弓網電弧等離子體光譜特性實驗

胡 怡魏文賦雷 棟高國強吳廣寧

（1. 西南交通大學電氣工程學院 成都 610031 2. 中國鐵道科學研究院標準計量研究所 北京 100081）

弓網電弧等離子體光譜特性實驗

胡 怡1魏文賦1雷 棟2高國強1吳廣寧1

（1. 西南交通大學電氣工程學院 成都 610031 2. 中國鐵道科學研究院標準計量研究所 北京 100081）

弓網電弧等離子體具有高溫度、高能量的特點，對高速鐵路弓網電接觸的性能造成了威脅。基于弓網電弧模擬實驗平臺，利用光譜診斷法對弓網電弧等離子體進行研究。對輻射的主要特征譜線進行標識和歸屬，并計算弓網電弧等離子體的激發溫度、轉動溫度、振動溫度和電子密度。此外，還研究了電源輸出電流對激發溫度和電子密度的影響。實驗結果表明，弓網電弧等離子體對接觸網銅導線和浸金屬碳滑板強烈的燒蝕作用會產生豐富的銅原子譜線、鐵原子譜線和CN B2∑+→X2∑+譜線。同時，基于Boltzmann斜線法，發現了弓網電弧等離子體激發溫度隨電流的增加而增加。通過擬合電弧等離子體中CN B2∑+→X2∑+譜線，可知在30A電流條件下，弓網電弧等離子體的轉動溫度和振動溫度分別達到6 800K和9 000K。最后，討論了特征譜線的展寬機制，并利用Cu I 521.82nm譜線，探討了弓網電弧等離子體的電子密度隨電流的增加而上升的情況。

弓網電弧等離子體 發射光譜 激發溫度 轉動溫度 振動溫度

0 引言

弓網關系作為高速鐵路關系安全運行的三大基礎關系之一，保障著動車組的穩定受流[1,2]。隨著動車組運行速度的提升，受電弓與接觸網之間的振動加劇，導致弓網離線頻繁，弓網電弧頻發。電弧等離子體有高能量、高溫度的特點，不僅會使電力系統或設備承受高頻振蕩過電壓[3,4]，還會嚴重燒蝕受電弓和接觸網，影響列車的行車安全[5,6]。由于目前在高速列車的運營現場，并不具備對弓網電弧等離子體進行實驗的條件，主要側重于外部電氣參數的測量，并不能直觀地反映出燃弧的強度。對弓網電弧等離子體的燃燒機理進行研究，有利于對其進行抑制，其中對溫度的測量就是上述研究的關鍵技術之一。

弓網電弧等離子體處于高速列車運行產生的強氣流場中，內部包含大量的分子、原子和離子。光譜是粒子狀態發生躍遷時，所釋放出波長不同的電磁輻射，按電磁輻射的本質將光譜區分為：原子光譜、分子光譜、X射線能譜、γ 射線能譜等種類。目前國內外相關研究人員針對弓網電弧的實驗開展了大量的工作，但主要都集中于對其電氣特性的探索。S. Midya等[7,8]研究了高速鐵路情況下弓網電弧的現象，主要分析了速度和電流等因素對弓網電弧的影響和作用機制。L. Morin等[9]研究了不同負載對電弧能量的影響機制，結果表明感性負載回路中電弧能量明顯高于阻性負載回路中的電弧能量。吳廣寧等[5,10]基于自行研制的弓網電弧實驗系統研究了電弧對受電弓滑板和接觸網導線的侵蝕現象，并對弓網電弧的抑制措施進行了初步探索。

