弓網系統(tǒng)接觸電阻影響因素研究現狀綜述

摘要 弓網系統(tǒng)是電力化鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，為了提高弓網系統(tǒng)運行的可靠性與關鍵性，控制與降低弓網系統(tǒng)接觸電阻至關重要，文章綜述了目前關于弓網系統(tǒng)中接觸電阻研究現狀，并從接觸壓力、牽引電流及滑動速度等幾個方面對弓網系統(tǒng)接觸電阻的影響進行了探討。結果表明，增大接觸壓力則提高弓網接觸的穩(wěn)定性，減小接觸電阻；增加滑動速度會降低弓網接觸的穩(wěn)定性，破壞接觸表面膜層，導致接觸電阻增大；增大牽引電流將增強潤滑作用，減小接觸電阻。

關鍵詞 弓網系統(tǒng)；接觸電阻；接觸壓力；滑動速度；牽引電流

中圖分類號 U264.34；U255 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0182-03

0 引言

在當今飛速發(fā)展的鐵路運輸領域中，鐵路電氣化技術正日益成為現代化電氣鐵路的重要組成部分。鐵路弓網系統(tǒng)是指由受電弓和接觸網組成的鐵路供電系統(tǒng)，將電能輸送至行駛中的列車。弓網系統(tǒng)作為鐵路電氣化中不可或缺的角色，其穩(wěn)定性將直接影響鐵路列車的正常運行。

弓網系統(tǒng)接觸電阻是評價弓網系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要因素，當接觸電阻過大時，弓網接觸處會產生額外的焦耳熱，從而使得溫度上升，加大弓網系統(tǒng)接觸處導線的磨損，降低弓網系統(tǒng)的使用壽命。因此，研究弓網系統(tǒng)接觸電阻對列車安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

由于運行中的列車處于動態(tài)過程，因此弓網系統(tǒng)的接觸電阻實際上處于動態(tài)變化中。為了揭示接觸電阻的變化規(guī)律，多數學者經過研究認為其主要受到接觸壓力、牽引電流及滑動速度的影響。通過研究發(fā)現，動態(tài)接觸電阻與接觸壓力變化呈現正相關，當接觸壓力增大時，接觸電阻則迅速下降；當列車處于運行中時，牽引電流會對金屬表面產生氧化作用，增大膜層電阻，導致接觸電阻上升；受電弓滑板與接觸網導線在列車運行時因摩擦產生熱量的影響，其接觸電阻也會升高。

1 弓網系統(tǒng)及接觸電阻構成

弓網系統(tǒng)是由受電弓與接觸網組成的整體，向列車提供動力。弓網系統(tǒng)的示意圖如圖1所示：

圖1 弓網系統(tǒng)示意圖

由于受電弓與接觸網屬于滑動電接觸類型，在列車運行中，受電弓與接觸網之間將產生復雜的理化現象，隨著列車運行速度的提升，燒蝕、損耗、離線等理化現象的出現概率將大幅提升，直接影響列車的安全穩(wěn)定運行。

接觸電阻是研究弓網系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎，接觸電阻構成復雜。根據德國學者Raganr Holm提出的電接觸理論[1]，任何兩個接觸物體的表面都不絕對光滑，金屬表面會在空氣中形成污染膜層，當兩物體接觸時，非光滑表面的突出部分將首先進行接觸，Raganr Holm將這些接觸部分稱為導電斑。當電流經過導電斑時，電流線將發(fā)生收縮，電流路徑增長，等效減小了導電面積，使得在導電斑局部出現附加電阻，稱之為收縮電阻Rs（Constriction Resistance），如圖2所示：

