此弓網(wǎng)間電流密度很大。所以正半周期的穩(wěn)定燃弧電壓要小于負(fù)半周期。相應(yīng)地，正半周期的電流大于負(fù)半周期。

2.3 伏安特性及功率分析

在弓網(wǎng)間隙d=0.3 mm的條件下，電弧穩(wěn)定燃燒時的電弧伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 弓網(wǎng)間隙d=0.3 mm時的電弧伏安特性曲線

弓網(wǎng)離線電弧屬于交流電弧。隨著電源的電壓、電流呈周期性變化，弓網(wǎng)間隙的等離子體密度和介電強(qiáng)度不斷變化[25]，其電弧電阻也在周期性的變化。電弧電壓從零點(diǎn)Uo開始，隨著電源電壓的增大而增大。在電壓增大至間隙擊穿電壓Ua時，間隙空氣碰撞電離形成導(dǎo)電通道，電弧電壓迅速下降。此時電弧電流開始迅速上升，當(dāng)電流最大時對應(yīng)于穩(wěn)定燃弧電壓Ub，隨后電流開始減小，電壓小幅上升到熄弧電壓Uc，此時電流進(jìn)入“零休”?？梢钥吹剑娀〉姆蔡匦圆⒉皇顷P(guān)于原點(diǎn)對稱，這是由于弓網(wǎng)陰陽兩極的材料不同導(dǎo)致的。

利用P=UI計(jì)算得到，在一個周期內(nèi)功率隨時間的變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥吹?，在負(fù)半周期電弧穩(wěn)定燃燒階段功率明顯大于正半周期。然后利用功率對時間的積分得到電弧能量分布，如圖7所示?？梢钥吹?，因陰極材料不同，在負(fù)半周期電弧從產(chǎn)生、持續(xù)燃燒、熄滅的過程中所消耗的能量比正半周期多12.6%。

圖6 穩(wěn)定燃弧時電壓、電流、功率的變化規(guī)律

圖7 穩(wěn)定燃弧時功率與能量的變化規(guī)律

3 離線過程中電弧電壓變化特性分析

在電源電壓為交流24 V、電流40 A的實(shí)驗(yàn)條件下，使小車的橫向運(yùn)動速度為1 m/s，弓網(wǎng)縱向分離平均速度為3 mm/s，進(jìn)行弓網(wǎng)動態(tài)離線電弧實(shí)驗(yàn)并對電弧電壓的變化進(jìn)行研究。

3.1 燃弧尖峰電壓變化特性分析

電弧電壓與電流波形隨時間的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，弓網(wǎng)離線過程是弓網(wǎng)從接觸受流到產(chǎn)生電弧，之后反復(fù)發(fā)生電弧重燃直至熄弧的過程?？梢钥吹剑娀‰妷翰ㄐ卧诟髯园胫芷趦?nèi)仍呈現(xiàn)“馬鞍”形的特征，而燃弧尖峰電壓隨著時間增加而增大。

圖8 弓網(wǎng)離線過程中的電弧電壓、電流波形

由電弧電壓波形可以看出，弓網(wǎng)從接觸狀態(tài)到分離狀態(tài)的過程可分為3個階段：弓網(wǎng)穩(wěn)定受流階段(P1)、電弧產(chǎn)生與重燃階段(P2)、熄弧階段(P3)。

(1)弓網(wǎng)穩(wěn)定受流階段，受電弓與接觸線滑動接觸，弓網(wǎng)良好受流。由于接觸電阻的存在，弓網(wǎng)間隙形成較小的電壓差，并呈現(xiàn)周期性變化。

