弓網電弧接觸線溫度分布仿真研究*

郭夢琪， 王智勇， 劉 帥

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

弓網電弧接觸線溫度分布仿真研究*

郭夢琪， 王智勇， 劉 帥

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

為了分析弓網電弧對接觸網導線溫升的影響，以接觸線為研究對象，建立了電弧作用下弓網系統滑動摩擦副的三維有限元模型，利用COMSOL Multiphysics仿真分析，得到不同類型的接觸網導線在不同環境下的溫度分布特征。結果表明：相同條件下，銅鎂合金、純銅、銅錫合金接觸線的溫升依次升高。接觸線的截面積越大溫升越高。同種接觸導線分別處于正常、覆冰和潮濕狀態時，接觸線的溫升依次升高。仿真結果對選擇接觸線以及降低弓網電弧對接觸線的熱損傷具有一定參考價值。

弓網電弧； 接觸線； 溫度場仿真； COMSOL Multiphysics

0 引 言

受電弓—接觸網系統(簡稱弓網系統)是電氣化鐵路牽引供電系統的重要組成部分，列車通過受電弓滑板與接觸網導線間的滑動接觸來獲取電能。在列車運行過程中，當接觸線不平順或弓網系統振動劇烈時，造成受電弓滑板與接觸網導線脫離接觸，形成離線的現象稱為弓網離線。分離瞬間，二者之間的電壓差急劇增加，引起的氣體放電現象，稱為弓網電弧[1]。通常，電弧不可避免，雖然可以維持列車取流的持續性，但因為電弧溫度很高，即使存在的時間很短，也會對接觸材料造成一定破壞，使其局部熔化、汽化，甚至斷線。因此，研究電弧高溫對弓網系統的影響對機車運行可靠性和延長接觸器件壽命有一定意義。

陳忠華等人[2]建立出滑板溫度場的計算模型并運用ANSYS建模和計算，得出不同工況下滑板導電斑點溫度的影響。馬云雙等人[3]建立了弓網電弧穩態燃燒的物理分析模型，采用流體分析軟件Fluent得出電弧等離子體的溫度場分布情況。吳積欽等人[4]建立了弓網系統電弧燒蝕模型，在Matlab環境下編程，仿真計算出在靜止電弧和運動電弧兩種情況下接觸線的熱過程。謝將劍等人[5]利用ANSYS建立接觸網有限元模型，對不同覆冰厚度時的接觸網的靜態響應進行仿真研究。在以往的研究中，由于電弧發生時間短，鐵路環境等影響因素復雜，大多采用仿真手段，已有學者對工況下滑板導電斑點溫度和電弧本身的溫度進行過有限元仿真研究，電弧下接觸線溫度的數學模型和覆冰環境下接觸線的靜態響應也有初步結論，尚沒有在覆冰、潮濕等環境中，綜合考慮流場、應力場等多場耦合條件下電弧對接觸線溫升的仿真研究。

本文依據實驗團隊自行研制的高性能滑動電接觸試驗機[6,7]實驗得出的低速、無電弧、正常弓網環境下的實驗數據，利用實驗室高性能PC工作站，應用COMSOL Multi-physics 5.0這一多物理場耦合仿真軟件建立了弓網系統三維有限元模型，采用其內置的焦耳熱、固體力學、電磁熱源等模塊，高效率地實現了焦耳熱、摩擦熱和電弧熱三種熱源的耦合，研究不同運行環境、不同工況下弓網電弧對接觸線耦合溫度場的影響。有助于進一步深入了解電弧侵蝕接觸線的熱過程,且利于采取相應對策來減輕電弧對接觸線造成的損害。

1 電弧作用下弓網系統模型建立

運用COMSOL軟件進行有限元仿真的流程如圖1。

圖1 仿真實驗流程

1.1 幾何模型建立

仿真采用三維立體維度，以純銅導線和浸金屬碳滑板組成的摩擦副及其間隙產生的電弧為對象，建立仿真模型。高速電力機車速度可達300 km/h甚至更高，若采用直線運動則所占空間甚大且不便于查看，因此模型采用圓周運動進行模擬，如圖2(a)為受電弓滑板和接觸網導線的局部放大圖。圓環為截面積為150 mm2的銅導線，在x-z平面做圓周運動，250 mm×10 mm×25 mm的平行六面體為滑板，沿x軸方向做平行往返運動，模擬了實際鐵道中受電弓滑板和接觸網導線的“之”字形運動。將離線電弧視為一熱流密度為qw的點熱源，作用于滑板和接觸線之間。圖2(b)為隱藏滑板時接觸線在電弧作用下的x-y截面圖。

