弓網電接觸系統滑板溫升特性研究

周 悅，魏文賦，高國強，吳 杰，吳廣寧

(1. 西南交通大學電氣工程學院， 四川成都 610031;2. 國網余姚市供電公司，浙江寧波 315400)

受電弓與接觸網(以下簡稱弓網)構成的電接觸系統是高速列車能量供給的核心。高速列車通過受電弓從接觸網取流來獲得足夠的牽引動力。受電弓滑板長期工作在大電流、高運行速度、復雜工作環境下，摩擦磨損問題是其壽命終結的直接原因，而滑板材料的溫升是決定其摩擦磨損機制的主要因素[1]。

弓網系統中引起滑板溫升的熱量來源主要有三種，分別是焦耳熱、電弧熱和摩擦熱[2]。在列車運行時，弓網之間實際接觸面積很小，通常表現為小接觸面積傳輸大電流。接觸面產生大量焦耳熱，使導電斑點溫度上升，且由于運行速度很快，極易引發電火花和電弧[3]，造成受電弓滑板材料的磨損和燒蝕，影響列車安全運行。

目前，針對弓網電接觸系統溫升特性國內外專家已經做了大量的研究工作，并取得了一些研究成果。文獻[4]根據熱傳導理論，對弓網間靜止電弧和運動電弧對接觸線的熱侵蝕過程進行了分析。文獻[5]在自制的銷-盤試驗機上研究溫度對受電弓滑板材料摩擦磨損性能的影響，認為溫度是影響弓網系統摩擦系數和磨損量的主要因素之一。文獻[6]通過理論計算對引起受電弓滑板溫升的熱能(焦耳熱、摩擦熱、電弧熱)所占比例進行分析，發現隨著電流的增加，熱能比例也在發生變化。文獻[7]研究了溫度和電弧對弓網系統純碳滑板/銅接觸導線摩擦副的摩擦磨損性能的影響，發現摩擦副的高溫和電弧現象使純碳滑板的磨損率增加，同時也對滑板的壽命有明顯的影響。文獻[8]針對弓網系統電接觸建立了熱模型，可用來分析不同材料的接觸面在不同電流、壓力條件下最大接觸熱量和熱量分布。

弓網系統滑動電接觸動態特性極其復雜，而目前對受電弓滑板溫升特性的研究主要集中于假定熱源輸入情況下的理論分析和仿真計算[9-13]，與實際情況相比有一定差距；少量的實驗研究也主要采用熱電偶對受電弓滑板內部或表面的某固定點溫度進行測量[14-15]，難以得到受電弓滑板整體的溫度變化情況。本文采用的紅外熱像有非接觸、實時、快速的特點。它將被測目標的紅外輻射信號接收，經紅外探測器轉換成電信號，通過信號處理后，將被測物體表面溫度分布轉變為二維可視圖像，可對滑板整體溫度分布變化進行實時采集。

基于自行研制的弓網電接觸試驗平臺，本文探究了焦耳熱、摩擦熱、電弧熱三者對滑板溫升特性的影響。采用紅外熱像儀對滑板溫升實時拍攝，結合傳熱學理論，深入分析三種熱源各自特性及其對接觸點溫升幅值和滑板溫度分布的影響。該研究對豐富弓網電接觸系統溫升理論有重要的意義。

1 弓網電接觸試驗系統及材料

1.1 弓網電接觸試驗系統

本文采用實驗室自行研制的弓網電接觸試驗系統進行滑板溫升特性研究[16]。試驗裝置示意圖如圖1所示。接觸網導線內嵌在直徑為1 m的圓盤上，由變頻電機驅動其轉動。受電弓滑板安裝在氣缸上方，通過調節氣缸的氣壓，實現弓網不同接觸壓力工況下的受流。受電弓滑板運動由伺服電機和滾軸絲杠精準控制，除了可以實現上下沉浮運動，模擬弓網接觸或分離狀態，還能實現橫向往復運動，模擬真實受電弓滑板的“Z”字形運動。運行時，電流從電源流出，依次經過接觸網導線、受電弓滑板以及阻性、感性一體化負載，最后回到電源。

圖1 弓網電接觸試驗裝置原理圖

本文采用NEC公司InfRec R300系列紅外熱像儀進行滑板溫升變化情況的采集。該型號紅外熱像儀測溫量程為0～2 000 ℃，溫度分辨率為0.05 ℃，精度為±1 ℃。本次試驗時，拍攝幀率設置為15 幀/s，單次試驗時間設置為15 min。拍攝時將其與弓網接觸面平行，拍攝視角如圖2所示。

圖2 試驗裝置實物圖及紅外熱像儀拍攝視角

1.2 試驗材料

本試驗采用的接觸網導線為銅鎂合金接觸網導線，受電弓滑板為純碳滑板，其參數見表1～表3。

表1 接觸網導線基本參數[16]