圖2 電流收縮示意圖

從圖２可以看出，導電斑的存在將電流線聚集在一起連接著兩個不同電導率的材料，即電流經過導電斑形成通路，導電斑則成為接觸面上的導電區(qū)域，因此導電斑的大小及數目直接影響收縮電阻的大小。同時，由于弓網系統(tǒng)長期處于空氣介質中，受氧化、污染等因素影響將在表面形成一層膜，稱之為膜層電阻Rf（Film Resistance）。弓網系統(tǒng)表面膜層構成復雜，膜層之間相互滲透。在列車運行過程中，弓網系統(tǒng)處于滑動狀態(tài)，接觸面膜層也會受到影響，同時，由于波動接觸壓力的變化，弓網系統(tǒng)可能出現分離情況，其表面導電斑大小及數目也會發(fā)生改變，從而在接觸面呈現出電容性或電阻性。當經過接觸面導電斑的電流由于溫度增大導致接觸面溫度上升時，導電斑將出現熔融現象，形成電弧，即電弧電阻Rg。在弓網系統(tǒng)接觸處，膜層電阻與收縮電阻在電路上呈現串聯關系，二者之和即為接觸電阻。

2 接觸電阻影響因素分析

多數學者經過研究認為接觸電阻主要受接觸壓力、牽引電流及滑動速度的影響。該節(jié)從這三個影響因素入手，分析目前鐵路領域內關于接觸電阻影響因素的研究現狀，對弓網系統(tǒng)接觸電阻的研究進行綜述。

2.1 接觸壓力的影響

在列車實際運行中，弓網系統(tǒng)處于一個完全動態(tài)的環(huán)境，受地勢、環(huán)境及列車運行所產生的震動等因素影響，使得弓網系統(tǒng)接觸處的狀態(tài)時刻發(fā)生變化，其接觸壓力處于波動狀態(tài)，對接觸電阻產生一定波動，影響列車運行安全的穩(wěn)定性。因此，研究弓網系統(tǒng)的接觸壓力對接觸電阻的影響至關重要。文獻2通過滑動電接觸實驗機，研究了不同波動載荷下接觸電阻的變化規(guī)律[2]，圖3為滑動電接觸實驗機。

圖3 滑動電接觸實驗機

該文設定50 N、70 N、90 N、110 N共4個波動載荷，并通過在同一滑動速度下測量接觸電阻的變化，得到接觸電阻與波動載荷的變化關系。從實驗結果分析來看，隨著弓網系統(tǒng)接觸壓力的增大，接觸電阻呈現明顯的減小趨勢；當牽引電流為250 A、滑動速度為120 km/h時，設定接觸壓力為50 N時得到的接觸電阻約為0.055 Ω；當接觸壓力上升至110 N時，接觸電阻大幅降低至0.03 Ω。分析造成接觸電阻下降的原因是當接觸壓力增大時，弓網系統(tǒng)接觸處的接觸面積也隨之增大，提高了列車運行的穩(wěn)定性，從而減少了接觸電阻。

文獻3研究了弓網系統(tǒng)中無載流靜態(tài)接觸時的接觸電阻與接觸壓力的變化關系[3]。試驗結果與前文相符，當接觸壓力增大時，接觸電阻呈現減小趨勢，但當接觸壓力增大至120 N后，接觸電阻基本維持在恒定值。分析造成接觸電阻不再減小的原因是接觸面的總形變達到了閾值，僅僅增加接觸壓力已經無法使接觸面積增大，因此接觸電阻的減小速率放緩。

2.2 滑動速度的影響

弓網系統(tǒng)作為一個電氣與機械耦合接觸的整體系統(tǒng)，其接觸電阻與列車運行速度具有密不可分的關系。同時，由于弓網系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，在列車在運行中會由于摩擦產生一定的磨損量，磨損量越多，接觸處發(fā)熱量越大，相應接觸電阻也會增加。文獻4對弓網系統(tǒng)的載流摩擦特性進行了深入研究[4]，將滑動磨損分為機械、電氣及二者共同作用三部分，載流磨損公式如下：

WT=WE+WM+WEamp;M （1）

式中，WT——總磨損量；WE——純電氣磨損量；WM——純機械磨損量；WEamp;M ——二者共同作用的磨損量。該文通過實驗發(fā)現，弓網系統(tǒng)在有無載流情況下的摩擦特性存在差異，在無載流時，磨損量隨著載荷增加而增加；當有載流時，磨損量隨著載荷增大呈現先減小后增加的特性。同時，通過改變滑動速度觀察磨損量發(fā)現，無論是否載流，弓網系統(tǒng)磨損量都會隨著滑動速度增加而增加。

