高速動車組弓網(wǎng)電弧的影響因素分析

高速動車組弓網(wǎng)電弧的影響因素分析

在電氣化路干擾坐標系中，接觸網(wǎng)是電氣化道路上的主要電源，動車組通過接觸網(wǎng)獲得能耗。弓網(wǎng)關系對整個高速電氣化鐵路系統(tǒng)的正常運行起著非常重要的作用,保證受電弓與接觸網(wǎng)導線的良好接觸狀態(tài)是弓網(wǎng)關系中亟需解決的關鍵問題之一。隨著動車組運行速度的提高,接觸網(wǎng)導線的不平順、接觸網(wǎng)振動、受電弓弓頭振動、軌道不平順等因素的影響也隨之加劇,使得受電弓與接觸網(wǎng)電接觸狀態(tài)嚴重惡化。具體表現(xiàn)為:一方面,受電弓滑板、接觸網(wǎng)導線磨耗增大,壽命明顯縮短;另一方面,弓網(wǎng)離線(受電弓與接觸網(wǎng)導線之間由接觸狀態(tài)到分離狀態(tài))更加頻繁,導致弓網(wǎng)電弧頻頻發(fā)生。法國阿爾斯通V150列車于法國巴黎時間2007年4月3日創(chuàng)下574.8km/h的高速列車記錄,從運行視頻中可以看到,列車運行速度超過200km/h時弓網(wǎng)電弧偶有發(fā)生,達到400km/h時電弧發(fā)生較為頻繁。弓網(wǎng)電弧不僅使車載電器承受高頻振蕩過電壓,還會燒蝕接觸導線,輕者縮短接觸導線的使用壽命,重者燒斷接觸導線,造成重大事故。弓網(wǎng)電接觸狀態(tài)的惡化,引起牽引電壓、電流波形畸變,降低列車受流質量,威脅行車安全。由于受現(xiàn)場運營條件、設備安裝空間等因素的限制,很難在現(xiàn)場對弓網(wǎng)電弧進行試驗。目前國內外多采用模擬試驗方法來研究弓網(wǎng)電弧特性,其試驗系統(tǒng)多采用盤銷結構,即將接觸網(wǎng)導線安裝在動力輪的圓周上,利用電機帶動動力輪轉動,受電弓滑板與動力輪圓周上的導線接觸,模擬弓網(wǎng)電接觸狀態(tài)。上述系統(tǒng)側重對普速鐵路的弓網(wǎng)載流摩擦進行研究,取得了一定的成果,但對弓網(wǎng)電弧、弓網(wǎng)電接觸特性研究較少。Tellini等人對弓網(wǎng)電弧電磁干擾的試驗研究,采用的試驗系統(tǒng)為真實的接觸導線和受電弓,但試驗系統(tǒng)中接觸網(wǎng)和受電弓在縱向方向(動車組運行方向)沒有相對運動,只有垂向沉浮運動,該系統(tǒng)只能進行升降弓條件下的弓網(wǎng)電弧試驗,無法進行動車組運行狀態(tài)下的弓網(wǎng)電弧試驗。ABB公司與瑞典皇家工學院聯(lián)合研制的弓網(wǎng)電弧電磁干擾試驗系統(tǒng)采用盤銷結構。由于弓網(wǎng)接觸電極(接觸網(wǎng)導線、受電弓滑板)形貌對弓網(wǎng)電弧放電通道、弧柱形態(tài)、弓網(wǎng)接觸電阻等影響較大,而盤銷式弓網(wǎng)試驗系統(tǒng)的弓網(wǎng)接觸為剛性圓弧點接觸,與實際線路的柔性平直線接觸存在著差異,而靜態(tài)弓網(wǎng)電弧電磁干擾系統(tǒng)無法模擬高速運動狀態(tài)下的弓網(wǎng)電弧動態(tài)特性。因此有必要針對弓網(wǎng)電弧的特點,研制適合高速鐵路弓網(wǎng)電弧的試驗系統(tǒng)。本文在分析弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機理的基礎上,研制了一套弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬弓網(wǎng)柔性平直線接觸狀態(tài)?