表2 滑板成分含量 %

表3 滑板物理參數

2 滑板表面溫升來源

在弓網電接觸系統中，滑板溫度的升高是由受電弓滑板與接觸網導線載流摩擦釋放熱量引起的。滑板表面的熱量來源由三部分構成，即弓網之間接觸電阻產生的焦耳熱、弓網相對滑動時產生的機械摩擦熱和弓網離線時產生的電弧熱。熱量的積聚和電弧的發生對弓網間溫度場會產生直接的影響。

2.1 焦耳熱

根據電接觸理論，弓網滑動電接觸平面實際上是凹凸不平的，真正發生接觸的只是多個微小的點或面。此時，電流集中流過那些面積極小的導電斑點，電流線發生收縮效應引起收縮電阻；如果電流流過的導電斑點存在可導電的導電膜，還存在膜電阻。收縮電阻和膜電阻兩部分構成弓網滑動電接觸的接觸電阻。電流流過接觸電阻產生焦耳熱，使弓網載流情況下滑板表面溫度升高[17]。

2.2 機械摩擦熱

受電弓滑板和接觸網導線表面發生相對滑動摩擦，摩擦力做功轉化為熱能，對滑板起到加熱作用。在高速滑動電接觸中，電流引起的溫升會改變接觸表面的摩擦系數，溫度過高還會產生塑性變形，在接觸區域產生附加的應力應變，影響摩擦磨損，進一步加劇摩擦生熱[18]。

2.3 電弧熱

弓網滑動過程中，接觸導線不平順、接觸硬點等問題會引起接觸壓力變化，導致弓網離線。若電流超過0.25～1 A，加在受電弓滑板和接觸線之間的電壓超過12～20 V，弓網間隙會擊穿，產生電弧[19]，電弧通過輻射和熱傳導作用，導致滑板表面瞬態溫度升高。

需要注意的是，本文所采用的試驗裝置中弓網接觸方式為點接觸，與實際弓網間的線接觸方式有一定區別。從微觀來看，弓網表面均只有少數的點或面發生了真正的接觸，可認為三種熱源的產生機理和對滑板溫升的作用在點接觸和線接觸情況下是一致的。基于此，對焦耳熱、摩擦熱以及電弧熱三者對滑板溫升的影響機理進行了實驗研究和討論。

3 實驗結果及分析

3.1 焦耳熱對滑板溫升特性的影響

為單獨研究焦耳熱的作用，排除摩擦熱和電弧熱的影響，設置弓網滑動速度為0，即保持受電弓滑板與接觸線相對靜止。此時，接觸壓力設為80 N，牽引電流為80 A。使用紅外熱像儀拍攝的15 min內不同時刻紅外圖如圖3所示，時間分別為加載電流后0.2、120、240、360、480和600 s。

圖3 僅有焦耳熱作用下滑板溫升

試驗之前的受電弓滑板整體為均勻的室溫狀態，隨著試驗進行，由弓網接觸電阻引起的焦耳熱在滑板內部成輻射狀傳導，呈現近高斯分布。滑板整體溫度上升，高溫區域逐漸擴大。最高溫升區域集中在受電弓滑板和接觸網導線的接觸區域。越遠離接觸點，溫升幅值越小，最終在滑板上形成了明顯的溫度梯度。

弓網接觸點溫度隨時間變化的曲線如圖4所示。在弓網相對靜止受流，即只有焦耳熱源輸入的情況下，接觸點溫度隨時間變化的曲線較為平滑。初期曲線斜率較大，溫度上升速率極快，每秒上升近20 ℃。在試驗開始后16 s接觸點溫度達到120 ℃。隨著時間增加，溫度增加趨勢變緩，每秒升高約0.04 ℃，最終達到加熱與散熱的平衡，溫度趨于穩定時接近170 ℃。

圖4 僅有焦耳熱作用下接觸點溫度隨時間的變化

3.2 摩擦熱對滑板溫升特性的影響

為單獨研究摩擦熱的作用，排除焦耳熱和電弧熱的影響，設置牽引電流為0，此時滑板的溫升只取決于弓網之間的相對滑動摩擦產生的熱量。接觸壓力設為80 N，弓網滑動速度為30 km/h(受電弓滑板保持靜止，接觸線相對滑板運動)。圖5為15 min內僅有摩擦熱作用下滑板溫升的紅外熱像圖。

圖5 僅有摩擦熱作用下滑板溫升

認為紅色和橙色區域為高溫區，黃色區域為次高溫區，綠色區域為中溫區。可以看到，高溫區和次高溫區集中在受電弓滑板和接觸線的接觸區域，在整個摩擦過程中只有小范圍的擴散，變化不大。而中溫區范圍則隨時間變化擴大明顯。這是因為此時滑動速度和弓網間摩擦系數均較小，摩擦產生的熱量并不多，僅對接觸點附近區域有較明顯的加熱作用，向滑板內部傳導的熱量十分有限。

