弓網系統降弓電弧電氣特性仿真研究

周夢迪 彭彥卿 莊志堅

摘 ?要： 基于Mayr電弧電路模型和Cassie電弧電路模型，考慮縱向氣流吹弧效應，對電弧電壓梯度[U]和電弧耗散功率[P0]進行修正，建立降弓電弧電路分析模型。研究降弓速度、降弓時刻以及降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響。發現降弓電弧電壓呈現近似線性的增長關系，降弓速度越高，降弓電弧電壓增長得越快。降弓時刻對于電弧電壓的影響主要體現在電弧電壓出現的時刻差異，降弓電弧電壓的波形基本一致。不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。文中的研究對于指導降弓操作、減輕弓網材料損失具有重要意義。

關鍵詞： 弓網電弧; 降弓電弧; 降弓速度; 降弓時刻; 電弧電流; 電弧電壓

中圖分類號： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0159?05

Abstract： The dropping pantograph arc circuit model is established based on the Mayr arc circuit model and the Cassie arc circuit model. In the model， the arc voltage gradient [U] and the dissipation power [P0] are modified， and the longitudinal flow arc blowing effect is taken into consideration. The effects of the dropping speed， the dropping time and the arc current on the arc voltage are studied. It is found that the arc voltage increases linearly with time. The higher the dropping speed is， the faster the arc voltage increases. The effect of the dropping time on arc voltage is mainly reflected in the time difference of arc voltage， and the waveform of arc voltage is basically the same. The arc voltage is basically the same under different arc current conditions. The research in this paper is of great significance for guiding the operation of dropping pantograph and reducing the loss of pantograph?catenary material.

Keywords： pantograph?catenary arc; dropping pantograph arc; dropping pantograph speed; lowering time; arc current; arc voltage

0 ?引 ?言

隨著國民經濟的迅速發展，鐵路運輸向更高速度、更大運載量、更加安全穩定的方向發展，以滿足人們對于運輸時效性以及運輸量的迫切需求。弓網系統作為列車獲取電能的唯一途徑，對于保證列車高速、安全、穩定運行十分重要[1?2]。然而，由于列車運行速度逐步提升導致振動加劇、接觸線覆冰、升降弓操作等引起受電弓滑板與接觸線分離，造成弓網之間的空氣間隙被擊穿而形成弓網電弧。弓網電弧不僅使車載電氣設備承受高頻振蕩過電壓，還會燒蝕受電弓滑板、接觸網導線，輕者縮短弓網系統使用壽命，重者燒斷接觸導線，造成重大事故[3?5]。弓網離線電弧嚴重制約和影響了列車提速和運行安全。

文獻[6]中根據瞬態熱傳導理論建立了弓網電弧燒蝕模型，分別對靜態電弧和運動電弧在兩種熱流輸入的情況下接觸線的熱過程進行了仿真計算，結果表明靜態電弧比運動電弧對接觸線的電氣侵蝕程度更為嚴重。對于列車振動、接觸線覆冰導致的弓網電弧，由于列車處于運行狀態，弓網之間具有相對運動，電弧對于弓網材料的燒蝕較輕。而列車進行降弓操作時，列車處于靜態，降弓導致的電弧對于弓網材料將會產生更為嚴重的損傷。因此，針對降弓電弧展開研究對于指導降弓操作、減輕弓網材料損失具有重要意義。

2.3 ?降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響

為了分析降弓過程降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響，研究不同降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響。

圖5顯示了降弓過程中降弓電弧電流的變化情況。由圖可知，隨著降弓過程的進行，降弓電弧電流的幅值逐漸減小，主要原因可能是電弧逐漸增長造成回路電阻值逐漸增大，使得回路的電流逐漸降低。

不同電弧電流時的降弓電弧電壓如圖6所示。由圖6可知，不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。由電弧電壓與電流的關系可知，1～50 A范圍內電弧電壓隨著電弧電流的增大而逐漸減小，主要是因為電弧電流增大使得電弧溫度升高，進而使得電弧電阻減小。而在電流大于50 A以后，電弧電壓基本不變。

盡管電弧電流對于電弧電壓的影響不大，但是電流的增大使得電弧的燃弧強度增強，對于弓網材料的威脅也會進一步加大。因此，應當避免大電流情況下的降弓操作。

3 ?結 ?論

本文研究了降弓電弧的電氣特性，以及降弓速度、降弓時刻和降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響，得出如下結論：

1） 基于Mayr電弧模型和Cassie電弧模型，將Mayr電弧模型與Cassie電弧模型進行串聯，通過修正電弧電壓梯度[U]和電弧耗散功率[P0]，建立降弓電弧電路模型。

2） 研究不同降弓速度對電弧電壓的影響，發現降弓電弧電壓呈現近似線性的增長關系。降弓速度越高，降弓電弧電壓增長得越快。通過增大降弓速度可以加快降弓電弧的熄滅速度，減輕電弧的損傷。

3） 降弓時刻對于電弧電壓的影響主要體現在電弧電壓出現的時刻差異，降弓電弧電壓的波形基本一致。降弓時刻為0°時，電弧發生在0.042 s。降弓時刻從90°變化到360°時，電弧發生時刻也從0.047 s增長到了0.062 s。降弓時刻對應的接觸網電壓卻有所不同，降弓產生的過電壓將會嚴重威脅列車設備。因此，可以考慮采用選相降弓裝置減輕降弓過電壓的影響。

4） 不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。盡管電弧電流對于電弧電壓的影響不大，但是電流的增大使得電弧的燃弧強度增強，對于弓網材料的威脅也會進一步加大。因此，應當避免大電流情況下的降弓操作。

注：本文通訊作者為彭彥卿。

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