基于弓網電弧模擬試驗裝置的電弧研究

楊志鵬，李華偉，孫忠國，李國國

0 引言

鐵路電氣化是鐵路發展的大方向，國內正在大力推進既有線路的電氣化改造和高速電氣化鐵路的建設，列車運營速度已達到國際先進水平。通過弓網間相互作用實現機車牽引受流是電氣化鐵路關鍵環節，隨著列車速度不斷提高，弓網關系越來越引起重視。弓網電弧參數是體現弓網關系的一個重要特征，在實際運營中弓網電弧會增加接觸線和受電弓滑板的磨耗，影響受流質量，產生電磁干擾、噪聲等問題。

為了研究弓網電弧的特性，需要真實檢測各種數據。采用簡單的模擬裝置最大限度地模擬弓網系統真實模型，可以為檢測提供真實可靠的平臺，也為進一步進行現場檢測奠定了良好的基礎。

1 弓網電弧發生機理

當空氣處于一定的電場中，其中的帶電粒子會沿著所受電場力的方向作加速運動，在帶電粒子加速運動過程當中，有可能與其他氣體分子發生碰撞，造成部分氣體分子電離，產生電子和正離子，從而進一步導致電子崩的產生，這就是電子碰撞電離。當空氣間隙上電壓達到一定數值后，流過間隙的電流劇增，空氣失去絕緣能力，這種由絕緣狀態變為導體狀態的變化稱為擊穿[1]。

電弧的形成主要分為4種類型[2]：

（1）當觸頭剛分開時，產生很大的電場強度，陰極表面的電子被拉出成為弧隙間最初的自由電子。

（2）陰極表面發射出的電子和弧隙中原有的少數電子在電場作用下，不斷與其他粒子發生連續的碰撞游離，導致在觸頭間充滿了電子和離子，在外壓的作用下觸頭間介質就可能導致被擊穿而形成電弧。

（3）電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面受熱，形成強烈的熱點，金屬不斷地發射出電子，促使熱電子發射形成電弧。

（4）在開關電器中的電弧總存在一些金屬蒸汽，而金屬蒸汽的游離溫度只在4 000℃～5 000℃，因此金屬蒸汽熱游離維持著電弧燃燒。溫度的升高，使得質點碰撞能游離出電子和正離子。

弓網電弧主要發生在以下情況：列車經過電氣分段，如錨段關節，分段絕緣器，電分相等；滑板或接觸線表面有異物，如污物、覆冰、積雪等；接觸線安裝不合格，出現連續硬點、硬彎、接觸線坡度超限等；惡劣天氣情況下，如濃霧、煙雨等。

2 試驗裝置設計

弓網電弧模擬發生試驗臺由三相交流電機，旋轉輪盤接觸網結構，模擬受電弓，支撐結構，變頻器和電弧電氣主回路構成，如圖1所示。表1給出了其中各器件的主要參數。

圖1 弓網電弧模擬發生裝置示意圖

表1 試驗臺器件組成及功能一覽表

三相電機額定速度為2 840 r/min。輪盤采用絕緣塑料材質，可以實現電氣隔離和機械強度要求。接觸線選擇銅合金接觸線，采用無縫銅焊接技術連接。受電弓采用螺桿一維彈簧結構，可以任意調節高度，增加接觸壓力，并且可以模擬弓網間彈性震動。電弧主回路包括調壓變壓器，負載電阻，導線，保護空氣開關和互感器等。

3 電弧電壓和電流的測量

3.1 波形測量

試驗臺電機轉速由變頻器控制，試驗模擬接觸線與受電弓最高相對速度為113.04 km/h，考慮到轉差率影響，約為110 km/h。調壓變壓器試驗最高供電電壓為80 V，對應電氣主回路電流為8 A。

電壓互感器為電流型電壓互感器，參數為2 mA/2 mA，電流互感器參數為10 A/10 mA。測量信號傳輸線為了減少電磁干擾采用信號線雙絞纏繞并套加鐵氧體磁環的方法。為保證測量信號的原始性，使得諧波分析結果可靠，未對信號進行濾波處理。

試驗1設置變頻器輸出頻率，使得旋轉輪盤邊緣線速度約50 km/h，調壓變壓器供電電壓為30 V。試驗電弧照片及電壓電流波形如圖2，圖3所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續，電流值根據實際測量數據計算為2.96 A。

圖2 50 km/h—2.96 A試驗電弧放電試驗例圖

圖3 試驗1電弧電壓和電流波形圖

試驗2設置變頻器輸出頻率，使得旋轉輪盤線速度約80 km/h，調壓變壓器供電電壓為60 V。試驗電弧照片及電壓電流波形如圖4，圖5所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續，電流值根據實際測量數據計算為5.72 A。

通過2組試驗可以看出隨著速度的增大，電流連續性變差，更加容易產生電弧；隨著系統電流的增大，電弧對外釋放光信號能量增強，電弧電流連續性變差，能量轉向熱能和光能形式釋放。