圖6 僅有摩擦熱作用下接觸點溫升隨時間的變化

圖6為僅存在摩擦熱時，弓網接觸點溫度隨時間的變化情況。在整個試驗過程中，弓網接觸點溫度的波動明顯，這是由于接觸線不平順使得弓網接觸壓力不穩定，改變了摩擦力做的功，導致輸入系統的摩擦熱不斷變化。此外，由于該速度等級下摩擦產生的熱量有限，且接觸線因為圓盤的轉動，不斷帶走接觸區熱量與環境發生熱交換，經過15 min試驗，接觸點溫度僅升高了1℃。可見在此速度等級下摩擦熱對滑板溫升幅值的貢獻較小。

根據摩擦熱公式，單位時間單位長度接觸線上產生的熱量為

Qf=μ·F·v

(1)

式中：μ為摩擦系數；F為正壓力；v為平均速度。在實際運行工況中，高速動車組的速度達到200～300 km/h。在純碳滑板和銅合金接觸線的滑動摩擦中，隨著運行速度的提高，摩擦系數呈下降趨勢[20]。v越高，μ越小，會一定程度上補償速度升高引起的摩擦熱源變化。

3.3 三種熱源聯合作用對滑板溫升特性的影響

3.3.1 試驗結果

圖7是弓網接觸壓力為80 N，牽引電流為80 A，受電弓滑板保持靜止，接觸線以30 km/h的速度相對滑板運動15 min的紅外熱像圖。此時弓網相對滑動摩擦，且回路中有電流，滑板溫升是摩擦熱、焦耳熱和電弧熱三者聯合作用的結果。

圖7 三種熱源作用下滑板溫升

如圖7所示，隨著試驗的進行，紅色代表的高溫區以弓網接觸點為中心，其邊緣擴展明顯，黃色次高溫區范圍變化較小，綠色中溫區在600 s時已經延伸到滑板兩端。與圖3和圖5相比，熱量在滑板內部擴散較快，且除了接觸區的溫升明顯，滑板整體溫升也十分顯著。

圖8 三種熱源作用下接觸點溫升隨時間的變化

圖8為三種熱源聯合作用對弓網接觸點溫度的影響。如圖8所示，接觸點在三種熱源的聯合作用下溫升速率較快，在前1 min內每秒上升近1 ℃，但仍小于僅有焦耳熱作用時的溫升速率(每秒上升20 ℃)。80 s后溫度上升幅度變緩，并且出現局部擾動和宏觀波動現象。隨著時間增加，滑板溫度穩定在130～140 ℃之間，低于僅有焦耳熱源輸入下滑板溫度穩定時的170 ℃。

3.3.2 分析與討論

三種熱源情況下接觸點溫升是電弧產生、焦耳熱作用、摩擦行為和傳熱過程綜合作用的結果。圖8顯示在試驗初期，接觸點溫度上升比較迅速，此時焦耳熱的影響占據主導作用。當弓網離線產生電弧，釋放大量熱量，引起接觸點溫度瞬間升高，造成溫度曲線圖上的多次局部擾動。

隨著時間增加，接觸點溫度曲線還出現了多次宏觀波動現象。這可能是由于兩個原因：一是因為弓網間接觸壓力不穩定，引起接觸電阻的變化，導致輸入系統的焦耳熱改變；二是溫度升高，暴露在空氣中的接觸導線發生氧化反應形成氧化膜，在摩擦力和剪切力作用下氧化膜又會破裂。氧化膜的生成和破裂使接觸電阻變化，同樣改變了焦耳熱源的輸入[21]。

與圖4僅有焦耳熱輸入時接觸點溫升幅值相比，三種熱源聯合作用下最終的穩態溫升幅值反而變小了。這是因為，一方面電弧產生時刻正是弓網離線時刻，弓網脫離接觸導致部分摩擦熱和焦耳熱的損失；另一方面，三種熱源聯合作用時弓網相對滑動，接觸導線通過與滑板之間的摩擦會帶走熱量，對滑板有一定的冷卻功能。

與圖6僅有摩擦熱時接觸點溫升情況相比，通入電流后，弓網接觸點的穩態溫升至少提高了100 ℃。可見電流是引起滑板溫度升高的主要原因。

比較圖3和圖7，相比僅有焦耳熱時的滑板溫度分布變化情況，三種熱源都存在時滑板溫度擴散速度快，擴散范圍廣。根據熱傳導理論，滑板內部的自由電子運動在滑板導熱中占主導作用。當相鄰的自由電子碰撞時，能量大的自由電子把能量傳遞給能量較小的自由電子，實現能量擴散[22]。因此，可能是因為接觸線與滑板之間的摩擦行為對滑板內部的自由電子存在力的作用，使得自由電子運動加劇，加速了熱量的擴散。