；濉癦”字形運動、垂向沉浮運動等弓網(wǎng)運動狀態(tài),并利用該系統(tǒng)測試弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻、弓網(wǎng)電弧電壓、電流電氣參數(shù),并同步拍攝了弓網(wǎng)電弧形貌變化過程。1弓網(wǎng)電弧的形成原因在正常狀態(tài)下,氣體具有良好的絕緣性能,但當在氣體間隙的兩端施加足夠大的電場時,氣體就會被電離擊穿,從而發(fā)生持續(xù)放電。動車組通過其頂部的受電弓從接觸網(wǎng)導線獲取所需要的電流,當二者良好接觸時,接觸網(wǎng)導線與受電弓滑板電位相等,但在高速受流的情況下,由于接觸網(wǎng)硬點、接觸網(wǎng)(受電弓弓頭)的振動、導高突變、接觸網(wǎng)(受電弓)結冰、銹蝕等原因,造成弓、網(wǎng)之間的電氣接觸不可靠,弓、網(wǎng)之間出現(xiàn)分離現(xiàn)象,在接觸網(wǎng)導線和受電弓滑板分離的瞬間,接觸網(wǎng)導線與受電弓滑板的電位不再相等,接觸網(wǎng)導線與受電弓滑板之間電壓為牽引供電電壓和車載變壓器原邊電壓的矢量和,在弓網(wǎng)系統(tǒng)剛剛開始離線時,由于弓網(wǎng)之間的間隙較小,弓網(wǎng)間隙的場強較大,極易達到弓網(wǎng)之間氣體的擊穿場強,間隙氣體被擊穿,從而引起氣體放電,形成流注,并以弧光的形式發(fā)射出能量,產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧。此時,牽引供電回路為:電流從牽引變壓器流出,經(jīng)接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)電弧、受電弓、車載變壓器、鋼軌回流到牽引變壓器。隨著弓網(wǎng)離線距離的增大,電弧被拉長,電弧電阻增大,電弧電壓增加,弧柱溫升急劇升高,此時的電子發(fā)射方式由場電子發(fā)射為主轉變?yōu)闊犭娮影l(fā)射和光電子發(fā)射為主,動車繼續(xù)高速前行,電弧進一步被拉長,由于受熱電子發(fā)射的影響,弧根緊緊跟隨接觸網(wǎng)導線,如圖1所示。弓網(wǎng)電弧的熄滅形式有兩種:一種是隨著電弧的不斷拉長,電弧吸收的能量不足以維持電弧繼續(xù)燃燒,電弧熄滅;另外一種是由于弓網(wǎng)跳動離線后,受電弓在升弓壓力作用下,再次與接觸網(wǎng)接觸,此時由電弧受電轉變?yōu)榛瑒咏佑|受電,電弧熄滅。2相組成接觸網(wǎng)導線和受電弓面板運動方向根據(jù)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機理,研制了一套弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)由弓網(wǎng)電弧發(fā)生裝置、測試系統(tǒng)構成,如圖2所示。圖中箭頭的方向分別表示接觸網(wǎng)導線和受電弓滑板的運動方向。其中,接觸網(wǎng)導線運動采用變頻電機帶動圓盤轉動,圓盤帶動接觸網(wǎng)導線運動;受電弓滑板既有橫向“Z”字形運動又有縱向沉浮運動,采用伺服電機驅動。電氣回路:電流從電源流出,經(jīng)接觸網(wǎng)導線、弓網(wǎng)電弧、受電弓滑板、阻性感性一體化負載,最后回到電源。通過調整感性阻性一體化負載的電感、電阻值來模擬不同車型的負載特性。