圖2 電弧下弓網系統物理模型

1.2 固體傳熱模型基礎與方程

根據傳熱學理論，傳熱模塊方程如下

(1)

導線旋轉線速度較大，選擇外部強制對流形式，傳熱過程熱通量方程為

(2)

q0=h·(Text-T)

(3)

滑板和導線是熱接觸對模型，其中，滑板接觸面是源邊界，導線接觸面是目標邊界。熱接觸對方程組如下

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中masp為表面粗糙平均斜率；σasp為表面粗糙平均高度，m；Hc為微硬度，Pa；p為接觸壓力，N；hg為氣隙傳導率，W/(m2·℃)。

材料熱擴散方程為

(9)

式中 ε為表面發射率，其數值取于材料；Tamb為環境溫度，℃。

在電弧的作用下，接觸線和滑板遵循熱力學基本定律，接觸線內部的溫度分布可以認為是第二類邊界條件的固定熱流快速加熱半無限大物體的強瞬態熱傳導問題。電弧的熱流密度通常在5×1010～10×1010W/m2之間[8]。材料參數參見表1。

表1 滑板與導線的參數

電弧作用下的電力機車弓網系統涉及多個物理場，包括溫度場、電場、流場，其中包含了COMSOL傳熱模塊中的焦耳熱、固體力學模塊和多體動力學模塊。為簡化數學處理，假設：電弧作用于弓網系統時，材料的物相和物理參數變化忽略不計；電弧作用時，弓網系統視為半無限大物體；滑板與接觸線之間的熱分配狀態穩定，換熱系數恒定。

1.3 初始條件設置

系統遵循能量守恒定律。初始溫度為15 ℃；接觸線旋轉線速度為300 km/h，對滑板一端施加一個200 A電流，接觸壓力設為60 N。選取最不利情況對弓網系統進行仿真，即電弧點熱源熱流密度為qw=1011W/m2。按照文獻[9]的測定結果，設置電弧的熱流功率為1 200 W，電弧持續時間為15 ms。

1.4 模型驗證

利用實驗室的弓網系統實驗機設置接觸壓力60 N，輸入電流200 A時的運行情況，圖3是實驗和仿真溫度分布的對比示意圖。當溫度升至穩態時，紅外熱像儀測得靜態溫度分布如圖3(a)；在相同工況下進行仿真試驗，得到仿真溫度分布如圖3(b)。二者最高溫度相差13 ℃，誤差滿足仿真準確性的要求。造成誤差的主要原因是實驗室空間密閉，空氣流通性差，散熱緩慢。加入電弧后，接觸點處的溫升曲線如圖4，與文獻[9]中電弧加熱接觸線的溫升曲線做了相關對比，結果相似。在0～15 ms，溫度近乎線性增長，第15 ms時達1 404 ℃，與文獻[10]結論相比，十分接近。仿真結果表明:本文仿真建模對弓網系統電弧侵蝕接觸線的溫度分析接近實際情況，從而驗證了仿真模型的正確性。

第一，由于北方地區存在較多重量極大的運輸型車輛，例如卡車、運煤車等，同時因該地區對于車輛超載的情況查處力度不夠，導致該區域內存在部分超載貨車，而車輛在轉彎、剎車等作用下因急速運動對公路路面產生的壓力較大，導致路面荷載力、承載力無法對車輛壓力進行分散，導致路面因碾壓、重力的作用下出現翻漿現象；第二，由于設計人員本身缺乏對北方地區公路的設計經驗，未能考慮到翻漿現象與公路荷載力之間的關系，仍舊按照正常公路對其荷載及承載力進行設計，同時并未對該地區的車流量、重量等加以考慮，導致公路整體設計荷載力低于實際使用需求，提升翻漿現象出現的概率。

