高速公路接觸網電力貨車受電弓的技術研究

□宋一凡 杜丹豐

電氣化公路是指架設了電力接觸網，能夠為電力汽車供給連續電能以驅動其行駛的道路。電力汽車是可以由電氣化公路提供電能行駛的電動或混合動力汽車，架設在電氣化公路沿線為電力汽車供電的電力傳輸網稱為接觸網，安裝在電力汽車頂部從接觸網接受電能的裝置稱為受電弓。當汽車駛入供電區時，受電弓可自動識別高速公路上架設的接觸網，在獲得用戶授權后，受電弓即可升起完成觸網操作。當電力汽車駛出供電區后受電弓自動收起并啟動混合動力引擎，切換到蓄電池電力驅動。

一、系統組件

滾動弓頭受電弓是一種具有特殊結構弓頭的受電弓，安裝在車頂上，由底架、升弓機構、傳動機構、弓頭組件、控制機構(包括升降弓控制系統、弓網振動主動控制系統)等組成，與普通滑板式受電弓不同之處在于弓頭部分與接觸網接觸的是一可繞其軸線旋轉的滾子，電力汽車前進時，滾子與接觸網相對滾動，從接觸網受取電能。控制機構中用于抑制振動的激振器安裝于受電弓的兩個力臂之間，位于滾動弓頭軸承處的接觸壓力傳感器檢測到振動時，控制器控制激振器活塞桿伸縮以抵消振動。光纖內埋式磨損傳感器嵌于滾動弓頭內，用以檢測弓頭滾子的磨損，并在滾子磨損至繼續工作存在安全隱患時將信號傳至控制器使受電弓自動降落。系統如圖1所示。

圖1 受電弓結構及工作原理系統框圖

二、關鍵技術

(一)滾動弓頭。滑板是受電弓從接觸網引流的重要元件。普通受電弓滑板與接觸網為滑動摩擦，為了保證接觸良好必須使滑板與接觸網之間具有一定的壓力，但壓力會帶來滑板和接觸網的磨損，滑板磨損尤為嚴重。若以滾子代替滑板將有效避免這一矛盾，滑板與接觸網的滑動摩擦將轉化為滾子與接觸網的滾動摩擦，滾動摩擦與滑動摩擦相比可以在增大接觸壓力的同時減少弓網磨損，并減小接觸電阻，提高受電弓的壽命。

接觸電阻是降低電傳輸電能效率的主要因素，接觸電阻將使接觸處局部溫度升高，加劇滑板的磨損，應當盡量減小接觸電阻，并減小電阻值的波動。接觸電阻一般包括集中電阻和接觸面間的膜層電阻。

集中電阻是由于兩接觸表面間凹凸不平，實際接觸面積很小引起的，電流流經時發生劇烈收縮現象，集中電阻受接觸形式的影響，接觸形式包括面接觸、線接觸和點接觸，接觸總面積依次減小，集中電阻隨接觸面積的增大而增大。面接觸接觸面積最大，集中電阻最小。接觸壓力的變化將改變接觸處的接觸形式，線接觸隨著接觸壓力的增大由于發生塑性變形將轉變為面接觸。接觸形式對膜層電阻同樣也有影響，接觸形式不同接觸面間的壓強也不同。在接觸力相同時，點接觸壓強越大，接觸面的薄膜層越容易被破壞，從而使膜層電阻越小。因此點接觸膜層電阻最小，面接觸膜層電阻最大，線接觸介于二者之間。因此，接觸壓力對集中電阻和膜層電阻均有影響，隨著接觸壓力的增大，接觸面積增大，集中電阻減小；薄層膜越容易被破壞，膜層電阻減小。集中電阻和薄層電阻均減小，接觸電阻也因此減小。同時由于接觸壓力增大，摩擦加劇，產熱增多，滑板溫度升高使其電阻增大，同時加速了金屬材料的氧化，其表面的氧化層加厚，膜層電阻增大，進而導致產生更大的發熱量，形成惡性循環。因此控制滑板溫度是提高其抗受流磨損性能的重要因素。

通過上述分析可知，增大接觸壓力以減小接觸電阻的同時加劇了接觸面的磨損。但由于滾動弓頭滾動摩擦的特性，使滑板與接觸網接觸處的相對速度大大減小，同時滾子旋轉使接觸處實時變化，溫度被分散至整個圓柱面，因此滾動摩擦導致的材料磨損將遠遠小于滑動摩擦，采用滾動弓頭將大大提高弓頭的使用壽命。為了增大接觸壓力的同時降低弓線磨損和弓線溫度，采用滾動弓頭是一種有利的方法。

(二)弓網自適應振動主動控制技術。為了減弱弓網系統的振動對接觸網和受電弓滑板的沖擊和磨損，延長弓網系統使用壽命，保證弓網可靠接觸，優化弓網系統運行品質，采用弓網自適應振動主動控制技術。

自適應振動主動控制方法的基本原理是觀測器獲得弓網參數變化實時信號，控制器將此信號根據控制算法進行計算，并通過自適應規律調節后輸出給作動器，作動器產生相應動作抵消振動。將自適應主動振動控制技術應用于受電弓，可以有效解決電力汽車的穩定受流問題。位于受電弓滾子軸承處的接觸壓力傳感器獲得振動信號，PID收到信號進行模糊處理，自動檢測系統參數變化并產生與振源振幅相同、方向相反的動作信號來抵消振動。自適應振動主動控制技術的應用使弓網間的接觸壓力始終維持在標準值附近，因此可以提高受流質量、減小設備磨損。

三、接觸網電力貨車受電弓的社會和經濟效益

公路運輸一直是貨物運輸中最重要的組成部分，目前公路運輸量仍居貨物運輸量之首，其地位能長期保持的原因就是其不斷創新的運輸模式。電氣化公路將為未來公路運輸的發展注入新的活力。電氣化高速公路同樣將極大地推動新能源產業的發展，電氣化高速公路將是新能源產業的重要組成部分。從長期來看，電氣化高速公路的發展對于促進經濟轉型，改善我國能源結構，提高就業率，實現高質量綠色發展具有重要意義。而受電弓將是電氣化公路實現的關鍵。

四、結語

弓網關系是目前制約電氣化公路實現的主要瓶頸，在道路不平、不規則風及空氣阻力的作用下弓網振動無法避免，弓網振動將引起拉弧和弓網磨損。因此弓網振動是實現電氣化公路需要解決的核心問題，而受電弓主動控制是解決這一問題的可行方案。在電氣化公路建設中僅靠材料的改進是遠遠不夠的，還需綜合利用電氣、算法和機械技術解決弓網電弧和滑板磨損問題，才可能達到良好的效果。