受電弓離線過程弓網電弧電氣特性研究

徐 旻,劉文正,伊金浩,李 鑫,趙潞翔,孫 成,2

(1.北京交通大學電氣工程學院,北京 100044； 2.株洲中車時代半導體有限公司，湖南株洲 412001)

引言

隨著我國高速鐵路客運專線的持續開通以及高速鐵路運行速度的進一步提升，對高速鐵路牽引供電系統安全運行也提出了更高的要求。受電弓-接觸網關系作為牽引供電系統重要的組成部分，對整個電氣化鐵路系統的正常運作起著重要的作用[1-2]。弓網關系理想的狀態是弓網可靠接觸穩定受流，高速列車通過受電弓從接觸網穩定取流并且獲得電能。由于列車運行速度提升及硬點等原因，列車在運行過程中受電弓與接觸網發生離線而產生電弧，造成電力機車中牽引電機等負載的不正常工作[3]。并且弓網離線電弧會產生電氣損耗，降低受電弓和接觸線的使用壽命[4-5]，還對環境帶來電磁干擾并會影響通信的正常工作[6-7]。因此，研究弓網離線電弧的特性，并進一步改善受流質量，是高速鐵路弓網系統亟待解決的問題之一[8-9]。

目前國內外的研究團隊更多的是在固定弓網間距下對弓網電弧進行研究[10-11]，研究重點集中在電弧電磁干擾、弓網電接觸特性、載流摩擦磨耗、電弧侵蝕等方面[12-19]。而弓網離線電弧是在離線間距不斷變化過程中形成的電弧。為了探究弓網電弧的形成原因，以及弓網間隙距離連續變化過程中形成的電弧特性，本文基于自行設計搭建的弓網離線實驗系統，較為完整的模擬出受電弓與接觸線從滑動接觸到動態離線產生斜方向電弧的過程。并且對弓網穩態離線電弧和動態離線電弧的電氣特性進行對比分析研究，為提高列車受流質量的研究提供了參考。

1 弓網離線實驗系統

1.1 弓網離線實驗裝置

根據高速鐵路弓網電弧的產生條件，在實驗室中自行設計并搭建的弓網離線實驗平臺及其檢測系統如圖1所示。弓網離線實驗裝置實物如圖2所示。

S—電源變壓器；P—受電弓滑板；L、R—模擬負載電感、電阻；A—電流互感器；C—光強傳感器；D—電磁鐵；M—直流電機；O—接觸線；T—軌道；Uo—接觸線電壓；Up—受電弓滑板電壓；Iarc—電弧電流

圖2 弓網離線實驗裝置

實驗裝置由弓網供電系統、離線動力系統及檢測系統3部分構成。

供電系統由電源變壓器，經接觸線、受電弓滑板，再經過大功率電阻與電感串聯，最后回到電源構成。由于實驗室電源功率上限條件的約束，又由于電流大小是影響弓網電弧特性的主要因素，同時維持電弧燃燒所需的電壓較低，所以采用了低壓大電流的供電設計方案。電源電壓器采用的是工頻BK3000型變壓器，額定功率為3 kW，變比為220∶24。

離線動力系統由直流電機與搭載著受電弓滑板的小車通過高強度滌綸線連接構成。受電弓滑板通過電磁鐵固定在小車上。電磁鐵由遠程開關控制，當電磁鐵動作時受電弓滑板迅速下降，實現弓網分離。

檢測系統主要檢測的物理量有電壓、電流與光強信號。接觸線和受電弓上的電壓可以使用示波器探頭直接測量。回路中的電流信號通過羅氏線圈電流互感器轉換成電壓信號后再經過示波器顯示。光強信號經光電檢測芯片OPT101測量并轉換后[20]，得到的電壓信號輸入示波器顯示。

1.2 實驗條件與實驗過程。

實驗平臺的軌道長度為2 m，小車速度為0～2.5 m/s可調。設置的最高電壓為交流24 V，最大電流為120 A。通過控制，可以使弓網離線間距在0～3 mm連續可調。本實驗裝置中采用的是京滬高鐵中使用的Cu-Mg合金接觸線，受電弓滑板為CRH380A動車組中的使用浸金屬碳滑板。其參數見表1～表3。

表1 實驗平臺接觸線技術參數

表2 受電弓滑板的質量分數

表3 受電弓滑板物理參數

實驗過程：研究穩態離線電弧時，保持固定的弓網間隙距離，弓網間施加電壓，產生穩定燃燒的縱向弓網電弧并進行研究分析；研究動態離線電弧時，首先于弓網間施加電壓，弓網靜態接觸受流。然后，啟動直流電機，小車沿軌道上以一定的速度水平運動，受電弓與接觸線滑動接觸取流。當小車運動至途中某一位置時，通過遠程開關使電磁鐵動作，受電弓迅速下降使弓網分離，產生斜方向的電弧。最后，對電弧的各電氣數據進行測量并進行研究分析。