圖3 實驗與仿真溫度分布對比

圖4 接觸點溫度曲線

2 仿真結果分析

2.1 弓網電弧接觸線的溫度分布

對仿真結果進行相關分析，首先得到電弧作用下接觸線的溫度分布云圖，如圖5(a)所示。

圖5 接觸線溫度云圖和接觸點溫度曲線圖

圖5(b)是在不同的電弧持續時間下，接觸線內測試點溫度與其距接觸面距離的關系。可以看出，當弓網接觸點處出現電弧時,接觸點溫度上升明顯，隨著距接觸面距離的增加，溫度下降迅速，反映出在電弧的影響下接觸線表面熱量傳遞的物理行為。還可以看出,當電弧作用在接觸線表面上的時間為12 ms時,接觸線表面溫度達到1 100 ℃,超過銅接觸線的熔點。可見，在電弧作用下,接觸線表面會在短時間受到損壞。

2.2 弓網電弧下不同類型接觸線的溫度分布

接觸線是實現可靠供電的關鍵設備之一，應具備耐高溫等特點。目前國外已經開通的最高時速為300 km/h以上的鐵路中，德國和日本分別采用了CuMg120，CuSn170接觸線，法國采用了Cu150，CuSn150，CuMg150接觸線[11]。

結合表1純銅參數和表2銅鎂合金和銅錫合金參數，對仿真模型的接觸線參數作出修改。在與上節相同的初始條件下，圖6(a)～(d)分別為CuMg150，CuSn150，CuMg120，CuSn170接觸線受到電弧后的溫度分布云圖。

表2 不同材料接觸線參數

圖6 不同類型接觸線溫度云圖

從接觸線材料角度分析，對比圖5(a)、圖6(a)和圖6(b)，溫度從高到低依次為CuMg150，Cu150，CuSn150，溫度分別為1 708，1 404，1 261 ℃。可得，最高溫度和材料屬性有關，尤其是材料的熱導率，熱導率越低，溫升越大，受電弧侵蝕影響越大。從接觸線截面積的角度分析，對比圖6(a)和圖6(c)，分別是CuMg150和CuMg120，前者較后者溫度高1 000 ℃；對比圖6(b)和圖6(d)，分別是CuSn150和CuSn170，前者溫度也較后者高近1 000 ℃。為了進一步驗證截面積對溫升的影響，在仿真中改變接觸線半徑進行分析。

圖7(a)表示接觸線點溫度與接觸線表面距電弧發生處距離、接觸線半徑的關系，雖然溫度分布規律相似，但接觸線半徑對最高溫度，即電弧發生點處的溫度影響較大。圖7(b)顯示了在受到不同能量的電弧侵蝕時，接觸線半徑與接觸線最高溫度近乎呈線性關系。由此可以推出，接觸線截面積越小，溫升越大，接觸線受到的損害越嚴重。

圖7 接觸點溫度曲線與接觸線半徑的關系

2.3 特殊環境中弓網電弧接觸線的溫度分布

由于弓網直接暴露在多變自然環境中，會受到惡劣環境的直接影響。當受電弓滑板和接觸線表面附有冰雪、雨水或其它異物時，滑板與接觸線容易出現離線情況，從而將導致電火花的發生，甚至引起電弧現象。

圖8為接觸線與滑板之間有覆冰的情況，接觸線表面加設一個覆冰層，列車通過覆冰處時，滑板和接觸線的相對滑動會使覆冰的厚度有所減小，導致接觸網覆冰一般為扁平狀，這里假設覆在接觸網線的冰層形狀為新月形，計算時通常將接觸線的覆冰厚度 折算成同一時刻接觸線的覆冰厚度的50 %[12]，如圖8(a)所示，以此為例建立弓網系統有限元模型。冰的熱導率為2.22 W/(m·℃)，比熱容為2 100 J/(kg·℃)，覆冰運行時的初始溫度按-5 ℃計算。

圖8 接觸線覆冰熱傳導示意圖

接觸線端部覆冰情況下，受到弓網電弧作用下的溫度分布云圖如圖8(b)所示，由溫度分布可以看出，接觸線表面最高溫度高達1 562 ℃，相比電弧作用在表面沒有覆冰的接觸線，溫度大概升高200 ℃，所以，可以得出電弧對覆冰下的接觸導線侵蝕更加嚴重。

以下雨或潮濕天氣的接觸線為例，建立接觸線有限元模型。在接觸線和滑板的表面均設置一層水分子膜，其中水的比熱容為4 200 J/(kg·℃)，導熱系數為0.62 W/(m·℃)，下雨或潮濕時的初始溫度按15 ℃計算。