2.1弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)弓網(wǎng)電弧發(fā)生裝置由接觸網(wǎng)導線運動裝置、受電弓升降裝置、弓網(wǎng)電弧試驗控制系統(tǒng)及弓網(wǎng)電弧試驗電氣系統(tǒng)4部分組成。主要實現(xiàn)弓網(wǎng)相對運動過程中電弧的發(fā)生、發(fā)展過程。2.1.1導線張力及張力機構動車組在運行時,接觸網(wǎng)導線與受電弓滑板之間存在著縱向的高速滑動。本試驗系統(tǒng)中,采用接觸網(wǎng)導線在縱向相對地面高速運動,受電弓滑板縱向相對地面靜止狀態(tài),從而模擬弓網(wǎng)之間的高速滑動狀態(tài)。其裝置結構示意圖如圖3所示,該裝置由電機、傳送帶、傳動軸承、主動輪、接觸導線、從動輪、調節(jié)裝置等組成。其中主從動輪支架安裝在絕緣支座上,并保持良好的絕緣;電機安裝在主動輪中心軸下方的絕緣支座上,與主動輪支架之間保持著一定的電氣安全距離,電機通過傳送帶與主動輪中心軸相連;接觸網(wǎng)導線安裝在主動輪和從動輪的導線槽上;張力調節(jié)器安裝在從動輪支架上,通過張力調節(jié)器調節(jié)導線張力,以模擬不同接觸速度下的導線張力變化;從動輪支架安裝在絕緣支座上。導線運動裝置的工作過程為:在進行弓網(wǎng)電弧試驗時,首先通過張力調節(jié)器,調節(jié)接觸網(wǎng)導線張力,然后通過電機控制系統(tǒng)控制電機運動,電機帶動主動輪運動,接觸網(wǎng)導線帶動從動輪運動,這樣處于主動輪和從動輪之間的導線始終保持平直運動狀態(tài),這與實際動車組中的接觸網(wǎng)導線和受電弓滑板在水平方向上的接觸狀態(tài)更為接近。通過調節(jié)電機的轉速,可實現(xiàn)不同機車速度的模擬。2.1.2受電弓滑動控制裝置設計動車組運行時,接觸網(wǎng)導線和受電弓滑板除縱向相對高速滑動外,為減少對滑板的定點磨耗,還存在著橫向的“Z”字形滑動。同時由于接觸網(wǎng)導線硬點、列車振動等因素的影響,弓網(wǎng)系統(tǒng)還存在垂向沉浮運動。本系統(tǒng)利用伺服控制與滾軸絲杠驅動相結合來控制受電弓滑板運動,模擬上述工況,其結構如圖4所示?？v向位置滾軸絲杠安裝在底座上,形成縱向滑臺,在絲杠的末端安裝調節(jié)手柄,以實現(xiàn)受電弓滑板縱向位置的調節(jié)。橫向的滑臺安裝在縱向滑臺上,橫向滑臺的驅動采用伺服電機驅動,垂向滑臺安裝在橫向滑臺上,垂向滑臺也采用伺服電機驅動,垂向滑臺的上方安裝一個氣缸,氣缸上方安裝絕緣板,絕緣板的上方安裝受電弓滑板。其工作過程為:根據(jù)試驗要求,調節(jié)手柄到合適的位置,伺服控制系統(tǒng)控制伺服電機運動,伺服電機帶動絲杠轉動,實現(xiàn)在橫向作“Z”字形運動,在垂向可以模擬弓網(wǎng)縱向沉浮運動,通過調節(jié)氣缸的氣壓,實現(xiàn)弓網(wǎng)不同接觸壓力模擬。2.1.3試驗系統(tǒng)組成弓網(wǎng)電弧試驗裝置的控制系統(tǒng)如圖5所示,由上位機和下位機及驅動系統(tǒng)組成。上位機對試驗參數(shù)進行設置,并通過通信端口對下位機進行控制;下位機通過各驅動模塊,對弓網(wǎng)相對運動速度、滑板“Z”形運動及弓網(wǎng)垂向沉浮運動等參量進行控制。2.2帶阻容橋式差分電路設計弓網(wǎng)電弧測試系統(tǒng)如圖6所示,主要包括高速像相機采集、紅外熱像儀溫度采集、電弧電壓、電流測試,各采集單元采用同步時鐘進行觸發(fā),實現(xiàn)同步采集。