(2)電弧產(chǎn)生與重燃階段，即弓網(wǎng)間隙被反復(fù)擊穿，產(chǎn)生電弧的過程。在首個燃弧期間內(nèi)，受電弓滑板與接觸線間存在從面接觸到點(diǎn)接觸再到分離的過程。隨著接觸面積的減小，接觸電阻迅速增大，陰陽兩極表面局部溫度升高。在高溫下，電子容易從陰極中逸出，形成熱電子發(fā)射；同時弓網(wǎng)開始出現(xiàn)間隙，但是間隙距離很小使得間隙電場強(qiáng)度很大，陰極形成場致發(fā)射。熱電子發(fā)射和場致發(fā)射形成的二次電子，在電場的作用下定向運(yùn)動，間隙發(fā)生空氣碰撞電離形成電弧。而之后的重燃階段，空氣擊穿過程以場致發(fā)射為主。又由于間隙距離越來越大，間隙內(nèi)的電場強(qiáng)度減小，因此燃弧尖峰電壓增大。

(3)熄弧階段，弓網(wǎng)間隙進(jìn)一步增大使得間隙的電場強(qiáng)度越來越小，難以滿足電弧的重燃條件而因此熄滅。

弓網(wǎng)在分離過程中，燃弧尖峰電弧隨時間的增加而增大。若假設(shè)首次起弧的時刻為t=0.01 s時，則可得到電弧的燃弧尖峰電壓隨時間的變化規(guī)律及其擬合曲線如圖9所示。

圖9 弓網(wǎng)離線過程中燃弧尖峰電壓變化規(guī)律

可以得出其變化的規(guī)律滿足函數(shù)關(guān)系

U1=U0+AeR0t

(2)

而弓網(wǎng)間隙距離與弓網(wǎng)縱向分離速度及時間滿足關(guān)系

d=vt

(3)

所以，可得到燃弧尖峰電壓隨弓網(wǎng)間隙距離的變化規(guī)律滿足函數(shù)關(guān)系

(4)

式中，U1為燃弧尖峰電壓；d為弓網(wǎng)間隙距離；v為弓網(wǎng)縱向運(yùn)動速度；U0、A、R0均為擬合參數(shù)；擬合參數(shù)及擬合優(yōu)度系數(shù)R如表4所示。

表4 擬合參數(shù)和擬合優(yōu)度系數(shù)(40 A)

可以得到，燃弧尖峰電壓大小隨著弓網(wǎng)間隙距離的增大滿足指數(shù)增長的關(guān)系。燃弧尖峰電壓在起弧后的1～2個周期內(nèi)緩慢增大，隨時間的變化斜率較小，之后迅速呈指數(shù)增大。因此，在相同的條件下，若已知弓網(wǎng)縱向運(yùn)動速度，則可通過式(4)得到在特定弓網(wǎng)間隙距離時的燃弧尖峰電壓。

3.2 穩(wěn)定燃弧電壓的特性分析

在同等的實(shí)驗(yàn)條件下，檢測得到的穩(wěn)定燃弧電壓與電流隨時間的變化規(guī)律如圖10所示?？梢钥吹?，穩(wěn)定燃弧電壓隨著時間增加而增大，穩(wěn)定燃弧電流減小。這是因?yàn)樵诠W(wǎng)分離的過程中，弓網(wǎng)間隙不斷增大使得電弧變長，需要維持電弧燃燒的電壓增大。從圖11所示的弓網(wǎng)離線過程功率的變化規(guī)律可以看出，電弧在正、負(fù)半周期燃燒時各自所需要的能量基本保持不變，且隨著間隙增大并沒有發(fā)生明顯的變化。這說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，每半周期內(nèi)電弧燃燒消耗的能量多少與電弧形態(tài)沒有關(guān)系，而與陰極材料有關(guān)。

圖10 弓網(wǎng)離線過程中穩(wěn)定燃弧電壓及電流變化規(guī)律

圖11 弓網(wǎng)離線過程中電壓及功率變化規(guī)律

利用電弧電阻近似等于電弧電壓與電流的比值的關(guān)系，計(jì)算并繪制如圖12所示的電弧電阻隨時間的變化規(guī)律。在每一個燃弧周期，電弧從產(chǎn)生到熄滅的過程中，電弧電阻從無窮大減小至某一極小值，然后又增大至無窮大。但是在正、負(fù)半周期電弧電阻的極小值各不相同，呈現(xiàn)如下的規(guī)律。