然而對于弓網電弧等離子體特性的實驗研究，目前還較少見諸報端。近年來，隨著光譜儀等光學設備的發展，使用光學的方法診斷等離子體參數變得更加簡便、有效、精確。目前針對大氣壓等離子體參數診斷方式常用Langmuir探針法和光學診斷法，但探針法會對等離子體本身造成干擾，影響診斷結果準確性。斯紅等[11]利用發射光譜法，分析了TIG焊接電弧的計算譜線選擇規則和其溫度場分布。張喬根等[12]對染污絕緣子表面的局部電弧，基于光譜診斷手段，分析了其內部溫度和電子密度隨泄漏電流的變化情況。對于等離子體輻射的分子光譜，彭志敏等[13]基于火焰發射光譜，利用光學多通道分析儀，對OH自由基和CH自由基的實驗光譜和理論計算光譜進行對比，分析了轉動溫度和振動溫度。屠昕等[14]基于N2+的B2∑+→X2∑+譜帶對電弧等離子體的振動溫度和轉動溫度進行了測量，并分析了轉動溫度和振動溫度對譜帶輪廓的影響機制。周亦驍等[15]測量了大氣壓下Ar/O2和Ar/H2O等離子體射流的發射光譜，并分析了轉動溫度和振動溫度隨外加電壓幅值的變化情況。

本文基于弓網電弧實驗系統，模擬列車運行時的弓網振動情況，產生電弧并利用光譜儀采集其發射光譜，選取合適的譜線，基于Boltzmann斜線法，計算了在不同電流下，弓網電弧等離子體的激發溫度。同時，通過實驗光譜與理論計算光譜進行擬合，得到了等離子體的轉動溫度和振動溫度。討論了弓網電弧等離子體的特征譜線展寬機制，并利用譜線的展寬，分析了在不同電流下弓網電弧等離子體的電子密度。

1 弓網電弧實驗系統

課題組研制了一套弓網電弧模擬系統[5]，為保證模擬的準確性，受電弓滑板和接觸線材料與實際弓網系統一致，分別為銅合金接觸網導線和浸金屬碳滑板，滑板的主要組分見表1。弓網電弧光譜實驗系統裝置如圖1所示。

表1 浸金屬碳滑板組分含量Tab.1 Component content of pantograph strips

圖1中箭頭方向分別表示接觸線導線CW和受電弓滑板P的運動方向。變頻電機驅動轉盤W帶動接觸導線。受電弓滑板的運動受工控機IPC控制，由伺服電動機進行操作，可縱向模擬弓網系統的振動，整個弓網系統由直流電源S供電，其電壓可調范圍為0～80V，電流范圍為0～60A。同時利用示波器采集電弧電壓、電流波形，示波器型號為Tektronix MDO3024，帶寬200MHz。

圖1 弓網電弧光譜實驗裝置S—電源R—列車負載電阻L—列車負載電感 W—轉盤CW—接觸網導線 P—受電弓滑板 PC Plasma—弓網電弧等離子體SP—光譜儀 F—光纖 IPC—工控機Fig.1 The pantograph-catenary arc test device

弓網電弧是一種典型氣體放電現象，其電壓主要由陰極電壓降、陽極電壓降和弧柱電壓共同構成，其中陰極和陽極電壓降與電弧所處氣體和電極材料有關，在空氣中分別取值約為8～11V和3～12V[16]，而弧柱電壓與電弧長度有關，其單位約為15V/mm[17]。所以當弓網間隙為4mm時，弓網電弧的電壓為80V左右。在牽引供電系統中，27.5kV的電壓主要消耗在車體、牽引變壓器等大阻抗器件，實際的小間隙弓網電弧電壓值也較小，與本文所采用的實驗裝置仍具一定等效性。

當實驗系統產生弓網電弧時，通過光譜儀對弓網電弧等離子體的發射光譜進行采集，將采集的光譜存儲至工控機，以便處理。實驗所采用的是PG-2000光譜儀，其具體參數見表2。

表2 PG-2000光譜儀參數Tab.2 Parameters of PG-2000 spectroscope

本實驗模擬電力機車在高速運行時，由于弓網系統振動，產生電弧：由工控機控制伺服電動機，驅動受電弓滑板在接觸線下方振動，滑板的最高位置是與接觸線恰好接觸上。振動頻率為1Hz，振動間距固定設置為4mm，光譜儀的積分時間為100μs。

