城軌弓網(wǎng)電弧持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度與電弧溫度的關(guān)系研究

于曉英，宋夢(mèng)杰，王 澤，劉成寶，王煜琦

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.大秦鐵路股份有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，山西 太原 030013；3.烏魯木齊鐵路局哈密機(jī)務(wù)段，新疆 哈密 839099)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，城市交通擁堵越加嚴(yán)重，人們對(duì)日常交通運(yùn)輸要求提高.城市軌道交通因其具有專用線路、速度快、站點(diǎn)多、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展，覆蓋城市越來(lái)越多[1].國(guó)家對(duì)城軌交通建設(shè)做出了中長(zhǎng)期規(guī)劃，預(yù)計(jì)到 2025年末，我國(guó)城市軌道交通線路總長(zhǎng)將超過(guò)1萬(wàn)km，到2030年末，接近1.5萬(wàn)km.

城軌列車能夠快速、穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因之一是具有持續(xù)、穩(wěn)定的電能來(lái)源.機(jī)車車頂?shù)氖茈姽瓘椥陨饡r(shí)，其頂部碳滑板與接觸線間保持一定的壓力，緊密接觸，接通牽引變電所、接觸網(wǎng)、列車、回流線回路，持續(xù)取流[2].但是在列車運(yùn)行過(guò)程中，由于接觸線硬點(diǎn)、滑板夾雜異物、輪軌不平順等因素，會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)壓力瞬間減小，受電弓與接觸線分離.弓網(wǎng)離線瞬間，若加在滑板與接觸線間的電壓大于截止臨界起弧電壓時(shí)，弓網(wǎng)間空氣間隙被擊穿，產(chǎn)生電弧，此時(shí)電弧在電氣上連接滑板與接觸線，成為供電回路中最薄弱的環(huán)節(jié)[3].作為一種高溫等離子體，弓網(wǎng)電弧會(huì)產(chǎn)生很高的能量，作用于滑板及接觸線材料表面，使材料表面溫度瞬時(shí)升高，發(fā)生熔化、氣化、噴濺等現(xiàn)象，進(jìn)而加速滑板及接觸線的老化、縮短弓網(wǎng)材料的服役壽命[4-6].

目前，針對(duì)電弧溫度的研究成果主要集中在開(kāi)關(guān)電弧領(lǐng)域，針對(duì)弓網(wǎng)電弧溫度的研究相對(duì)較少[7].Zheng等[8]利用弓網(wǎng)電弧溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，基于原子發(fā)射光譜法測(cè)溫原理，通過(guò)兩條特定的電弧譜線來(lái)計(jì)算電弧溫度；邢立成[9]采用Boltzman作圖法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得弓網(wǎng)電弧的光譜信息，進(jìn)而計(jì)算電弧通道的溫度，他們研究發(fā)現(xiàn)電弧溫度隨電弧持續(xù)時(shí)間增大；王君鵬[10]發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)在正向電源激勵(lì)下，燃弧時(shí)間長(zhǎng)，弓網(wǎng)電弧溫度高于負(fù)向電源激勵(lì)情況.

文中應(yīng)用紅外相機(jī)和基于日盲區(qū)的弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)在車頂獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究弓網(wǎng)電弧溫度與其持續(xù)時(shí)間的關(guān)系、溫度與電弧強(qiáng)度的關(guān)系，及溫度的變化規(guī)律.

1 弓網(wǎng)電弧的溫度及日盲區(qū)特性

1.1 弓網(wǎng)溫度特性

弓網(wǎng)電弧發(fā)生時(shí)，伴隨著弧聲，弧光及高溫等物理現(xiàn)象，高溫是電弧發(fā)生時(shí)重要的物理特性之一[9].電弧持續(xù)時(shí)間短暫，電弧發(fā)生期間內(nèi)，碳滑板與接觸線之間的空氣間隙被擊穿，間隙中的帶電粒子在外加場(chǎng)強(qiáng)的作用下不斷被加速獲得動(dòng)能，加速后的帶電粒子會(huì)持續(xù)地與中性分子碰撞，加劇中性分子的振蕩運(yùn)動(dòng)，中性分子也獲得了動(dòng)能，隨著碰撞次數(shù)的不斷增加，電弧的溫度也會(huì)急劇上升，等離子體溫度可迅速升高[11].電弧的溫度由間隙中氣體的平均平動(dòng)動(dòng)能決定[12]，其微觀表達(dá)式為

(1)

其中，Ek為氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均平動(dòng)動(dòng)能；Ekx,Eky,Ekz分別為x,y,z3個(gè)自由度上的粒子動(dòng)能；kB為玻耳茲常數(shù)，一般取kB=1.380649 10-23J·K-1；T為相應(yīng)粒子具有的熱力學(xué)溫度(K)；m為粒子質(zhì)量；v為離子運(yùn)動(dòng)的均方根速度(m·s-1).