圖12 弓網(wǎng)離線過程中電弧電阻變化規(guī)律

(1)在正半周期，即碳滑板作為陰極時，電弧電阻的極小值均小于負(fù)半周期。

(2)無論正負(fù)半周期，電弧電阻的極小值均隨著時間而呈增大的趨勢。

3.3 電流變化對電弧電壓的影響

在電源電壓為交流24 V，在電流大小分別為40，80，120 A的實(shí)驗(yàn)條件下，使接觸線與受電弓動態(tài)分離，進(jìn)行動態(tài)離線電弧實(shí)驗(yàn)并研究。檢測得到正半周期(碳滑板為陰極)和負(fù)半周期(接觸線為陰極)的燃弧尖峰電壓隨時間的變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 不同電流條件下燃弧尖峰電壓的變化規(guī)律

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論正負(fù)周期，燃弧尖峰電壓的絕對值隨著電流的增大而減小。電流為120 A的條件下電弧燃弧次數(shù)達(dá)到了12次，而80 A為10次，40 A為8次。電弧重燃主要由弓網(wǎng)間隙的擊穿場強(qiáng)決定，而擊穿場強(qiáng)由間隙的帶電粒子密度決定。當(dāng)電流越大時，間隙內(nèi)殘留電子越多，燃弧尖峰電壓越小。

利用式(4)，對不同電流下的燃弧尖峰電壓變化規(guī)律進(jìn)行了擬合，得到的擬合參數(shù)和優(yōu)度系數(shù)如表5所示。由表5可知，擬合優(yōu)度系數(shù)R均大于0.98。并且可以看到，隨著電流增大，A、R0的絕對值均略微減小。這同樣是因?yàn)殡娏鞯脑龃笫沟萌蓟〖夥咫妷弘S時間的變化斜率變小，電壓的上升趨勢緩慢。

表5 擬合參數(shù)和擬合優(yōu)度系數(shù)

4 結(jié)論

本文利用弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)平臺，模擬出了受電弓與接觸線從滑動接觸到動態(tài)離線產(chǎn)生電弧的過程。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，對穩(wěn)態(tài)離線電弧和動態(tài)離線電弧分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并在兩者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論。

(1)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于弓網(wǎng)陰陽兩極的材料不同，以碳滑板作為陰極時整個半周期內(nèi)消耗的功率低。電弧電壓波形有明顯的燃弧尖峰和熄滅尖峰，整體呈“馬鞍”形。并且，得到的弓網(wǎng)電弧的伏安特性曲線是關(guān)于原點(diǎn)非對稱的。

(2)由于弓網(wǎng)陰陽兩極材料熔點(diǎn)與沸點(diǎn)的不同，當(dāng)以碳滑板作為陰極時的穩(wěn)定燃弧電壓要小于接觸線作為陰極時的穩(wěn)定燃弧電壓。相應(yīng)的，在各個燃弧周期內(nèi)電弧電阻的極小值也滿足上述關(guān)系。

(3)在弓網(wǎng)動態(tài)離線過程中，根據(jù)電弧電壓的變化特性，將其分為弓網(wǎng)穩(wěn)定受流階段、電弧產(chǎn)生與重燃階段、熄弧階段。其中，在電弧的首個燃弧周期，本文認(rèn)為是由熱電子發(fā)射和場致發(fā)射共同作用的結(jié)果。

(4)在弓網(wǎng)動態(tài)離線過程中，電弧在正、負(fù)半周期燃燒時各自所需要的能量基本保持不變，且隨著間隙增大并沒有發(fā)生明顯變化。

(5)在弓網(wǎng)動態(tài)離線過程中，燃弧尖峰電壓與弓網(wǎng)間隙距離滿足呈指數(shù)增長的函數(shù)關(guān)系。燃弧尖峰電壓隨著電流的增大而降低，且電流越大，電弧的重燃次數(shù)增加。本文認(rèn)為，在低電壓情況下，大電流是影響弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生重燃的重要原因。