在弓網電弧實驗平臺，進行受電弓滑板和接觸線從接觸到分離的一次完整拉弧過程，采集到弓網電弧典型的電壓和電流波形如圖2所示。在拉弧過程中，在圖中Q點處，滑板和接觸線分離，電弧產生，隨著弓網間隙增大，電壓逐漸增大，電流始終保持恒定，在1s后弓網電弧熄滅，此時弓網間隙的電壓等于電源電壓，電流為零。

圖2 弓網電弧電壓、電流波形Fig.2 The voltage and current waveforms of pantograph-catenary arc

2 弓網電弧輻射譜

2.1 弓網電弧等離子體光譜特性分析

經光譜儀校正曲線校正后，得到直流電流30A的情況下，弓網電弧等離子體波長范圍為350～500nm和500～800nm的光譜特征譜線分別如圖3a和圖3b所示。對特征譜線進行比對和分析，其粒子類型和波長均如圖3所示。

從圖3中可以看到弓網電弧等離子體輻射光譜存在以下信息：

（1）弓網電弧等離子體輻射光譜主要由Cu原子譜線構成，這是因弓網電弧等離子體對銅接觸線和受電弓碳滑板強烈的燒蝕作用導致。除Cu原子譜線外，還觀測到了其他金屬元素（如Fe）的特征譜線，這是由于受電弓碳滑板和銅鎳導線中均含有微量的鐵。除此之外，還有Cu+離子特征譜線，但譜線強度較低，其原因是Cu+離子的激發能遠大于激發Cu原子的能量。

圖3 弓網電弧等離子體輻射光譜Fig.3 The emission spectrum of pantographcatenary arc plasma

（2）此外，還觀測到了CN自由基B2∑+→X2∑+電子帶系譜帶，其產生主要是受電弓碳滑板在弓網電弧等離子體燒蝕下會產生C2分子，與空氣中的氮氣發生反應C2+N2=2CN。

（3）在弓網電弧等離子體輻射光譜中還有O I 777.53nm的特征譜線，O原子的激發也是由于高能電子的碰撞，可能還會影響弓網電弧等離子體的燃燒強度。

2.2 Boltzmann法測激發溫度

弓網電弧等離子體是一種由中性粒子和帶電粒子共同組成，整體呈電中性的氣體。根據統計動力學觀點，溫度是一個統計的概念，在等離子體中，某種粒子各自由度下的平均能量對應著不同的溫度，對于分子的平動、振動、轉動自由度分別有平動溫度、振動溫度和轉動溫度。電子溫度是指等離子體中自由電子的平動溫度，而激發溫度對應的是原子或離子（重粒子）內部束縛態電子的激發自由度。只有當系統達到完全熱力學平衡時，即各自由度的溫度相同時，系統才具有一個統一的熱力學溫度[18]。

等離子體的激發溫度是影響輻射譜線強度的重要因素[19]。不考慮共振光電子激發過程，輻射譜線強度與等離子體溫度的關系為

式中，I為譜線強度；T為等離子體溫度；n為等離子體的中性粒子密度；Aul為躍遷幾率；h為普朗克常數，h=6.63×10-34J·s；v為譜線的頻率；gu為上能級統計權重；Z為原子配分函數；Eu為高能態激發能；k為玻耳茲曼常數，k=1.38×10-23J/K。

對式（1）進行變換后，左右兩端取對數得

式中，λ為譜線波長。

當式（2）中的激發能單位為eV（1eV=11 600K）時；玻耳茲曼常數k經換算后為8.618×10-5eV/K；從式（2）可知與Eu是線性關系，對于同種原子的多條譜線，以和Eu分別作為橫、縱坐標描出各點，利用最小二乘法進行擬合，擬合直線的斜率為-1/(kT)。