3.4 電弧熱對滑板溫度分布的影響

3.4.1 試驗結果

圖9 電弧熱作用下滑板溫度分布

由3.3節可知，電弧熱會造成弓網接觸點溫度突增。為了探究電弧熱對滑板溫度分布的影響，使弓網進行“Z”字形運動(受電弓滑板做往復運動，接觸線相對滑板運動)。圖9是弓網接觸壓力為80 N，牽引電流為80 A，弓網相對滑動速度為30 km/h的15 min實驗中，首次電弧產生后5 s內滑板溫度變化的紅外熱像圖。

對于圖9中的區域A來說，在0.4 s時，接觸線上出現了近50 ℃高溫，由于試驗剛開始焦耳熱和摩擦熱均較小，因此將此溫度驟升判斷為電弧熱的作用。需要注意的是此時電弧對滑板表面的加熱情況處在拍攝盲區。1～1.8 s內，接觸線恢復與受電弓滑板表面的良好接觸，同時把一部分電弧產生的高熱量向滑板表面傳導；在2.6 s時，接觸線沿著滑板表面繼續滑行，留下了兩個明顯的電弧熱造成的熱量聚集區，如圖9(d)和圖9(e)所示。由于熱量在純碳滑板內部擴散需要時間，直到4.2 s區域A內積聚的熱量才從拍攝盲區逐漸擴散，使圖像上熱量聚集區的溫度上升，同時熱量向低溫處傳導，使得熱量聚集區邊緣逐漸擴散并相互融合，形成了一個較大范圍的局部高溫區。

由于圖9(b)中的區域B與圖9(f)中的區域A內滑板溫度分布相似，認為區域B與區域A中滑板表面的熱量聚集區均由電弧造成，且區域B的電弧產生早于區域A。在5.4 s時，兩個區域中由電弧造成的局部高溫區逐漸融合，使較大范圍內滑板溫度上升。

3.4.2 分析與討論

從溫升幅值角度來看，該次電弧產生5 s后使滑板表面溫度升高了1～6 ℃，遠小于電弧自身溫度(6 000 K)。在試驗的15 min內，產生了多次電弧，每次電弧產生后，滑板接觸區溫度均會突增。由于弓網做“Z”字形運動，在滑板不同位置產生的電弧造成的相互獨立的高溫區會向周圍區域擴散，最終相互融合形成大范圍高溫區，在短時間內使滑板整體溫度上升。

因此，對于滑板溫升幅值來說，電弧熱的影響是有限的。但對于滑板的摩擦磨損過程，電弧熱的危害十分明顯。由于其對滑板材料的作用瞬時而集中，一方面會引起滑板中低熔點元素熔化或蒸發，造成電弧侵蝕，引起弓網接觸情況的惡化；另一方面，在滑板表面弧根處形成巨大的溫度梯度，產生熱應力，使得滑板材料發生裂紋，甚至導致滑板斷裂[22]。

由于試驗是在30 km/h較低速情況下完成的，旨在進行三種熱源對滑板溫升影響機理的探討。在實際工況下，產生電弧放電往往是車輛在運動中才有可能。這時，會有氣流對電弧的吹風降溫作用。這也會影響到電弧對滑板的溫升效果。在今后研究中，將會就弓網滑動受流時氣流流速對滑板溫升特性影響做進一步實驗分析。

4 結論

本文基于自行研制的弓網電接觸試驗平臺，探究焦耳熱、摩擦熱、電弧熱三種熱源對滑板溫升特性的影響，得出如下結論：

(1)在本文試驗條件下，焦耳熱對滑板溫升幅值的影響占據主導作用，摩擦熱的影響有限。三種熱源聯合作用時弓網接觸點溫度初期以每秒近1 ℃的速率上升，經過15 min試驗，滑板溫度最終穩定在130～140 ℃。

(2)焦耳熱、摩擦熱、電弧熱三者聯合作用下接觸點溫升幅值比僅有焦耳熱時接觸點溫升幅值小。接觸導線通過與滑板之間的摩擦帶走熱量，對滑板有一定的冷卻功能。

(3)電弧對滑板有局部加熱作用，且隨著弓網做“Z”字形運動，在滑板不同位置產生的電弧造成的高溫區會向周圍擴散且相互融合，在短時間內使滑板整體溫度上升。

(4)抑制弓網電弧并不僅是因為其會造成滑板溫升，更重要的是它對滑板材料的作用瞬時而集中，會引起電弧侵蝕和滑板裂紋，導致滑板磨損加劇甚至影響列車安全運行。