弓網電弧作用下的接觸線表面潮濕情況下的溫度云圖如圖9(a)所示，在電弧能量、燃弧時間相同的前提下，表面潮濕的接觸線最高溫度高于接觸線底部覆冰的最高溫度，高達2 124 ℃。圖9(b)是電弧發生后1 s接觸線的溫度分布云圖，很快就恢復了正常溫升，可見溫度下降的十分迅速。

圖9 下雨或潮濕天氣接觸線溫度云圖

比較接觸線正常、表面覆冰、表面潮濕三種情況。電弧發生瞬間，接觸線溫度分布相類似，且均隨發生點距離下降迅速。比較最高溫度，依次是正常環境低于底部覆冰，低于表面潮濕。原因是純銅、冰、水的熱導率依次減小，導致熱量傳輸慢，散熱性能差。但在實際中，水的體積小，會在高溫電弧產生時瞬間蒸發，在外界壞境的作用下熱量流失快，而冰通常有0～20 mm厚度，導致接觸線表面不平順，大大增加了離線率，可見覆冰對接觸線的危害更大。因此，應當采取相關措施來減少冰雪對弓網的影響，及時對接觸線采取融冰措施，從而減少電弧的侵蝕。或者對滑板表面定期整形，更大程度的減小電弧發生率，增加行車的安全性。

3 結 論

1)靜止電弧在很短時間內就能導致接觸線上升到較高溫度,溫度可達到接觸面材料熔點，所以，從材料保護角度，弓網系統應盡量避免靜止電弧的產生。

2)接觸線類型與受到電弧侵蝕時的最高溫度關系密切，材質熱導率低，接觸線截面積小，都是導致溫升高的原因。可見，銅鎂合金在這方面較銅錫合金更耐受電弧侵蝕；適當增加接觸線截面積可以減小材料表面的電氣損害。

3)接觸線覆冰、運行環境潮濕都會給列車運行帶來不利影響。針對極短時間內的電弧導致的溫升來說，雨天或潮濕環境更不利。但列車高速運行時，接觸線表面的不平順會增大離線電弧發生概率，綜合考慮，接觸線覆冰對弓網系統的危害較雨天或潮濕環境更嚴重。

[1] 劉寶軒,陳唐龍.基于弓網電弧檢測系統的電弧電流分析[J].傳感器與微系統,2014,33(3):15-18.

[2] 陳忠華,康立乾.弓網系統受流摩擦下滑板溫度分析與計算[J].高壓電器,2012,48(5):1-5.

[3] 馬云雙,高國強.高速列車弓網電弧溫度場特性仿真研究[J].高電壓技術,2015,41(11):3597-3603.

[4] 吳積欽,錢清泉.弓網系統電弧侵蝕接觸線時的熱分析[J].鐵道學報，2008,30(3):31-33.

[5] 謝將劍,王 毅.覆冰接觸網的有限元仿真及其小比例模型試驗[J].中國電機工程學報，2013,33(31):185-192.

[6] Wang Zhiyong,Guo Fengyi.Research on current carring wear characteristics of friction pair in pantograph catenary system[C]∥Proceedings of the 59th IEEE Holm Conference on Electrical Contact, Newport(RI),USA,2013:92-96.

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[9] 王 鑫.受電弓接觸網系統電弧放電機理研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[10] 姜任秋.熱傳導、質擴散與動量傳遞中的瞬態沖擊效應[M].北京:科學出版社,1997:80-87.

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[12] 中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005．

Simulation study on contact wire temperature distribution under pantograph arc conditions*

GUO Meng-qi, WANG Zhi-yong, LIU Shuai

(Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

In order to analyze effect of pantograph arc on temperature distribution of contact wire,a three-dimensional finite element simulation model for friction pair in pantograph and catenary system is established with COMSOL Multiphysics software.The temperature distribution characteristics under different contact wire and different environment conditions are obtained.Result shows that temperature of copper and magnesium alloy wire,pure copper wire and copper and tin alloy wire increases in turn under the same conditions.The larger the cross-section of contact wire,the higher the temperature is.The temperature of contact wire operated respectively under normal,ice coating and wet condition increases in turn.Simulation results can be a reference for the choice of contact wire and reducing arc erosion.

pantograph arc; contact wire; temperature field simulation； COMSOL Multiphysics

2016—05—18

遼寧省教育廳重點實驗室基礎研究項目(LZ2014024)；遼寧工程技術大學第五批生產技術問題創新研究基金項目(20160054T)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0014—04

TM 501

A

1000—9787(2017)06—0014—04

郭夢琪(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為電器理論新技術。