由圖3可知，弓網電弧等離子體中含有大量的Cu原子譜線，通過NIST查詢到Cu原子特征譜線的參數，見表3。

表3 Cu原子特征譜線參數Tab.3 Parameters of copper atomic characteristic spectral lines

由于在利用譜線強度計算電子溫度時，需要使用躍遷幾率，但理論計算躍遷幾率值往往存在較大的不確定度，影響弓網電弧等離子體激發溫度計算的準確性，為減小誤差，通常會選擇多譜線進行擬合[20]。除此之外，對于計算溫度的譜線選擇而言，還需考慮其強度情況，強度越低的譜線也越容易受背景噪聲干擾。I. L. Babich等[21]針對Cu原子譜線的躍遷幾率的準確性情況進行了研究，發現Cu I 529.25nm譜線強度可能受N I發射譜線強度的干擾，會較為偏離Boltzmann圖的擬合結果，所以在弓網電弧等離子體激發溫度的計算中不采用。此外，Cu I 793.31nm在NIST中未能查詢到躍遷幾率，也同樣不能用于計算。

綜上所述，針對弓網電弧等離子電子激發溫度的計算，選擇Cu I 465.11nm、Cu I 510.55nm、Cu I 515.32nm、Cu I 521.82nm、Cu I 570.02nm和Cu I 578.21nm六條譜線，其擬合結果如圖4所示。

圖4 弓網電弧等離子體Boltzmann圖Fig.4 The Boltzmann plot of pantographcatenary arc plasma

通過線性擬合，最后得到在電流為30A，如圖4的實驗條件情況下，弓網電弧等離子體的Boltzmann圖的斜率為-1.508 7×10-4，計算得到激發溫度為4 163K。其不確定度可根據式（3）[22]得出。

在弓網系統離線過程中，弓網電弧等離子體是弓網系統唯一的導電通道。接觸網、弓網系統和電力機車構成了牽引供電回路，電弧中的電流會發生變化。由于弓網電弧燃弧不穩定，為保證實驗結果的準確性，在同一電流下，共進行了20次重復實驗。利用弓網電弧實驗平臺，分析了在不同電流情況下，弓網電弧等離子體激發溫度實驗結果分布情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，弓網電弧等離子體激發溫度隨電流的增大有上升趨勢，這是因為電弧中的電流增大，注入弓網電弧等離子體的能量也隨之增大，導致激發溫度上升。弓網電弧等離子體燃弧隨機性較強，隨著電流增大，激發溫度范圍也變大。當電流值從30A增至60A，弓網電弧等離子體的激發溫度平均值由4 258K上升到4 763K。

圖5 弓網電弧等離子體激發溫度與電流的關系Fig.5 Relationship of excitation temperature and current of pantograph-catenary arc plasma

2.3 電弧等離子體的振動溫度和轉動溫度

在不同電流情況下的弓網電弧等離子體光譜中，均檢測到了CN分子自由基B2∑+→X2∑+電子帶系，CN分子屬于雙原子分子，其分子結構簡單，轉動常數大，較易識別，特別是在高溫（6 000K以上）情況，相對其他分子自由基更為穩定[23]。

對于CN分子而言，由于內部不同電子能級的躍遷產生譜帶群，弓網電弧等離子體中的CN的B2∑+→X2∑+躍遷形成了CN violet光譜群，而兩個電子能級B2∑+和X2∑+中的振動能級間發生躍遷，形成譜帶（v′,v′′），而每一個譜帶間振動能級的所有轉動能級發生躍遷，形成譜線[24]。而譜線的波長極為靠近，受光譜儀分辨率的限制，只能呈現具有一定輪廓的譜線。對于弓網電弧等離子體而言，通過對其輻射光譜的輪廓進行擬合，可以分析其振動溫度和轉動溫度。

首先假定弓網電弧等離子體的轉動溫度和振動溫度，通過LIFBASE仿真軟件計算該轉動和振動溫度下CN violet分子的輻射光譜的譜線形狀，與實驗測量的譜帶形狀進行對比，通過Peak correlation和R-square兩個參數判斷擬合程度，最終確定CN分子的振動溫度和轉動溫度。

