低氣壓環(huán)境電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧放電特性研究

景所立,魏 隆,陳 歡,李 杰,魯 超,母婷佑,陰國(guó)鋒

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266000； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

引言

近年來，隨著高速鐵路技術(shù)的不斷進(jìn)步，列車的運(yùn)行速度也越來越高，伴隨而來的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象也越來嚴(yán)重[1]，電弧高溫、高能量的特性會(huì)對(duì)接觸線、受電弓滑板造成嚴(yán)重?fù)p傷[2]，已成為鐵路發(fā)展的重大阻礙之一。

對(duì)高原鐵路而言，弓網(wǎng)電弧帶來的危害將更為嚴(yán)重。某高原鐵路擬首次實(shí)現(xiàn)世界上速度等級(jí)最高的剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)，海拔高度高、氣壓低、氧氣稀薄[3-4]。上述特點(diǎn)將導(dǎo)致弓網(wǎng)耦合振動(dòng)劇烈，電弧起弧閾值降低、強(qiáng)度增大，列車受流質(zhì)量持續(xù)下降，嚴(yán)重影響列車安全穩(wěn)定運(yùn)行。故亟需針對(duì)高原鐵路特殊工況，開展高海拔、低氣壓環(huán)境下弓網(wǎng)電弧放電特性的相關(guān)研究，為高原鐵路的建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步了解弓網(wǎng)電弧特性，保障鐵路牽引供電系統(tǒng)及列車的運(yùn)行安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)弓網(wǎng)電弧模型、弓網(wǎng)電弧電氣特性、弓網(wǎng)電弧電磁干擾等方面展開了大量實(shí)驗(yàn)與仿真研究。在弓網(wǎng)電弧模型的研究方面，韓偉鋒等[5]利用流體動(dòng)力學(xué)方程和麥克斯韋電磁場(chǎng)方程建立了弓網(wǎng)電弧的MHD數(shù)學(xué)模型、二維流固耦合模型，研究了弓網(wǎng)電弧的形態(tài)、電流密度和電場(chǎng)的分布特性。朱光亞等[6]根據(jù)弓網(wǎng)電弧周圍電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)和氣流場(chǎng)的耦合關(guān)系，搭建了弓網(wǎng)多物理場(chǎng)耦合模型，并對(duì)弓網(wǎng)電弧的發(fā)生發(fā)展特性進(jìn)行了研究。在弓網(wǎng)電弧電氣特性的研究方面，徐旻等[7]針對(duì)弓網(wǎng)電弧伏安特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)燃弧尖峰電壓隨弓網(wǎng)間隙距離的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。喬凱等[8]基于改進(jìn)的Mayr模型，發(fā)現(xiàn)列車運(yùn)行速度越高，電弧耗散功率越高， 燃弧尖峰電壓和熄弧尖峰電壓也越高。在弓網(wǎng)電弧電磁干擾的研究方面，陳嵩等[9]運(yùn)用Simulink軟件搭建了弓網(wǎng)電火花噪聲仿真模型，并進(jìn)行了弓網(wǎng)電弧對(duì)鐵路通信系統(tǒng)的干擾現(xiàn)象的分析與預(yù)測(cè)。黃金磊等[10]基于FEKO軟件對(duì)弓網(wǎng)離線電弧的電磁場(chǎng)的分布和衰減特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)電弧頻率越高，其衰減速度也越快。

某高原鐵路沿線海拔高、氣壓低，勢(shì)必會(huì)對(duì)弓網(wǎng)電弧特性造成影響，但國(guó)內(nèi)外與其相關(guān)的研究卻寥寥無幾，更多的是關(guān)于氣壓對(duì)開關(guān)電弧和絕緣子的污閃特性影響的研究[11-15]，針對(duì)低氣壓環(huán)境弓網(wǎng)異質(zhì)異構(gòu)電極的放電特性的研究相對(duì)較少，因此依托某高原鐵路工程建設(shè)，亟需開展低氣壓環(huán)境弓網(wǎng)電弧放電特性分析研究。本文運(yùn)用Comsol電流、磁場(chǎng)、傳熱以及層流四大模塊，基于電弧MHD模型，建立了低氣壓環(huán)境弓網(wǎng)電弧模型，對(duì)不同氣壓下弓網(wǎng)電弧的電壓特性、溫度場(chǎng)特性、電流密度特性進(jìn)行了研究，并通過實(shí)驗(yàn)獲得了不同氣壓下的電弧圖像、拉斷距離等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

