基于弓網(wǎng)電弧模擬試驗(yàn)裝置的電弧研究

楊志鵬，李華偉，孫忠國，李國國

0 引言

鐵路電氣化是鐵路發(fā)展的大方向，國內(nèi)正在大力推進(jìn)既有線路的電氣化改造和高速電氣化鐵路的建設(shè)，列車運(yùn)營速度已達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過弓網(wǎng)間相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引受流是電氣化鐵路關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著列車速度不斷提高，弓網(wǎng)關(guān)系越來越引起重視。弓網(wǎng)電弧參數(shù)是體現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系的一個重要特征，在實(shí)際運(yùn)營中弓網(wǎng)電弧會增加接觸線和受電弓滑板的磨耗，影響受流質(zhì)量，產(chǎn)生電磁干擾、噪聲等問題。

為了研究弓網(wǎng)電弧的特性，需要真實(shí)檢測各種數(shù)據(jù)。采用簡單的模擬裝置最大限度地模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)真實(shí)模型，可以為檢測提供真實(shí)可靠的平臺，也為進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場檢測奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 弓網(wǎng)電弧發(fā)生機(jī)理

當(dāng)空氣處于一定的電場中，其中的帶電粒子會沿著所受電場力的方向作加速運(yùn)動，在帶電粒子加速運(yùn)動過程當(dāng)中，有可能與其他氣體分子發(fā)生碰撞，造成部分氣體分子電離，產(chǎn)生電子和正離子，從而進(jìn)一步導(dǎo)致電子崩的產(chǎn)生，這就是電子碰撞電離。當(dāng)空氣間隙上電壓達(dá)到一定數(shù)值后，流過間隙的電流劇增，空氣失去絕緣能力，這種由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)的變化稱為擊穿[1]。

電弧的形成主要分為4種類型[2]：

（1）當(dāng)觸頭剛分開時，產(chǎn)生很大的電場強(qiáng)度，陰極表面的電子被拉出成為弧隙間最初的自由電子。

（2）陰極表面發(fā)射出的電子和弧隙中原有的少數(shù)電子在電場作用下，不斷與其他粒子發(fā)生連續(xù)的碰撞游離，導(dǎo)致在觸頭間充滿了電子和離子，在外壓的作用下觸頭間介質(zhì)就可能導(dǎo)致被擊穿而形成電弧。

（3）電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面受熱，形成強(qiáng)烈的熱點(diǎn)，金屬不斷地發(fā)射出電子，促使熱電子發(fā)射形成電弧。

（4）在開關(guān)電器中的電弧總存在一些金屬蒸汽，而金屬蒸汽的游離溫度只在4 000℃～5 000℃，因此金屬蒸汽熱游離維持著電弧燃燒。溫度的升高，使得質(zhì)點(diǎn)碰撞能游離出電子和正離子。

弓網(wǎng)電弧主要發(fā)生在以下情況：列車經(jīng)過電氣分段，如錨段關(guān)節(jié)，分段絕緣器，電分相等；滑板或接觸線表面有異物，如污物、覆冰、積雪等；接觸線安裝不合格，出現(xiàn)連續(xù)硬點(diǎn)、硬彎、接觸線坡度超限等；惡劣天氣情況下，如濃霧、煙雨等。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計

弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生試驗(yàn)臺由三相交流電機(jī)，旋轉(zhuǎn)輪盤接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，模擬受電弓，支撐結(jié)構(gòu)，變頻器和電弧電氣主回路構(gòu)成，如圖1所示。表1給出了其中各器件的主要參數(shù)。

圖1 弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置示意圖

表1 試驗(yàn)臺器件組成及功能一覽表

三相電機(jī)額定速度為2 840 r/min。輪盤采用絕緣塑料材質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和機(jī)械強(qiáng)度要求。接觸線選擇銅合金接觸線，采用無縫銅焊接技術(shù)連接。受電弓采用螺桿一維彈簧結(jié)構(gòu)，可以任意調(diào)節(jié)高度，增加接觸壓力，并且可以模擬弓網(wǎng)間彈性震動。電弧主回路包括調(diào)壓變壓器，負(fù)載電阻，導(dǎo)線，保護(hù)空氣開關(guān)和互感器等。

3 電弧電壓和電流的測量

3.1 波形測量

試驗(yàn)臺電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，試驗(yàn)?zāi)M接觸線與受電弓最高相對速度為113.04 km/h，考慮到轉(zhuǎn)差率影響，約為110 km/h。調(diào)壓變壓器試驗(yàn)最高供電電壓為80 V，對應(yīng)電氣主回路電流為8 A。

電壓互感器為電流型電壓互感器，參數(shù)為2 mA/2 mA，電流互感器參數(shù)為10 A/10 mA。測量信號傳輸線為了減少電磁干擾采用信號線雙絞纏繞并套加鐵氧體磁環(huán)的方法。為保證測量信號的原始性，使得諧波分析結(jié)果可靠，未對信號進(jìn)行濾波處理。

試驗(yàn)1設(shè)置變頻器輸出頻率，使得旋轉(zhuǎn)輪盤邊緣線速度約50 km/h，調(diào)壓變壓器供電電壓為30 V。試驗(yàn)電弧照片及電壓電流波形如圖2，圖3所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續(xù)，電流值根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)計算為2.96 A。