文獻5研究了70 km/h、110 km/h、150 km/h、190 km/h四種不同滑動速度下的弓網系統(tǒng)滑板磨損率[5]。實驗發(fā)現，滑板的磨損率與滑動速度成正相關趨勢，這是因為當列車運行速度增大時，摩擦運動劇烈，磨損率增加，磨損率與滑動速度的關系如圖4所示，此時不但會對弓網系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性產生影響，同時摩擦產生的熱量也會導致接觸電阻增大。

2.3 牽引電流的影響

牽引電流為列車提供動力，在列車運行中由于摩擦及振動而產生損耗。同時，增大牽引電流，接觸表面的溫度則因焦耳定律而升高，接觸材料硬度變低起到潤滑作用，接觸電阻減小。文獻6研究了波動載荷下的不同牽引電流對弓網系統(tǒng)接觸電阻的影響[6]，通過在滑動速度為120 km/h、波動頻率為2 Hz的條件下分別對牽引電流為100 A、150 A、200 A、250 A的弓網系統(tǒng)接觸電阻變化規(guī)律進行研究。研究發(fā)現，隨著牽引電流增大，接觸電阻迅速下降，接觸處溫度升高，如圖5所示：

分析其原因可能是較大的牽引電流導致的接觸表面溫度過高，接觸處材料在高溫作用下被軟化，同時由于弓網系統(tǒng)的動態(tài)滑動特性，接觸表面在剪切應力作用下變得更為平滑，增加了弓網系統(tǒng)的接觸面積，有利于電流傳導，從而減小了接觸電阻，這種效應稱之為“潤滑”作用。文獻7為驗證牽引電流對磨損分布的影響，對實際運行的地鐵運行數據進行了分析[7]，分析發(fā)現，接觸線的損耗大部分為電氣損耗且其分布受牽引電流平均值及幅值的影響。該文選取11號線上行與下行時的磨損率與滑動速度關系圖發(fā)現，損耗與運行速度成正相關，即當牽引電流增大時，列車運行損耗增大。通過對不同牽引電流下的損耗分析還發(fā)現，牽引電流均值大于1 400 A時，損耗出現的概率增高，而牽引電流低于1 200 A時，損耗概率將降低。

3 結論

弓網系統(tǒng)為列車運行提供動力，接觸網與受電弓之間的連接狀態(tài)將直接影響列車的運行穩(wěn)定性，而在弓網系統(tǒng)中，接觸電阻是衡量弓網系統(tǒng)安全可靠的關鍵指標，對接觸電阻的研究不僅可以在一定程度上解決由于環(huán)境、氣候、地理等因素造成的鐵路行業(yè)發(fā)展受限等問題，還對接觸網與受電弓之間的參數改進具有指導意義。該文從接觸壓力、滑動速度及牽引電流三個影響方面對弓網系統(tǒng)的接觸電阻變化規(guī)律進行了總結，得到結論如下：

（1）接觸壓力增大使得弓網系統(tǒng)接觸面積增大，接觸電阻減小，同時提升了列車運行穩(wěn)定性。

（2）滑動速度增大破壞了接觸表面的膜層，增大了接觸電阻。

（3）牽引電流增大所產生的“潤滑”作用增加了弓網系統(tǒng)的接觸面積，減小了接觸電阻。

參考文獻

[1]R Holm. Electrical Contacts[M]： New York：Springer， 1979.

[2]時光，陳翼喆，李瑩，等.基于先驗知識的弓網接觸電阻預測模型精度提升方法研究[J/OL].電工技術學報，2023-11-17/2024-09-02.

[3]陳忠華，石英龍，時光，等.受電弓滑板與接觸網導線接觸電阻計算模型[J].電工技術學報，2013（5）：188-195.

[4]郭鳳儀，婁曉妹，李本君，等.滑動電接觸磨損量最小的最佳載荷實驗[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2012（1）：81-84.

[5]陳忠華，李紀臻，邢植良，等.強電流下弓網滑動電接觸磨損特性分析和建模[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2023（6）：740-747.

[6]趙佳坤.弓網接觸電阻特性及基于先驗知識的建模研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2023.

[7]楊虎，耿星潔.地鐵列車牽引電流對接觸網磨耗影響分析[J].現代城市軌道交通，2023（S1）：59-67.