圖4 80 km/h—5.72 A試驗電弧放電試驗例圖

圖5 試驗2電弧電壓和電流波形圖

3.2 基于LABVIEW的諧波分析

將采集數據傳輸給LABVIEW軟件，應用軟件頻譜分析模塊對電壓電流波形進行分析，模塊設置為Hanning窗，選用峰值幅值線性分析，結果如圖6—圖9。

（1）試驗1。電弧電流2.96 A，模擬機車運行速度50 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 試驗1電流波形頻譜分析結果圖

圖7 試驗1電壓波形頻譜分析結果圖

（2）試驗2電弧電流5.72 A，模擬機車運行速度80 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結果如圖8、圖9所示。

圖8 試驗2電流波形頻譜分析結果圖

圖9 試驗2電壓波形頻譜分析結果圖

通過上述試驗說明，電弧電流與電壓諧波頻段相對應，且包含間諧波成份。系統電流與機車運行速度對電弧諧波成分影響低。

4 對比研究分析

4.1 測量波形對比

文獻[3]對弓網電弧問題進行了深入的研究，通過一套弓網電弧模擬發生裝置，并對直流和交流系統進行了研究[4，5]。文獻[5]給出了測量電壓電流波形圖（圖略）。文獻[6]設計了一套弓網電弧模擬發生裝置，文獻[7]在該基礎上進行了試驗，并給出了電弧電流波形圖（圖略）。

由于各個試驗臺設計情況各異，電弧電極材料不同，導致電弧發生的狀態并不相同，使得電弧間隙電壓、電弧電流波形不同。根據電弧理論的基本知識，電弧發生需要較大的能量，因此電弧在電壓、電流瞬時峰值處更易于發生，如圖5中第一個正向峰值處就說明了該問題。交流電弧熄滅在電壓、電流過零點處更易發生，圖3，圖5中可以看出電弧電流為0處，電弧間隙電壓明顯增大，表明電弧主回路已經處于斷開狀態。文獻[5]，[7]指出過零點處是電弧狀態發生轉變的關鍵點，且電弧過零點分斷時存在震蕩現象。

4.2 諧波分析對比

文獻[8]、[9]對電弧諧波進行了分析。文獻[8]對電弧間隙電壓，電弧電流進行了諧波分析，主要關注于直流分量的成分，并根據試驗建立了電弧數學模型；文獻[9]對電流波形進行了頻譜分析，結果如圖10。

根據其測量結果與本文中的分析結果對比，結論如下：

（1）不同試驗臺的試驗條件不同，電弧發生狀態不同，電弧間隙電壓，電弧電流波形不同。

（2）2個獨立試驗對電壓、電流頻譜分析都顯示：電弧對電氣主回路的影響主要集中在 500 Hz以下頻段。

圖10 文獻[9]試驗臺電弧電流波形及頻譜分析圖

（3）文獻[9]分析結果顯示諧波成分主要為直流、工頻、整數倍工頻3個部分；本文分析顯示，電弧諧波成分與試驗條件相關，包含直流、工頻以及間諧波成份，諧波構成更加復雜。

（4）由于本文試驗采用阻性負載，電壓、電流波形能夠對應互補；諧波分析顯示，雖然電壓、電流波形畸變嚴重，但是主要成分仍為工頻；小于500 Hz的諧波是主要的波譜區段，且包含間諧波成份。

5 結論

本文依托弓網電弧模擬發生試驗臺，對電弧間隙電壓，電弧電流進行了測量，測量結果與目前國內外研究結果不同，并分析了其中的原因。通過LABVIEW軟件對測量的電弧間隙電壓，電弧電流諧波分析，說明了電弧諧波分布，特別是包含間諧波成份，并與國外研究成果進行了對比，分析了相同點和不同點的區別，依據試驗數據和理論基礎分析了造成以上差異的原因。

[1]梁曦東.高電壓工程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]吳積欽.受電弓—接觸網系統電接觸特性研究[D]西南交通大學博士學位論文2009-5.

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[4]Surajit Midya, Dierk Bormann,Anders L-arsson,Thorsten Schütte,Rajeev Thottappillil. Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism and Influence of Various Parameters -PartI: With DC Trcation Power Supply [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 24, NO.4, OCTOBER 2009.

[5]Surajit Midya, Dierk Bormann,Anders L-arsson,Thorsten Schütte,Rajeev Thottappillil. Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism and Influence of Various Pa- rameters-PartII: With AC Trcation Power Supply [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 24, NO.4, OCTOBER 2009.

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[8]PIERRE-VINCENT VERSCHRAEGEN. A Modle of the Pantograph Arc Impedance for 50 Hz Catenary Voltage [D]Master of Science Thesis KTH Electrical Engineering Stockholm，Sweden 2010.

[9]Surajit Midya. Conducted and Radiated Electromagnetic Interference in Modern Electrified Railways with Emphasis on Pantograph Arcing [D].Doctoral Thesis in Electrical Systems TRITA-EE2009:029 ISSN 1653-5146 ISBN 978 -91 -7415-345- 3 Stockholm，Sweden 2010.