其中電弧電壓采集采用寬頻帶阻容橋式差分電路采集電弧電壓信號,寬頻帶阻容橋式差分電路中,R1/R2=C2/C1且R1=R3,R2=R4,C1=C3,C2=C4,通過對寬頻帶橋式分壓器中并入電容,可有效提高分壓器的帶寬,適用于寬頻帶的電弧信號采集。將采集到的電弧電壓信號送入隔離放大器,從隔離放大器輸出信號送入數(shù)據(jù)采集卡中,下位機將采集的數(shù)據(jù)送入上位機,從而實現(xiàn)電弧電壓信號的采集。電弧電流信號通過2.5mΩ精密電阻進行取樣,送入隔離放大器,通過數(shù)據(jù)采集卡對其進行采集,下位機將采集的信號送入上位機。電弧形態(tài)、接觸網(wǎng)導線溫度采集分別采用高速像相機和紅外成像儀測得,所有采集系統(tǒng)通過同步時鐘控制。通過上位機處理軟件進行處理,獲得燃弧時間、能量、電弧電阻等信息。3拱頂電池試驗利用弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)進行弓網(wǎng)電弧電氣參數(shù)、接觸壓力與接觸電阻、損耗關系、電弧形貌試驗。3.1弓網(wǎng)接觸壓力的接觸模型圖7為在不同電流、接觸壓力下的弓網(wǎng)接觸電阻、接觸損耗曲線。從圖7(a)中可以看出隨著壓力的增加,接觸電阻減小,當接觸壓力達到80N以上時接觸電阻的降低幅度變緩。圖7(b)為接觸壓力與弓網(wǎng)電接觸功耗的關系,隨著接觸壓力的增加,其消耗的功耗逐漸減少,當接觸壓力超過80N后,弓網(wǎng)接觸損耗幾乎不變。弓網(wǎng)是通過受電弓滑板和接觸網(wǎng)導線的滑動接觸受流,受電弓滑板和接觸網(wǎng)導線的表面并不是光滑的,其受流通過接觸斑點進行。電流通過接觸斑點時,由于導流通道的改變使得電流產(chǎn)生收縮,電流收縮產(chǎn)生的電阻稱為收縮電阻,用Rs表示。Holm認為單個接觸斑點的收縮電阻可以用式(1)表示。式中:ρ1、ρ2為接觸材料電阻率;a為接觸斑點半徑。接觸斑點的Hertz彈性接觸模型為式中:a為接觸面半徑;f為接觸壓力;μ1、μ2為接觸材料的泊松比;E1、E2為楊氏彈性模量;r1、r2為接觸球面半徑。弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻Rc由接觸網(wǎng)導線體電阻Rm1、受電弓滑板體電阻Rm2、接觸斑點收縮總電阻組成。由式(1)~式(3)可以推導出式中:f為接觸壓力;k和n為經(jīng)驗常數(shù),與接觸材料、接觸形式、表面狀況等因素有關。由式(4)可知,隨著接觸壓力的增加,接觸斑點的接觸半徑增加,接觸電阻減少。若弓網(wǎng)之間接觸壓力過大,弓網(wǎng)之間的機械磨損越嚴重;若接觸壓力太小,弓網(wǎng)接觸電阻大,接觸損耗大,不利于弓網(wǎng)受流。因此弓網(wǎng)接觸壓力應該存在一個最佳范圍。從上述試驗結果通過分析可以看出,弓網(wǎng)接觸壓力在70~80N時處于拐點位置,在該接觸壓力下有利于受流,該結論與現(xiàn)行規(guī)范中的結論相符。3.2因電流而產(chǎn)生的不良現(xiàn)象圖8為弓網(wǎng)燃弧時的電氣參數(shù)。受電弓與接觸網(wǎng)接觸過程中,弓網(wǎng)之間的氣隙長度逐漸減少,電場強度逐漸增強,當電場強度達到弓網(wǎng)之間的氣體擊穿場強后,氣體介質迅速由絕緣狀態(tài)轉變?yōu)閷щ姞顟B(tài),氣隙被擊穿。從圖8可以看出如下現(xiàn)象:現(xiàn)象1:電流具有明顯的零休現(xiàn)象,且零休區(qū)間的長短存在著差別,A段的零休時間小于B段,C段的零休時間小于D段,但是E段的零休時間大于F段?