電弧在弓網(wǎng)離線中的特性研究

江 麗

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機(jī)電學(xué)院，衡陽 421002）

在高速機(jī)車運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)關(guān)系是3大基礎(chǔ)關(guān)系之一[1]。隨著我國高速機(jī)車的持續(xù)開通和運(yùn)動(dòng)速度的逐步提升，弓網(wǎng)關(guān)系成為影響機(jī)車運(yùn)行安全的首要因素。電力機(jī)車的接觸線幾乎沒有彈性，一般情況下會(huì)采用剛性接觸懸掛系統(tǒng)。隨著機(jī)車運(yùn)行速度的提升，受電弓和接觸網(wǎng)的離線率會(huì)加大，增加了發(fā)生弓網(wǎng)電弧的概率，威脅供電系統(tǒng)的安全性。對于整個(gè)電氣化機(jī)車系統(tǒng)的正常運(yùn)作來說，受電弓-接觸網(wǎng)關(guān)系作為牽引供電系統(tǒng)的組成部分，具有非常重要的作用。一旦接觸線的波動(dòng)與受電弓的振動(dòng)加劇，受電弓與接觸網(wǎng)之間的相互作用越來越激烈，可能會(huì)頻繁發(fā)生弓網(wǎng)離線，甚至出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，降低受電弓和接觸線的使用壽命，導(dǎo)致機(jī)車受流質(zhì)量下降[2]。因此，本文將重點(diǎn)研究弓網(wǎng)電弧在受電弓離線過程中的特性。

1 弓網(wǎng)離線模擬試驗(yàn)平臺(tái)

弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)多因素交叉系統(tǒng)，具有很大的不確定性。即使在相同電路、條件、環(huán)境下試驗(yàn)或仿真，弓網(wǎng)系統(tǒng)都可能大不相同。因此，基于自行設(shè)計(jì)搭建的弓網(wǎng)離線試驗(yàn)平臺(tái)，從滑動(dòng)接觸到動(dòng)態(tài)離線，較為完整地模擬出受電弓與接觸線產(chǎn)生斜方向電弧的過程。

電力機(jī)車供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的電壓一般為DC 1500V[3]。由于接觸網(wǎng)電壓相對較低，機(jī)車牽引電流很大。實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)電力機(jī)車弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生條件，自行設(shè)計(jì)并搭建了弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和檢測系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)裝置由弓網(wǎng)供電系統(tǒng)、理想動(dòng)力系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)3部分構(gòu)成[4]。由于實(shí)驗(yàn)室電源功率的限制，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用了大功率電阻與電感串聯(lián)、低壓大電流的供電方案。電源變壓器經(jīng)過接觸線和受電弓滑板后，采用了變比為220:24、額定輸出電流為250A的工頻BK3000型變壓器，再經(jīng)過大功率電阻與電感串聯(lián)回到電源。這樣不但減小了電流大小的影響，還避免了電弧燃燒所需的電壓較低等問題。為了實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)分離，直流電機(jī)與搭載著受電弓滑板的小車直接構(gòu)成離線動(dòng)力系統(tǒng)。電磁鐵由遠(yuǎn)程開關(guān)控制，通過電磁鐵將受電弓滑板固定在小車上。當(dāng)電磁鐵動(dòng)作時(shí)，受電弓滑板快速下降。檢測系統(tǒng)主要檢測電壓、電流及光強(qiáng)信號(hào)等物理量。示波器探頭可以直接測量接觸線和受電弓上的電壓。經(jīng)過示波器，羅氏線圈電流互感器換成電壓信號(hào)后可以顯示出回路中的電流信號(hào)。光電檢測芯片OPT101用來測量光強(qiáng)信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到電壓信號(hào)。

2 弓網(wǎng)電弧在弓網(wǎng)離線過程中的特性

2.1 弓網(wǎng)電弧在穩(wěn)態(tài)離線情況下的特性

在電流120A、交流電壓24V以及弓網(wǎng)間隙距離d=0.3mm 的情況下，弓網(wǎng)間可以看到電弧燃燒劇烈，形成了約2cm長且穩(wěn)定燃燒的電弧，且電弧中心有飛濺的火花和耀眼的白光。從整個(gè)正半周期的電弧波來看，電弧大致呈現(xiàn)出“馬鞍”型，即從過零點(diǎn)（即碳滑板作為陰極時(shí)）開始電壓按照正弦規(guī)律上升[5]。電壓經(jīng)過起弧時(shí)間后上升到燃弧尖峰電壓，此時(shí)弓網(wǎng)間隙形成導(dǎo)電通道并產(chǎn)生電弧，而電場強(qiáng)度會(huì)達(dá)到空氣的擊穿場強(qiáng)，從而擊穿空氣。通過燃弧時(shí)間之后，弓網(wǎng)間隙電壓迅速下降到穩(wěn)定燃弧電壓，最后小幅上升到熄弧電弧。隨后經(jīng)過熄弧時(shí)間，弓網(wǎng)間隙電壓下降的電壓回到零點(diǎn)。而在負(fù)半周期中，接觸線為陰極，電壓波形沒有出現(xiàn)明顯的燃弧尖峰與熄弧尖峰。此外，在燃弧階段中，電弧電壓波形較為平直。這是由于陰極在負(fù)半周期中為金屬接觸線，因此二次電子容易從金屬陰極中碰撞獲得，影響離線電弧的產(chǎn)生，因而燃弧尖峰電壓較低，電壓波形平直。

