城市軌道交通弓網離線電弧特性研究

王溢斐

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城市軌道交通弓網離線電弧特性研究

王溢斐

為了研究弓網電弧產生機理，基于實驗室條件搭建弓網離線模擬試驗平臺，通過改變離線間距、電流、負載等參數，研究不同離線狀態下弓網直流電弧特性。

弓網電弧；離線；燃弧時間；電氣特性

0 引言

城市軌道交通地下區段一般采用剛性接觸懸掛系統，接觸線幾乎沒有彈性。隨著列車運行速度的提高，接觸線的波動及受電弓的振動加劇，受電弓與接觸網之間的相互作用越來越激烈，維持弓網之間良好的接觸性能愈加困難，實際運營中頻繁發生弓網離線并導致拉弧現象。電弧燒蝕接觸線和碳滑板，產生噪聲污染和電磁干擾，使車載電器承受高頻振蕩過電壓，造成列車受流質量下降[1]。因此有必要對城軌弓網離線電弧的產生機理及電弧特性進行研究。目前，國內外弓網關系研究主要集中于交流電氣化鐵路弓網電接觸及離線電弧特性方面，對直流供電系統弓網離線電弧的研究較少，本文側重研究城市軌道交通弓網離線直流電弧特性。

1 弓網離線模擬試驗平臺

城市軌道交通供電系統接觸網的電壓一般為DC 1 500 V，由于接觸網電壓相對較低，列車牽引電流很大。基于實驗室條件搭建了弓網離線放電模擬試驗平臺（圖1），試驗電源采用工頻交流220 V，變壓器采用普通工頻BK3000型變壓器，變比為220∶24，額定輸出電流250 A[2]。電流經過整流裝置和濾波電容、銅鎂合金接觸線、受電弓和模擬負載構成電氣回路。通過離線控制系統使電磁閥產生電磁力，將受電弓拉下，模擬受電弓與接觸線分離，從而產生離線電弧。

受電弓與接觸線之間的電壓可以通過從受電弓和接觸線上引線到數字示波器的探頭直接測量，流過受電弓的電流可通過CHB-300SF型霍爾電流互感器轉換為電壓信號輸入示波器進行測量。電弧光強可采用OPT101型光電檢測芯片將電弧光信號轉換為電信號進行測量。

圖1 弓網離線放電試驗平臺

2 離線間距對直流電弧特性的影響

弓網耦合相對運動過程中，每次離線時弓網間距各不相同，具有一定的隨機性。為了研究離線間距對直流電弧的影響，通過試驗裝置設置不同的離線間距，在每個離線間距下多次放電測量，分析直流電弧平均燃弧時間、平均光強等特性規律。

2.1 直流電弧電氣特性分析

電壓為DC 24 V，電流為60 A，離線間距為 1 mm時，弓網電壓、電流波形如圖2所示。在弓網離線時刻，接觸線電壓基本平穩上升，但受電弓電壓出現陡降，電壓降幅可達到14 V，之后受電弓電壓瞬間回升，隨后又隨著電弧燃燒過程逐漸下降，在熄弧時刻陡降為0。在離線時刻回路電流也出現下降，降幅約為20 A，隨著電弧燃燒過程呈線性逐漸下降的趨勢。

圖2 弓網電壓、電流波形

2.2 直流電弧電阻及功率與離線間距的關系

在弓網間距為1 mm的分離過程中，電弧燃弧電阻變化如圖3所示。弓網在0.01 s時刻離線，在0.01～0.085 s燃弧過程中，電弧電阻基本上呈線性規律逐漸增大，阻值范圍在0.2～1W。隨著弓網間距增大，弓網間隙電場減小，等離子體在弧隙間擴散，在0.06 s時刻弧隙中帶電粒子和密度開始減少，宏觀上表現為電弧電阻迅速增大，電弧光強從最大值開始減小（圖4），在0.085 s時刻完成機械和電氣上的弓網分離，電弧電流降為0，電弧電阻變為無窮大，電弧散熱加劇，電源提供的能量不足以維持電弧繼續燃燒，致使電弧熄滅。經過試驗測量，在其他離線間距下電弧電阻也具有類似變化規律。

圖3 燃弧過程中的電弧電阻變化

圖4 燃弧過程中的光強變化

在1 mm離線間距下電弧燃燒過程中的功率變化如圖5所示，可以發現直流電弧在產生到熄滅的過程中，功率基本維持在500～700 W范圍內波動，且不隨離線間距的變化而變化。由于在燃弧過程中電弧電阻逐漸增大，電弧電流逐漸減小，這2種趨勢使得電弧功率基本維持在一定范圍內。

圖5 燃弧過程中的功率變化

2.3 直流電弧燃弧時間與離線間距的關系

統計不同離線間距下電弧平均燃弧時間如圖6所示，隨著離線間距的增大，電弧平均燃弧時間呈下降的趨勢。由于電壓等級一定，離線間距較小時，弓網間隙中電場強度較大，電弧維持的時間較長；離線間距較大時，弓網間隙中的電場強度較小，電弧維持的時間較短。

圖6 不同離線間距下的電弧平均燃弧時間

3 電流對直流電弧特性的影響

列車運行過程中需經過啟動、加速、制動等工況，在不同的運行工況下，列車牽引電流均不同，而電流的大小對弓網離線電弧的影響很大。實驗室環境下，通過改變電流大小來研究電流對直流電弧的影響，將電流增大到120 A，其他離線條件均保持不變，探討電流對直流電弧特性的影響。

3.1 電流對直流電弧電阻和功率的影響

經過測量，電流為120 A時，燃弧過程中電弧電阻基本保持在0.1～1W，與60 A電流時規律相似。120 A電流時電弧平均功率為650～1 200 W，遠遠大于60 A電流時電弧的平均功率。