對CN自由基B2∑+→X2∑+電子帶系譜帶在波長390～425nm處進行擬合，該譜帶區域包含了CN violet帶系的Δν=0和Δν=-1兩個振動能級變化帶，圖6為利用LIFBASE進行譜帶擬合的CN自由基譜帶和實驗測量的弓網電弧等離子體譜帶比對圖，經LIFBASE擬合的結果，擬合參數最優情況為Peak correlation=0.98和R-square=59，此時弓網電弧等離子體的振動溫度和轉動溫度分別為9 000K和6 800K。

由圖6可以看出，CN B2∑+→X2∑+自由基仿真的光譜結果在兩個振動帶都與實驗的譜線符合較好。由于CN分子的轉動能級間的能級差較小，其布居主要決定于重粒子的非彈性碰撞，轉動能級的激發只需要較短時間，即所對應的弛豫時間也較小。所以通常在大氣壓等離子體中，認為轉動溫度約等于氣體溫度[25,26]。

對于弓網電弧等離子體而言，轉動溫度和激發溫度不相等，原因可能是，在該實驗條件下，弓網電弧等離子體偏離局部熱平衡狀態，Boltzmann法計算得到的激發溫度僅能反映等離子體中原子內部束縛態電子能級的布居情況，并不能反映等離子體中自由電子的溫度[27]。

圖6 CN自由基B2∑+→X2∑+光譜擬合圖Fig.6 Fitting spectrum of CN violet(B2∑+→X2∑+)

2.4 弓網電弧等離子體的電子密度

本文利用了譜線展寬效應，計算弓網電弧等離子體中的電子密度。輻射原子和離子在周圍電子和離子擾動下會引起譜線展寬，通過測量譜線展寬計算電子密度是一種簡單且可定量分析的手段，目前在電弧等離子體、激光誘導等離子體等都得到了大量應用，并適用于當局部熱平衡不占優勢的等離子體[28]。

弓網電弧等離子體特征譜線的線型主要是由幾種不同的加寬機制共同作用導致的，包括自然展寬、儀器展寬、多普勒展寬和碰撞展寬[29]。

其中多普勒展寬來源于原子或離子的熱運動，對于處于局部熱平衡情況的等離子體，認為原子和離子的分布滿足Maxwell速率分布，該展寬機制作用下的譜線線型為Gauss線型。儀器展寬由光譜儀的狹縫寬度和散射情況決定，可通過汞燈等標準光源進行標定。而碰撞展寬主要是因電子或離子對等離子體中的原子或離子進行碰撞，所引起的的展寬效應，稱為Stark展寬，該展寬機制作用下的譜線線型為Lorenz線型[30]。

在Doppler展寬和Stark展寬的共同作用下，等離子體的譜線線型可近似由高斯線型和洛倫茲線型共同組成的Voigt函數擬合[31]。

利用Origin 9.0中的Voigt函數對Cu I 521.82nm處的譜線展寬進行擬合，擬合結果如圖7所示，擬合參數表征量R2=0.979，說明譜線形狀與Voigt線型擬合良好。

圖7 Cu I 521.82nm擬合曲線Fig.7 The fitting curve of copper atomic line at 521.82nm

譜線實際Stark半展寬為

由于多普勒展寬反映的是原子和離子的熱運動，所以與離子（重粒子）的溫度有關，計算弓網電弧等離子體Cu I 521.82nm處的多普勒半寬，其計算公式為

式中，Ti為重粒子溫度（即Boltzmann斜線法所對應溫度）；λ0為譜線中心波長；c為光速；m為原子質量。經過計算得到的多普勒展寬僅為0.002 4nm，并不是弓網電弧等離子體中譜線展寬的主要因素，可忽略其影響。