另外，電弧電流也會(huì)伴隨著電弧的形成而出現(xiàn)，且在電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)達(dá)到最大值。在電弧電壓達(dá)到燃弧尖峰電壓時(shí)，電弧電流迅速上升；電壓達(dá)到熄弧電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的“零休”現(xiàn)象，使得電流提前到達(dá)零點(diǎn)[5]。光強(qiáng)信號(hào)與電流信號(hào)則是同步周期性出現(xiàn)。由于負(fù)半周期中，弓網(wǎng)間隙電壓能更早達(dá)到燃弧尖峰電壓，因此正半周期的燃弧時(shí)間小于負(fù)半周期，且燃弧持續(xù)時(shí)間長。電弧在穩(wěn)定燃弧階段主要以熱電子發(fā)射的方式維持，因此正半周期的電流大于負(fù)半周期，而正半周期的穩(wěn)定燃弧電壓則小于負(fù)半周期。

弓網(wǎng)離線電弧屬于交流電弧，弓網(wǎng)間隙的等離子體密度和介電強(qiáng)度隨著電源的電壓電流周期性變化。受弓網(wǎng)陰陽兩極材料不同的影響，在負(fù)半周期中，電弧穩(wěn)定燃燒階段的功率明顯大于正半周期。從產(chǎn)生、持續(xù)燃燒到熄滅過程，電弧所消耗的能量要比正半周期多12.6%。

2.2 受電弓離線過程中電弧電壓的變化特性

受電弓離線過程中，隨著時(shí)間的變化，電弧電壓與電流的波形發(fā)生變化。從弓網(wǎng)接觸受流到電弧重燃、熄弧，在各自半周期中，燃弧尖峰電壓隨著時(shí)間的增加而增大，使得電弧電壓波形呈現(xiàn)“馬鞍”型特征。

從接觸狀態(tài)到分離狀態(tài)，弓網(wǎng)電弧電壓波形可分為弓網(wǎng)穩(wěn)定受流、電弧產(chǎn)生與重燃、熄弧3個(gè)階段[6]。受流階段，由于接觸電阻的存在，弓網(wǎng)良好受流，弓網(wǎng)間隙呈現(xiàn)周期性變化，形成較小的電壓差，受電弓與接觸線滑動(dòng)接觸。產(chǎn)生與重燃階段，受電弓滑板與接觸線間存在從面接觸到分離的過程。接觸電阻隨著接觸面積的減小而增大，使得電子在高溫下容易從陰極溢出，從而導(dǎo)致陰陽兩極表面局部溫度高，形成熱電子發(fā)射，而弓網(wǎng)間隙距離小，促使陰極形成場致發(fā)射。在高強(qiáng)度電場的作用下，熱電子發(fā)射和場致發(fā)射形成二次電子，發(fā)生空氣碰撞電離形成電弧。重燃階段，以場致發(fā)射為主，燃弧尖峰電壓增大，電場強(qiáng)度減小。熄弧階段，間隙電場強(qiáng)度小，弓網(wǎng)間隙增大，電弧熄滅，無法滿足電弧的重燃條件。

在分離過程中，隨著時(shí)間的增加和弓網(wǎng)間隙的增大，燃弧尖峰電弧增大，呈現(xiàn)指數(shù)級增長[7]。在起弧后的1～2個(gè)周期內(nèi)，燃弧尖峰電壓緩慢增大，之后隨著時(shí)間變化，指數(shù)不斷增大，斜率較小。因此，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，由于弓網(wǎng)分離間隙不斷增大，電弧變長，電壓增大，導(dǎo)致穩(wěn)定燃弧電壓會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，而電流則會(huì)減小。電弧在正、負(fù)半周期燃燒時(shí)，所需的能量與陰極材料有關(guān)，與電弧形態(tài)無關(guān)。在每個(gè)燃弧周期中，電弧電阻從無窮大減小到某一極小值后又增大到無窮大。但是，在正半周期中，電弧電阻的極小值小于負(fù)半周期。同時(shí)，電弧電阻的極小值在正負(fù)半周期中會(huì)隨著時(shí)間增大。正負(fù)半周期中，隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓會(huì)減小。弓網(wǎng)間隙的擊穿場強(qiáng)決定了電弧重燃，間隙的帶電粒子密度決定了擊穿場強(qiáng)。電流越大，燃弧尖峰電壓越小，間隙內(nèi)殘留的電子越多。

3 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)過程可以看出，以碳滑板作為陰極時(shí)，電弧電壓波形呈現(xiàn)“馬鞍”型，整個(gè)半周期消耗的功率低，具有明顯的燃弧尖峰和熄滅尖峰，這是弓網(wǎng)陰陽兩極的材料不同造成的。以碳滑板作為陰極與接觸線作為陰極相比，穩(wěn)定燃弧電壓小，這是弓網(wǎng)陰陽兩極材料熔點(diǎn)與沸點(diǎn)不同所造成的。受熱電子發(fā)射和場致發(fā)射共同作用的影響，根據(jù)電弧電壓的變化特性，可將弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)離線過程分為弓網(wǎng)穩(wěn)定受流階段、電弧產(chǎn)生與重燃階段、熄弧階段3個(gè)階段。在正負(fù)半周期燃燒時(shí)，電弧隨著弓網(wǎng)間隙增大并沒有發(fā)生明顯變化，所需要的能量基本保持不變；隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓降低，電弧重燃次數(shù)增加，電流增大，電壓與弓網(wǎng)間隙距離呈指數(shù)增長的函數(shù)關(guān)系。也就是說，在低電壓情況下，弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生重燃的主要影響因素是大電流。