隨著電流的增大，弓網間隙中帶電粒子密度增大，表現為電弧光強和平均功率均增大，但電流的改變對弓網間隙中帶電粒子數量的影響不是很大，表現為電流增大時，電弧電阻基本不變。

3.2 電流對直流電弧燃弧時間的影響

試驗表明，電流為120 A且離線間距設置為 1 mm時，電弧燃弧一直持續且相當劇烈，燒蝕接觸線及受電弓嚴重。當間距增大到2.5 mm時，電弧燃弧持續時間依然很長，示波器很難對其進行完整記錄，直到間距增大到4 mm以上，整個燃弧過程才能被示波器完整記錄下來。

離線間距為4、6、9 mm時，電弧的平均燃弧時間見圖7。在1 mm和2.5 mm小離線間距下，直流電弧均能持續燃燒，隨著離線間距的增大，電弧燃弧時間縮短。這種規律和60 A電流時直流電弧的規律一致，但120 A電流時直流電弧燃弧時間達60～160 ms，甚至更長，遠遠大于60 A電流時電弧燃弧時間。這是由于隨著電流的增大，弧隙間碰撞游離和熱游離產生的二次電子增加，弓網間隙電弧等離子體的密度增大，相同間距下，電弧更容易維持；且電流增大，注入到弧隙中的能量相應增大，電弧釋放能量需要更長時間，所以燃弧時間更長。

城市軌道交通采用的接觸網電壓等級一般比較小（我國為DC 1 500 V和DC 750 V兩種供電制式），列車的集流量很大，一般為幾千安，所以城軌直流供電系統下的直流電弧能量很高，對接觸線和受電弓碳滑板的燒蝕相當嚴重。

圖7 不同離線間距下電弧平均燃弧時間

4 負載對直流電弧特性的影響

列車負載是影響弓網電弧的重要因素，不同的阻抗、感抗負載影響電路電壓、電流的變化速度，從而影響電弧產生、熄滅的時間[3]。為研究阻性負載和感性負載對直流電弧特性的影響，進行了2組對比試驗：電源電壓均為DC 24 V，離線間距均為1 mm，阻性負載電阻為0.4W，感性負載電阻為 0.4W，電感為0.04 mH。試驗結果見圖8。

（a）阻性負載

（b）感性負載

圖8 不同負載下離線電弧波形

通過50組離線放電試驗得出數據（表1），在阻性負載和感性負載下分別離線，直流電弧的平均起弧電壓和光強峰值平均值基本相同，但感性負載下直流電弧的光強變化較為平緩，阻性負載下直流電弧的光強波動較大，且感性負載下直流電弧的燃弧時間平均值要大于阻性負載時的燃弧時間平均值。

表1 不同負載下離線電弧數據

注：平均光強值用感光芯片輸出電信號表示。

由于負載中串聯了電感，電感的存在使得電弧電壓、電流變化更加平緩，電弧功率也維持在一個平穩的范圍，所以電弧光強變化也比較平緩。電感是儲能元件，在弓網離線后，電感將儲存的能量釋放到弓網間隙中，使得感性負載條件下電弧能量更大，維持的時間更長，所以燃弧時間更長。

從電路的角度看（圖9），直流電弧可以看成一個非線性電阻，弓網離線后電弧電壓平衡方程為

式中，為電源電壓，h為電弧電壓，為電弧電流，為電感，為電阻。

圖9 牽引回路電路

假設燃弧時長為h，將式（1）兩邊乘以d，并進行積分，弓網離線時= 0、=（為離線時刻的電弧電流），經過時間h后，電弧電流= 0，則有

式中，為電弧能量，1為電源供給電弧的能量，2為儲存在磁場中的能量。

由此可見，在牽引回路中，當受電弓與接觸線產生離線電弧時，電弧的能量源自2部分，一部分是電壓提供的能量在電弧中的耗散，另一部分是以磁場形式存儲在回路中的能量在電弧中的耗散。所以在感性電路中，離線時電感將會釋放儲存的能量以維持電弧繼續燃燒，直到電感釋放的能量不足以維持電弧燃燒時，電弧熄滅。由式（1）得

則電弧的燃弧時間為h為

可見，電感越大電路儲能越多，電弧的燃弧時間越長，這與之前的試驗結論及分析一致。

5 結論

（1）隨著離線間距的增大，電弧的起弧尖峰、電弧電阻以及電弧功率基本保持不變，但電弧的平均燃弧時間逐漸縮短。

（2）隨著電流增大，電弧功率增大，燃弧時間更長，產生的電弧能量越大，對接觸線和受電弓滑板的燒蝕越嚴重。

（3）感性負載時產生的直流電弧燃弧時間更長，因此提高列車功率因數，減少感性負載成分，可以減少電弧對弓網的危害。

（4）該研究是在實驗室低電壓、大電流條件下進行的弓網離線直流電弧特性探討。由于城市軌道交通供電系統電壓等級相對較低，牽引電流較大，同時電弧放電本身也具有低電壓、大電流的特性，因此本文中弓網離線直流電弧特性在一定程度上反映了城軌系統實際工況下的弓網離線電弧特性，可為研究直流電弧產生機理提供一定的參考。

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In order to study the generation mechanism of pantograph-catenary arc, a pantograph-catenary contact-loss simulation test platform is established at a laboratory, researches are made on pantograph-catenary DC arcing characteristics under different contact-loss conditions by modifying the parameters of contact-loss spacing, currents and loads.

Pantograph-catenary arc; contact-loss; arcing time; electrical characteristics

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.006

U231.8

A

1007-936X(2017)05-0022-04

王溢斐.中國鐵路設計集團有限公司，助理工程師。

2017-01-10