，F(xiàn)象2:電壓、電流波形畸變嚴重,存在直流分量和諧波成分?，F(xiàn)象3:電弧電流波形在電弧起弧瞬間存在著明顯的過沖。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:(1)隨著加載在弓網(wǎng)電極上的電壓幅值變化,電極之間的電場強度發(fā)生改變,在電場強度較小時,弓網(wǎng)間隙之間的氣體處于絕緣狀態(tài),弓網(wǎng)電極之間沒有電流流過,此時電流為零,隨著電壓進一步上升,弓網(wǎng)之間的場強達到氣體擊穿場強后,弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生,電氣回路有電流通過,電流為零的這段時間稱為零休時間。零休時間不一的原因是:一方面弓網(wǎng)電極間距的變化,導致氣體間隙中的電場強度變化,而氣體擊穿場強又不會改變,所以間隙較小時,擊穿電壓較小,電弧零休時間較短;另一方面,陰極材料的不同,其陰極功函數(shù)也不同,接觸網(wǎng)導線的功函數(shù)小于受電弓滑板,因此接觸網(wǎng)導線作為陰極時發(fā)射電子能力較強,其所需擊穿場強要小于受電弓滑板。零休區(qū)間A、C、E是從電弧熄滅到接觸網(wǎng)導線由陽極變化為陰極且電弧重燃的這個時段,而B、D、F則是受電弓滑板由陽極變化為陰極直到電弧重燃的時段。A、B、C、D區(qū)段主要是以陰極功函數(shù)的影響較場強的影響大些,而E、F段主要距離較小后,距離微小的變化都將引起場強的較大變化,主要影響因數(shù)的電場強度,故有現(xiàn)象1的出現(xiàn)。(2)現(xiàn)象2的出現(xiàn)主要由于電弧有熄滅和重燃等現(xiàn)象,導致電弧電壓、電流波形畸變。(3)現(xiàn)象3是由于氣隙短時擊穿現(xiàn)象,引起電流的沖擊特性。3.3弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)圖9(a)為高速動車弓網(wǎng)電弧圖像,圖9(b)為本文研制弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)拍攝的電弧形態(tài)變化,圖9(c)為傳統(tǒng)盤銷式結構產(chǎn)生的電弧。從圖9(a)中可以看出電弧的弧根跟隨接觸網(wǎng)導線,說明接觸網(wǎng)導線與受電弓滑板之間的接觸形態(tài)直接影響弓網(wǎng)電弧形態(tài)。圖9(b)為本文研制的弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)燃弧時電弧形貌的變化,該過程與實際運行時的電弧形貌相似。圖9(c)中,電弧形態(tài)沿著圓盤的邊緣分布,這一電弧形態(tài)與實際線路機車(動車)運行時的弓網(wǎng)電弧形態(tài)存在一定的差異。4弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng)測試結果分析弓網(wǎng)電弧影響受流質量,制約列車速度進一步提高,而弓網(wǎng)電弧與弓網(wǎng)之間電接觸形貌密切相關。根據(jù)實際運行工況,本文研制了一套弓網(wǎng)電弧試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)具有如下特點:(1)接觸導線與受電弓滑板之間為平直、柔性線接觸狀態(tài),與實際接觸方式一致。(2)可模擬弓網(wǎng)之間的“Z”字形相對滑動和垂向振動。(3)可以