輻射譜線的Stark半展寬和電子密度的關系為

式中，第一項主要對應的是電子的碰撞效應，第二項是考慮了準靜態的離子電場作用。在實際計算中，通常都是忽略第二項的作用，則式（6）簡化為

式中，w為電子對特征譜線的展寬系數，與溫度的關聯性極小[32]，利用文獻[33]中Cu I 521.82nm的展寬系數，對于擬合曲線的FWHM扣除儀器展寬，最后計算得到弓網電弧等離子體電子密度為1.02× 1017cm-3左右。

在不同電流下，弓網電弧等離子體的電子密度的變化情況如圖8所示。

圖8 在不同電流下弓網電弧等離子體電子密度Fig.8 Electron density of pantograph-catenary arc plasma at different current

從圖8中可以看出，隨著弓網電弧等離子體電流的增加，注入電弧的能量增加，內部原子和分子粒子發生電離增多，導致電子密度增加，直流電流由30A變化至60A時，電子密度的平均值由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

3 結論

1）弓網電弧等離子體的光譜中含有豐富的特征譜線，主要包括銅原子、銅離子、氧原子、鐵原子和CN B2∑+→X2∑+自由基分子，譜線和譜帶并存，所輻射譜線表明弓網電弧等離子體對浸金屬碳滑板和接觸網銅鎳導線均存在著強烈的燒蝕作用。

2）通過Boltzmann法分析了弓網電弧等離子體的激發溫度，并分析了電流對激發溫度的影響。當電流由30A增至60A，激發溫度從4 258K上升到4 763K。利用弓網電弧等離子體輻射光譜中CN violet分子進行擬合，最終得到在電流30A的情況下，弓網電弧等離子體的振動溫度和轉動溫度分別為9 000K和6 800K。轉動溫度和激發溫度不等表明弓網電弧等離子體在該實驗條件下偏離局部熱平衡狀態。

3）弓網電弧等離子體中的譜線展寬的作用機制主要是Stark展寬，隨著弓網電弧等離子體的電流從30A變為60A，電子密度由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

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Experimental Investigation on Spectral Characteristics of Pantograph-Catenary Arc Plasma

Hu Yi1Wei Wenfu1Lei Dong2Gao Guoqiang1Wu Guangning1
（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China 2. Standards & Metrology Research Institute China Academy of Railway Sciences Beijing 100081 China）

Pantograph-catenary arc plasma, with high temperature and high energy density, can severely threaten the electrical contact performance of pantograph-catenary system in high speed railway. In this paper, pantograph-catenary arc experiments were conducted based on arc simulative platform in laboratory. The characteristic of pantograph-catenary arc plasma was studied by spectral diagnosis method, and then the primary characteristic lines were recognized and classified. The excitation temperature, rotational temperature, vibrational temperature and electron density were also calculated, respectively. Meanwhile, the influence of input current on excitation temperature and electron density was analyzed. The results show that abundant copper, iron and CN B2∑+→X2∑+characteristic lines would occur due to the intense erosion effects of pantograph-catenary arc plasma on copper wire and metal impregnated strips. In addition, it is found that the excitation temperature of pantograph-catenary arc plasma increases with the increase of current based on Boltzmann plot. The rotational temperature and vibrational temperature reach up to 6 800K and 9 000K respectively when the current is 30A, according to the theoretical calculation with the spectral line of CN B2∑+→X2∑+. Furthermore, the broadening mechanism of characteristic lines was discussed, and by Cu I 521.82nmcharacteristic line the increasing tendency of electron density with the input current was analyzed.

Pantograph-catenary arc plasma, emission spectrum, excitation temperature, rotational temperature, vibration temperature

TM89

胡 怡 女，1993年生，碩士，研究方向為高速鐵路弓網電弧。

E-mail: yhuswjtu@foxmail.com

魏文賦 男，1987年生，博士，講師，研究方向為放電等離子體。

E-mail: wfwei@home.swjtu.edu.cn（通信作者）

國家自然科學基金資助項目（U1234202、51325704、51577158、51607147）。

2016-05-30 改稿日期 2016-08-14