圖2 50 km/h—2.96 A試驗(yàn)電弧放電試驗(yàn)例圖

圖3 試驗(yàn)1電弧電壓和電流波形圖

試驗(yàn)2設(shè)置變頻器輸出頻率，使得旋轉(zhuǎn)輪盤線速度約80 km/h，調(diào)壓變壓器供電電壓為60 V。試驗(yàn)電弧照片及電壓電流波形如圖4，圖5所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續(xù)，電流值根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)計算為5.72 A。

通過2組試驗(yàn)可以看出隨著速度的增大，電流連續(xù)性變差，更加容易產(chǎn)生電弧；隨著系統(tǒng)電流的增大，電弧對外釋放光信號能量增強(qiáng)，電弧電流連續(xù)性變差，能量轉(zhuǎn)向熱能和光能形式釋放。

圖4 80 km/h—5.72 A試驗(yàn)電弧放電試驗(yàn)例圖

圖5 試驗(yàn)2電弧電壓和電流波形圖

3.2 基于LABVIEW的諧波分析

將采集數(shù)據(jù)傳輸給LABVIEW軟件，應(yīng)用軟件頻譜分析模塊對電壓電流波形進(jìn)行分析，模塊設(shè)置為Hanning窗，選用峰值幅值線性分析，結(jié)果如圖6—圖9。

（1）試驗(yàn)1。電弧電流2.96 A，模擬機(jī)車運(yùn)行速度50 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 試驗(yàn)1電流波形頻譜分析結(jié)果圖

圖7 試驗(yàn)1電壓波形頻譜分析結(jié)果圖

（2）試驗(yàn)2電弧電流5.72 A，模擬機(jī)車運(yùn)行速度80 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 試驗(yàn)2電流波形頻譜分析結(jié)果圖

圖9 試驗(yàn)2電壓波形頻譜分析結(jié)果圖

通過上述試驗(yàn)說明，電弧電流與電壓諧波頻段相對應(yīng)，且包含間諧波成份。系統(tǒng)電流與機(jī)車運(yùn)行速度對電弧諧波成分影響低。

4 對比研究分析

4.1 測量波形對比

文獻(xiàn)[3]對弓網(wǎng)電弧問題進(jìn)行了深入的研究，通過一套弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置，并對直流和交流系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4，5]。文獻(xiàn)[5]給出了測量電壓電流波形圖（圖略）。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一套弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置，文獻(xiàn)[7]在該基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)，并給出了電弧電流波形圖（圖略）。

由于各個試驗(yàn)臺設(shè)計情況各異，電弧電極材料不同，導(dǎo)致電弧發(fā)生的狀態(tài)并不相同，使得電弧間隙電壓、電弧電流波形不同。根據(jù)電弧理論的基本知識，電弧發(fā)生需要較大的能量，因此電弧在電壓、電流瞬時峰值處更易于發(fā)生，如圖5中第一個正向峰值處就說明了該問題。交流電弧熄滅在電壓、電流過零點(diǎn)處更易發(fā)生，圖3，圖5中可以看出電弧電流為0處，電弧間隙電壓明顯增大，表明電弧主回路已經(jīng)處于斷開狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]，[7]指出過零點(diǎn)處是電弧狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)，且電弧過零點(diǎn)分?jǐn)鄷r存在震蕩現(xiàn)象。

4.2 諧波分析對比

文獻(xiàn)[8]、[9]對電弧諧波進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]對電弧間隙電壓，電弧電流進(jìn)行了諧波分析，主要關(guān)注于直流分量的成分，并根據(jù)試驗(yàn)建立了電弧數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[9]對電流波形進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果如圖10。

根據(jù)其測量結(jié)果與本文中的分析結(jié)果對比，結(jié)論如下：

（1）不同試驗(yàn)臺的試驗(yàn)條件不同，電弧發(fā)生狀態(tài)不同，電弧間隙電壓，電弧電流波形不同。

（2）2個獨(dú)立試驗(yàn)對電壓、電流頻譜分析都顯示：電弧對電氣主回路的影響主要集中在 500 Hz以下頻段。

圖10 文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)臺電弧電流波形及頻譜分析圖

（3）文獻(xiàn)[9]分析結(jié)果顯示諧波成分主要為直流、工頻、整數(shù)倍工頻3個部分；本文分析顯示，電弧諧波成分與試驗(yàn)條件相關(guān)，包含直流、工頻以及間諧波成份，諧波構(gòu)成更加復(fù)雜。

（4）由于本文試驗(yàn)采用阻性負(fù)載，電壓、電流波形能夠?qū)?yīng)互補(bǔ)；諧波分析顯示，雖然電壓、電流波形畸變嚴(yán)重，但是主要成分仍為工頻；小于500 Hz的諧波是主要的波譜區(qū)段，且包含間諧波成份。

5 結(jié)論

本文依托弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生試驗(yàn)臺，對電弧間隙電壓，電弧電流進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與目前國內(nèi)外研究結(jié)果不同，并分析了其中的原因。通過LABVIEW軟件對測量的電弧間隙電壓，電弧電流諧波分析，說明了電弧諧波分布，特別是包含間諧波成份，并與國外研究成果進(jìn)行了對比，分析了相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的區(qū)別，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)分析了造成以上差異的原因。

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