1 模型描述

1.1 簡(jiǎn)化幾何模型

由于弓網(wǎng)電弧受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)耦合的影響，其本身的規(guī)律又有一定隨機(jī)性，對(duì)弓網(wǎng)電弧直接進(jìn)行仿真較為困難，因此需要對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提升仿真模型的收斂性。

仿真采用的簡(jiǎn)化弓網(wǎng)系統(tǒng)二維模型如圖1(a)所示，接觸線直徑設(shè)為13 mm。為使接觸線更穩(wěn)固地架設(shè)在接觸網(wǎng)上，需要用接觸線固定線夾固定在溝槽上，因此在幾何模型中也設(shè)計(jì)了兩個(gè)接觸線溝槽，其角度為89.4°，兩溝槽間距為5.22 mm[16]。受電弓滑板尺寸為5 mm×30 mm，弓網(wǎng)間距設(shè)為4 mm。

當(dāng)用此模型進(jìn)行計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格需剖分得很細(xì)才能得到收斂的運(yùn)算結(jié)果，尤其是溝槽區(qū)域的網(wǎng)格需要進(jìn)行超細(xì)化甚至極細(xì)化處理，這極大地減慢了運(yùn)算速度，因此需對(duì)弓網(wǎng)電弧幾何模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)弓網(wǎng)電弧形態(tài)、溫度等特征起決定性作用的是接觸線底部區(qū)域以及受電弓滑板頂部區(qū)域，而溝槽區(qū)域只是對(duì)接觸線起固定作用，對(duì)弓網(wǎng)電弧影響不大。因此，可去掉接觸線溝槽部分，只保留其底部，得到簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1(b)所示。

圖1 弓網(wǎng)電弧幾何模型(單位：mm)

1.2 材料物性參數(shù)設(shè)定

在弓網(wǎng)電弧模型中，材料物性參數(shù)包括電極材料(受電弓滑板、接觸網(wǎng)導(dǎo)線)以及弓網(wǎng)間隙空氣參數(shù)。接觸網(wǎng)導(dǎo)線選取直徑為4 mm的紅銅材料，其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性能優(yōu)異、耐燒蝕性能好，適合進(jìn)行電弧放電特性研究；受電弓滑板選取純碳滑板，其優(yōu)點(diǎn)是在弓網(wǎng)滑動(dòng)磨損時(shí)主要磨損滑板，從而保護(hù)接觸線材料，降低接觸線材料的更換頻率。電極材料具體的參數(shù)如表1所示。

表1 電極材料參數(shù)

對(duì)于空氣參數(shù)的設(shè)定，其情況較為復(fù)雜。對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率，默認(rèn)為1，但對(duì)于電導(dǎo)率和比熱容等參數(shù)，并不能簡(jiǎn)單地用一個(gè)常數(shù)來表示。由于電弧本身的溫度很高，與環(huán)境設(shè)定的初始溫度相比差異極大，并且兩電極之間的電流流通是以電弧作為導(dǎo)體的，因此可以判斷空氣在電弧各區(qū)域由于溫度的不同其參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。且在不同的氣壓等級(jí)下，空氣的密度、比熱容、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

為了使仿真結(jié)果更加精確，空氣區(qū)域的參數(shù)需要與實(shí)際情況盡可能一致。因此，在仿真模型中設(shè)置了隨環(huán)境溫度和氣壓變化的空氣參數(shù)，10.1 kPa(0.1 atm)，30.3 kPa(0.3 atm)，50.5 kPa(0.5 atm)，101.0 kPa(10.1 atm)四個(gè)氣壓等級(jí)下的空氣密度、比熱容、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線rho(T)、Cp(T)、sigma(T)、k(T)分別如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示[17]。