由(1)式可知，弓網(wǎng)電弧的熱力學(xué)溫度主要取決于粒子動(dòng)能，而影響離子動(dòng)能的主要是加速電壓，因此，電弧溫度的主要影響因素有接觸網(wǎng)電流電壓、弓網(wǎng)間隙氣壓、弓網(wǎng)接觸材料的蒸氣游離電位等.而以上因素均會(huì)影響到弓網(wǎng)電弧的持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度.

1.2 弓網(wǎng)電弧的日盲區(qū)特性

弓網(wǎng)電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，放電過(guò)程中，會(huì)伴隨發(fā)光，即弧光[13].弓網(wǎng)電弧的弧光光譜中包含紫外線部分，其中280±5 nm波段紫外線可做為弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度檢測(cè)特征量[14-15]，主要原因有：① 該波段光信號(hào)屬日盲區(qū)，可以不受陽(yáng)光干擾；② 該波段在電弧光譜中呈現(xiàn)小波峰，易于檢測(cè)；③ 該波段在電弧光譜中占有一定比例，隨電弧光譜強(qiáng)度正向變化.因此，將(280±5)nm特征波段紫外光作為檢測(cè)對(duì)象，可以準(zhǔn)確反映弓網(wǎng)電弧的強(qiáng)弱.

2 弓網(wǎng)電弧溫度及強(qiáng)度檢測(cè)

2.1 弓網(wǎng)溫度檢測(cè)

弓網(wǎng)溫度測(cè)量應(yīng)用非接觸式紅外溫度測(cè)量技術(shù)，在車輛頂部安裝紅外熱成像儀，車輛運(yùn)行過(guò)程中對(duì)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)連續(xù)拍攝，紅外熱成像儀輸出的溫度圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，利用圖像處理算法，找出弓網(wǎng)圖像中的溫度異常點(diǎn)，記錄檢測(cè)位置、溫度信息、保存溫度圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)電弧溫度的檢測(cè).車頂弓網(wǎng)位置紅外圖像如圖1所示.

圖1 車頂弓網(wǎng)電弧的紅外圖像

2.2 基于日盲區(qū)的弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度檢測(cè)

在車頂距弓網(wǎng)接觸點(diǎn)4 m處，以25°傾角安裝弓網(wǎng)電弧光學(xué)采集系統(tǒng).弓網(wǎng)電弧光收集及轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示.

圖2 弧光采集及轉(zhuǎn)換過(guò)程

光學(xué)系統(tǒng)前端安裝有帶通濾光片，能夠?yàn)V除280±5 nm特征波段以外的光線.特征波段光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)透鏡組后，會(huì)聚在其末端的光纖束端面.特征波段經(jīng)光纖傳輸?shù)接晒怆姳对龉転樘綔y(cè)器的光電轉(zhuǎn)換模塊，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，檢測(cè)該電信號(hào)的持續(xù)時(shí)間及大小，即可得出弓網(wǎng)電弧持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度.

3 弓網(wǎng)電弧檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了得到城軌弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度、電弧持續(xù)時(shí)間與溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將紅外熱成像儀與基于日盲區(qū)的弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)安裝在蘭州軌道交通1號(hào)線一期線路列車車頂進(jìn)行隨車檢測(cè)，完成了4次弓網(wǎng)電弧溫度及弧光信息收集.檢測(cè)條件涵蓋列車運(yùn)行方向(上、下行)、線路條件(地上、地下)、懸掛模式(剛性懸掛、柔性懸掛、剛?cè)徇^(guò)度懸掛)，并考慮了試驗(yàn)時(shí)間段(陽(yáng)光影響)、列車運(yùn)行速度等因素.上行檢測(cè)時(shí)，列車由陳官營(yíng)停車場(chǎng)出發(fā)，依次經(jīng)過(guò)20個(gè)車站后到達(dá)東崗車輛段停車，每個(gè)車站停車時(shí)間1分鐘.下行檢測(cè)時(shí)，由東崗車輛段開(kāi)往陳官營(yíng)停車場(chǎng).具體檢測(cè)條件和參數(shù)如表1所示.