圖2 不同氣壓等級(jí)下空氣參數(shù)隨溫度變化曲線

1.3 電弧數(shù)學(xué)模型

弓網(wǎng)電弧模型是基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論建立的，該理論包括流體動(dòng)力學(xué)方程、電磁場(chǎng)方程[18]。流體動(dòng)力學(xué)方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程組，主要包括流體質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程，電磁場(chǎng)方程主要包括Maxwell方程組，是研究電弧特性必不可少的工具。具體方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中，ρ為電弧密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；v為電弧等離子體的流場(chǎng)速度，m/s。

(2)動(dòng)量守恒方程

(2)

式中：vi為i=(r，z)方向上的速度分量，m/s；η為動(dòng)力黏度，Pa·s；p為壓強(qiáng)，Pa；J為電流密度，A/m2；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

(3)能量守恒方程

(3)

式中，h為焓；λ為熱導(dǎo)率；cp為比定壓熱容；Sh為能量源項(xiàng)，是電弧等離子體的能量來源，可通過式(4)計(jì)算得到

(4)

式中，σ為電弧等離子體電導(dǎo)率，S/m；V為流體粘性耗散項(xiàng)；J2/σ為電流流過電弧等離子體所產(chǎn)生的焦耳熱；QR為電弧等離子體通過輻射向外散發(fā)的能量。

(4)Maxwell方程

電弧電場(chǎng)φ的計(jì)算方程為

?·(σ?φ)=0

(5)

電弧電流密度矢量為

J=-σ?φ

(6)

電弧電流自感生電場(chǎng)的B0為

?×H0=J

(7)

B0=μ0(H0+M)

(8)

M=B0(μr-1)/μ0

(9)

或者

(10)

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，計(jì)算得接觸線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)為

(11)

綜上，電弧等離子體總的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(12)

1.4 邊界條件

首先針對(duì)溫度場(chǎng)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，將空氣區(qū)域的溫度設(shè)置為293.15 K，接觸線頂部與受電弓滑板底部的溫度初始值設(shè)置為293.15 K，其余邊界上的溫度設(shè)為自然對(duì)流換熱，其溫度滿足如下方程

q·n=h(T-T0)

(13)

然后，對(duì)層流場(chǎng)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，空氣區(qū)域設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)，將受電弓滑板和接觸線設(shè)置為內(nèi)壁(無滑移)邊界條件，模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的仿真環(huán)境。并將邊界AB、CD、DE、HA設(shè)為開邊界，其他邊界不進(jìn)行設(shè)置。

對(duì)于電流邊界，將受電弓滑板的底部邊界設(shè)置為接地邊界條件，電勢(shì)為0V；將接觸線底部設(shè)置為邊界電流源；將滑板頂部和接觸線的電極鞘層區(qū)域設(shè)置為電流守恒邊界條件[16]，并設(shè)置所有邊界為電絕緣邊界條件。

對(duì)于磁場(chǎng)部分，根據(jù)電磁場(chǎng)方程設(shè)置各區(qū)域所需磁場(chǎng)大小，并設(shè)置所有邊界為磁絕緣邊界條件，如表2所示。

表2 仿真邊界條件

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 高海拔環(huán)境弓網(wǎng)電弧電壓特性分析

為探究高海拔環(huán)境弓網(wǎng)電弧放電特性，針對(duì)高海拔環(huán)境弓網(wǎng)電弧的電壓進(jìn)行了研究。將電流設(shè)為50 A，弓網(wǎng)間距設(shè)為4 mm，空氣壓強(qiáng)分別設(shè)為101.0，50.5，30.3，10.1 kPa，在COMSOL中繪制出不同氣壓下弓網(wǎng)系統(tǒng)電勢(shì)分布圖，如圖3所示。

圖3 不同氣壓等級(jí)下弓網(wǎng)系統(tǒng)電勢(shì)分布

為更直觀地了解弓網(wǎng)系統(tǒng)電勢(shì)的具體分布，截取弓網(wǎng)系統(tǒng)軸向電勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3(a)中紅線所示，截取線原點(diǎn)(軸向距離為0處)為滑板頂部。繪制出不同氣壓下弓網(wǎng)電弧軸向電勢(shì)曲線，如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)電弧軸向電勢(shì)分布

從圖4可看出，弓網(wǎng)電弧軸向各點(diǎn)電勢(shì)隨氣壓的降低而降低，在電弧兩極區(qū)域存在明顯的電勢(shì)突變現(xiàn)象。且101.0,50.5,30.3,10.1 kPa下弓網(wǎng)電弧電壓分別為13.54,12.39,12.12 V和11.84 V，因此，氣壓越低，弓網(wǎng)電弧軸向電壓也越低。這主要是因?yàn)闅鈮涸礁?，空氣熱?dǎo)率越高，使得電弧加速散熱，促進(jìn)了電弧的去游離過程，需要通過電源補(bǔ)償更高的電壓來維持電弧燃燒，從而使電弧電壓升高[19]。且從圖4可看出，靠近電極區(qū)域單位距離壓降明顯大于弧柱區(qū)域。

2.2 高海拔環(huán)境弓網(wǎng)電弧溫度特性分析

為了分析不同氣壓對(duì)弓網(wǎng)電弧溫度的影響，分別將氣壓設(shè)為101.0,50.5,30.3 kPa和10.1 kPa，對(duì)這四種氣壓下的弓網(wǎng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真。為了更直觀地分析氣壓對(duì)弓網(wǎng)電弧溫度值的影響，分別按圖3(a)所示的紅色與黑色截線截取了弓網(wǎng)電弧軸向、徑向溫度數(shù)據(jù)，繪制了不同氣壓下的弓網(wǎng)電弧軸、徑向溫度分布，分別如圖5和圖6所示。在圖5(a)中，以軸向距離y=0.5 mm和y=3.5 mm為界將電弧劃分為陰極區(qū)、弧柱區(qū)和陽極區(qū)三部分，三者在不同氣壓下弓網(wǎng)電弧軸向溫度分布分別如圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)所示。在圖6(a)中以徑向距離x=-1 mm和x=1 mm為界將電弧劃分為弧柱中心區(qū)和弧柱邊緣區(qū)，不同氣壓下弓網(wǎng)電弧弧柱中心區(qū)徑向溫度分布如圖6(b)所示。

圖5 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧軸向溫度分布

如圖5(a)所示，弓網(wǎng)電弧軸向溫度近似呈馬鞍型，且陽極區(qū)域的軸向溫度均顯著高于陰極區(qū)域。這是由于弓網(wǎng)電弧兩電極材料不一樣導(dǎo)致的，陽極區(qū)域?yàn)殂~材料，熱導(dǎo)率比陰極區(qū)域的碳材料要高，導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，因此陽極區(qū)域電弧溫度較高[6,16,20]。

由圖5(a)可進(jìn)一步得到：在101.0,50.5,30.3,10.1 kPa氣壓下，弓網(wǎng)電弧陰極區(qū)最高溫度分別為12 206,11 945,11 083,10 929 ℃，弧柱區(qū)最高溫度分別為9 771,9 706,9 661,9 610 ℃，陽極區(qū)最高溫度分別為16 500,16 071，15 715,15 113 ℃。即隨著氣壓的降低，弓網(wǎng)電弧軸向溫度逐漸降低，且在電弧兩極區(qū)域這一現(xiàn)象最為明顯。一方面，電弧溫度與電弧能量關(guān)系密切，氣壓的降低會(huì)使空氣分子自由程變長(zhǎng)，粒子間的碰撞幾率減小，導(dǎo)致電弧溫度降低[19]。另一方面，氣壓降低時(shí)空氣比熱容會(huì)隨之下降[17]，導(dǎo)致弓網(wǎng)電弧吸收在吸收相同熱量的情況下溫度的上升幅度較小，在以上兩方面因素的綜合影響下，弓網(wǎng)電弧溫度隨氣壓降低而降低。

由圖6所示，隨著氣壓的降低，弓網(wǎng)電弧弧柱中心區(qū)溫度隨氣壓降低而降低的趨勢(shì)較為明顯，且最高溫度分別為9 298,9 257,9 245,9 207 ℃，而弧柱邊緣區(qū)溫度幾乎不變。