表1 檢測(cè)條件

4次檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)束后，共收集整理出燃弧次數(shù)172次，每次運(yùn)行檢測(cè)出的燃弧次數(shù)、燃弧時(shí)長(zhǎng)、燃弧率、最大燃弧持續(xù)時(shí)間、平均燃弧持續(xù)時(shí)間、最大燃弧強(qiáng)度(光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓積分值)、平均燃弧強(qiáng)度以及檢測(cè)到的最高燃弧溫度數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 檢測(cè)結(jié)果

由表2 可以看出，在4次上、下行燃弧檢測(cè)過(guò)程中，均檢測(cè)出弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象.檢測(cè)出弓網(wǎng)電弧的最大持續(xù)時(shí)間達(dá)到261 ms，用以衡量弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度的光電轉(zhuǎn)化模塊輸出最大電壓積分值達(dá)到397 mV，而車頂紅外熱成像儀檢測(cè)到的最高弓網(wǎng)電弧溫度達(dá)到6 717 K.

為了得到弓網(wǎng)電弧的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間與電弧溫度之間的關(guān)系，對(duì)以上4次檢測(cè)的所有弓網(wǎng)電弧數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖3給出了弓網(wǎng)電弧的持續(xù)時(shí)間與檢測(cè)單次電弧平均溫度的關(guān)系，圖4給出了弓網(wǎng)電弧的強(qiáng)度與檢測(cè)單次電弧平均溫度的關(guān)系.從圖3 可以看出，弓網(wǎng)電弧的溫度與持續(xù)時(shí)間有關(guān)，隨電弧持續(xù)時(shí)間增加，電弧平均溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì).二者變化趨勢(shì)趨于線性關(guān)系.

圖3 弓網(wǎng)電弧持續(xù)時(shí)間與平均溫度的關(guān)系

從圖4可以看出，弓網(wǎng)電弧的平均溫度與基于電弧光特性檢測(cè)出的光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓值與弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度有關(guān).電弧強(qiáng)度越大，即電弧燃燒越劇烈，其平均溫度越高.二者變化趨勢(shì)趨于線性關(guān)系.

圖4 弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度與平均溫度的關(guān)系

結(jié)果表明，弓網(wǎng)電弧平均溫度受電弧持續(xù)時(shí)間和電弧光譜輻射強(qiáng)度影響，均為正相關(guān)關(guān)系.主要原因?yàn)椋陔娀〕掷m(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、輻射強(qiáng)度越大的情況下，弓網(wǎng)間隙中的帶電粒子與中性分子碰撞的速度就越快、碰撞時(shí)間越長(zhǎng)，碰撞次數(shù)越多，進(jìn)而導(dǎo)致弓網(wǎng)間隙中氣體的平均平動(dòng)動(dòng)能越大，電弧的溫度越高.

4 結(jié)束語(yǔ)

弓網(wǎng)電弧的高溫特性會(huì)造成接觸線和受電弓滑板損傷，可能導(dǎo)致接觸線表面麻點(diǎn)甚至燒蝕、燒斷，發(fā)生嚴(yán)重機(jī)車安全事故.經(jīng)分析，弓網(wǎng)電弧溫度受弓網(wǎng)材料特性、環(huán)境氣壓、接觸線電壓影響，以上3個(gè)因素又直接決定離線間隙下能否起弧、電弧的持續(xù)時(shí)間及電弧的強(qiáng)度.因此，文中將光學(xué)法電弧檢測(cè)系統(tǒng)及紅外熱像儀安裝于蘭州軌道交通1號(hào)線列車進(jìn)行弓網(wǎng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、溫度檢測(cè).經(jīng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)電弧的溫度與其持續(xù)時(shí)間和電弧強(qiáng)度均存在相關(guān)性，弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則其溫度越高，但并不是完全線性關(guān)系.

弓網(wǎng)電弧起弧、燃弧、滅弧過(guò)程中的溫度變化，弓網(wǎng)電弧溫度、持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度對(duì)接觸線及受電弓滑板的微觀影響還需要進(jìn)行深入研究.