圖6 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧徑向溫度分布

2.3 高海拔環(huán)境弓網(wǎng)電弧電流密度特性分析

為了分析不同氣壓對(duì)弓網(wǎng)電弧電流密度的影響，分別將空氣氣壓設(shè)為101.0,50.5,30.3和10.1 kPa，對(duì)這4種氣壓下的弓網(wǎng)系統(tǒng)電流密度分布情況進(jìn)行仿真。

為了更直觀地分析氣壓對(duì)弓網(wǎng)電弧電流密度值的影響，截取弓網(wǎng)電弧軸、徑向電流密度數(shù)據(jù)，繪制了弓網(wǎng)電弧軸、徑向電流密度分布，如圖7和圖8所示。

圖7 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧軸向電流密度分布

圖8 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧徑向分布

由圖7可得到：在101.0,50.5,30.3,10.1 kPa氣壓下，弓網(wǎng)電弧陽陰極區(qū)最高電流密度分別為4.08×107，3.81×107，3.01×107，2.62×107A/m2，弧柱區(qū)最高電流密度分別為5.37×106，5.23×106，5.12×106，4.92×106A/m2，陽極區(qū)最高溫度分別為8.53×107，7.69×107，7.08×107，6.05×107A/m2。即隨著氣壓的降低，弓網(wǎng)電弧軸向電流密度逐漸降低，且在電弧兩極區(qū)域這一現(xiàn)象最為明顯。這是因?yàn)椋阂环矫?，氣壓的降低?huì)增大空氣分子自由程，粒子間的碰撞次數(shù)減少，導(dǎo)致粒子間碰撞電離率減小[19]；另一方面，空氣電導(dǎo)率隨氣壓降低而減小[17]，導(dǎo)致傳導(dǎo)電子的能力減弱，使電弧電流密度減小。以上兩方面原因綜合導(dǎo)致了弓網(wǎng)電弧電流密度隨氣壓降低而減小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，搭建了弓網(wǎng)電弧放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由限流電阻(5 Ω)、兩電極材料、直流電源、精密升降臺(tái)、高速相機(jī)以及示波器組成，如圖9(a)所示。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)低氣壓的環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中使用氣壓調(diào)節(jié)范圍為5～100 kPa的環(huán)境氣壓艙來調(diào)節(jié)氣壓的高低。

圖9 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧形態(tài)對(duì)比

將銅接觸線作為陽極，純碳滑板作為陰極，并用砂紙打磨平整后分別固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架和精密升降臺(tái)上，利用直流恒流電源將電源電壓設(shè)定為200 V，電流設(shè)定為50 A，拉弧時(shí)間設(shè)定為10 s，最大拉弧距離設(shè)定為10 mm。精密升降臺(tái)由伺服電機(jī)配合渦輪絲桿減速機(jī)完成升降操作，其中伺服電機(jī)通過給定脈沖數(shù)及單位時(shí)間脈沖數(shù)來控制升降臺(tái)的位移距離及位移速度。

改變實(shí)驗(yàn)氣壓條件，分別設(shè)為101.0,50.5,30.3,10.1 kPa待確認(rèn)兩電極材料充分接觸后(接觸電阻約為10 mΩ)，進(jìn)行低氣壓環(huán)境弓網(wǎng)電弧放電實(shí)驗(yàn)，并使用高速相機(jī)記錄電弧燃弧過程，得到4種氣壓下的弓網(wǎng)電弧形態(tài)，如圖9(b)所示。

從圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)，氣壓的高低會(huì)影響弓網(wǎng)電弧的燃弧過程。在同一弓網(wǎng)間距下，隨著氣壓的增大，弓網(wǎng)電弧燃燒程度越劇烈、產(chǎn)生的弧光越明亮。實(shí)驗(yàn)拍攝的電弧圖像亮度隨氣壓的降低而減弱，這也意味著在同一弓網(wǎng)間距下，弓網(wǎng)電弧溫度隨氣壓降低而降低，與仿真結(jié)果吻合。從圖9(b)中還可以發(fā)現(xiàn)，在鄰近電極區(qū)域觀察到亮斑，陽極區(qū)亮度高于陰極區(qū)，表明弓網(wǎng)電弧兩極區(qū)域溫度高于弧柱區(qū)域，且陽極區(qū)溫度最高，與上述仿真結(jié)果一致。

弓網(wǎng)電弧維持能力是電弧燃弧過程的重要表征量，可用弓網(wǎng)電弧拉斷距離表示，弓網(wǎng)電弧拉斷距離即弓網(wǎng)電弧被拉斷一瞬間的弓網(wǎng)間距。一般而言，弓網(wǎng)電弧的拉斷距離越長(zhǎng)，則表示電弧燃弧時(shí)間越長(zhǎng)、熄弧越困難，由弓網(wǎng)電弧造成的危害越嚴(yán)重。為進(jìn)一步探明低氣壓環(huán)境對(duì)弓網(wǎng)電弧維持能力的影響，將電流設(shè)為50 A，電極拉斷速度設(shè)為40 mm/s，在電壓分別為200，300，400，500 V的條件下測(cè)得不同氣壓等級(jí)下電弧的拉斷距離，如圖10所示。

由圖10可知，氣壓與弓網(wǎng)電弧的拉斷距離呈指數(shù)型關(guān)系。隨著氣壓的降低，弓網(wǎng)電弧的拉斷距離呈非線性增長(zhǎng)，從101.1 kPa的135 mm增大至20.2 kPa的279 mm。即氣壓越低，弓網(wǎng)電弧拉斷距離越長(zhǎng)，代表電弧維持能力越強(qiáng)，熄弧越困難，對(duì)滑板的侵蝕作用越強(qiáng)。這是因?yàn)楦鶕?jù)氣體介質(zhì)電場(chǎng)強(qiáng)度理論，在一定范圍內(nèi)弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度與氣壓成正比，即弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度隨氣壓的降低而減小[21]。因此，低氣壓下需要更大的弓網(wǎng)間隙才能保證電源電壓低于電弧電壓，即滿足熄弧條件。依據(jù)上述理論，低氣壓下維持電弧所需電壓降低，即在同一間隙下，電弧電壓隨氣壓降低而降低，與仿真結(jié)論一致。

圖10 不同氣壓下弓網(wǎng)電弧拉斷距離

4 結(jié)論

基于準(zhǔn)確的空氣電弧物性參數(shù)，在多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics中建立了考慮氣壓影響的弓網(wǎng)電弧仿真模型。利用該仿真模型針對(duì)氣壓對(duì)弓網(wǎng)電弧電壓、溫度、電流密度的影響進(jìn)行仿真研究。進(jìn)一步通過電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得不同氣壓下的電弧圖像、拉斷距離等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，補(bǔ)充和豐富了氣壓影響弓網(wǎng)電弧的認(rèn)識(shí)，同時(shí)驗(yàn)證了仿真結(jié)論的正確性。主要結(jié)論如下。

(1)弓網(wǎng)電弧電壓隨氣壓的降低而降低。隨著弓網(wǎng)間隙氣壓從101.0 kPa降為010.1 kPa，弓網(wǎng)電弧軸向各點(diǎn)電勢(shì)不斷下降，電弧電壓從13.54 V降為11.84 V；靠近電極區(qū)域單位距離壓降明顯大于弧柱區(qū)域。

(2)弓網(wǎng)電弧溫度隨氣壓的降低而降低。隨著弓網(wǎng)間隙氣壓從101.0 kPa降為10.1 kPa，電弧軸向最高溫度從16 500 ℃下降至15 113 ℃；且弓網(wǎng)電弧與電極相鄰區(qū)域溫度顯著高于弧柱區(qū)溫度。實(shí)驗(yàn)拍攝的電弧圖像亮度隨氣壓的降低而降低，且在臨近電極區(qū)域觀察到亮斑，與仿真結(jié)果一致。

(3)弓網(wǎng)電弧維持能力隨氣壓的降低而增強(qiáng)。在500 V電壓下進(jìn)行拉弧實(shí)驗(yàn)，弓網(wǎng)電弧的拉斷距離從101.0 kPa的135 mm增大至20.2 kPa的279 mm。表明低氣壓下維持電弧所需電壓降低，弓網(wǎng)電弧維持能力增強(qiáng)，將造成更嚴(yán)重的危害，在高原地區(qū)鐵路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中應(yīng)更加予以注意。