2 穩態離線電弧的特性分析

在電壓為交流24 V、電流為120 A、弓網間隙距離d=0.3 mm的實驗條件下，進行穩態燃弧實驗及電弧特性分析。

2.1 電弧放電現象及電壓電流波形分析

如圖3所示，在間隙距離固定為0.3 mm的情況下，弓網間形成了約2 cm長穩定燃燒的電弧。可以看到電弧燃燒劇烈，電弧中心放出耀眼的白光，伴有飛濺的火花。

圖3 穩態離線電弧現象

穩定燃弧時的電弧電壓、電流波形、光強信號如圖4所示。

圖4 弓網間隙d=0.3 mm時電弧電壓、電流、光強波形

在正半周期，即碳滑板作為陰極時，電壓從過零點開始，電壓按正弦規律上升。經過起弧時間t1，電壓上升至燃弧尖峰電壓U1。此時弓網間隙的電場強度達到空氣的擊穿場強使得空氣被擊穿。弓網間隙形成導電通道并產生電弧[21]，此時弓網間隙電壓迅速下降到穩定燃弧電壓U2。在經過燃弧時間t2后，電壓又小幅上升至熄弧電壓U3。隨后電壓下降，經熄弧時間t3回到零點。從整個正半周期的電弧波形可以看出電弧大致呈“馬鞍”形。而在負半周期時，接觸線作為陰極，電壓波形沒有出現明顯的燃弧尖峰與熄弧尖峰，電弧在燃弧階段電壓波形較為平直。

電壓波形存在差異是因為陰極對離線電弧的產生有著重要的影響。在正半周期時，陰極為碳滑板，發生氣體碰撞電離過程中，二次電子不容易從碳滑板中放出，因此弓網間需要的擊穿電壓較高，所以電壓波形出現尖峰。而在負半周期時，陰極為金屬接觸線，從金屬陰極中碰撞出二次電子較為容易，所以電壓波形較為平直，燃弧尖峰電壓較低。熄弧尖峰的出現是因為電弧在熄滅時，弧柱變細使得電弧電阻變大，弓網間隙壓降增大導致。又由于弧柱具有熱慣性的作用，在熄弧時的電弧電阻比起弧時要小，所以熄弧尖峰電壓要小于燃弧尖峰電壓。

電弧電流伴隨電弧形成而出現。在電弧電壓達到燃弧尖峰電壓時電流迅速上升，在電弧穩定燃燒時達到最大值。在電壓達到熄弧電壓時電流提前到達零點，出現周期性的“零休”現象[22]。

光強信號與電流信號同步周期性出現，電弧發光持續時間t2在正半周期較短，說明正半周期的燃弧時間小于負半周期。這是因為在負半周期時，燃弧尖峰電壓較低，弓網間隙電壓能更早達到燃弧尖峰電壓，所以燃弧持續時間比正半周期長。

2.2 穩定燃弧電壓特性分析

由圖4中可知，正半周期(以碳滑板作為陰極)的穩定燃弧電壓U2小于負半周期(以接觸線作為陰極)，而在電流方面前者大于后者。這是由于在穩定燃弧階段，電弧主要是以熱電子發射的方式維持。根據熱發射電流密度公式[23]

(1)

式中，J0為熱發射電流密度；A0為常數；k為波爾茲曼常數；Eγ為電子逸出功；T為陰極溫度。

從公式(1)可以看出，陰極表面的電流密度主要由陰極表面的溫度決定。而一般電弧生成時陰極溫度很高，可以達到3 000 K以上。銅的熔點為1 357 K，沸點為2 835 K，碳的熔點為3 652 K，沸點為5 100 K[24]，所以銅作為陰極時極易融化與汽化。電弧無法集中在一個陰極點穩定燃燒，陰極斑點以很高的速度處于連續的無規則運動中。所以陰極點處無法形成穩定的熱電子發射，電弧維持主要以場致電子發射的形式存在。而碳的熔點和沸點高，當碳作為陰極時電弧能以熱電子發射和場致電子發射共同作用下穩定存在，因此弓網間電流密度很大。所以正半周期的穩定燃弧電壓要小于負半周期。相應地，正半周期的電流大于負半周期。

2.3 伏安特性及功率分析

在弓網間隙d=0.3 mm的條件下，電弧穩定燃燒時的電弧伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 弓網間隙d=0.3 mm時的電弧伏安特性曲線

弓網離線電弧屬于交流電弧。隨著電源的電壓、電流呈周期性變化，弓網間隙的等離子體密度和介電強度不斷變化[25]，其電弧電阻也在周期性的變化。電弧電壓從零點Uo開始，隨著電源電壓的增大而增大。在電壓增大至間隙擊穿電壓Ua時，間隙空氣碰撞電離形成導電通道，電弧電壓迅速下降。此時電弧電流開始迅速上升，當電流最大時對應于穩定燃弧電壓Ub，隨后電流開始減小，電壓小幅上升到熄弧電壓Uc，此時電流進入“零休”。可以看到，電弧的伏安特性并不是關于原點對稱，這是由于弓網陰陽兩極的材料不同導致的。

利用P=UI計算得到，在一個周期內功率隨時間的變化規律如圖6所示。可以看到，在負半周期電弧穩定燃燒階段功率明顯大于正半周期。然后利用功率對時間的積分得到電弧能量分布，如圖7所示。可以看到，因陰極材料不同，在負半周期電弧從產生、持續燃燒、熄滅的過程中所消耗的能量比正半周期多12.6%。

圖6 穩定燃弧時電壓、電流、功率的變化規律

圖7 穩定燃弧時功率與能量的變化規律

3 離線過程中電弧電壓變化特性分析

在電源電壓為交流24 V、電流40 A的實驗條件下，使小車的橫向運動速度為1 m/s，弓網縱向分離平均速度為3 mm/s，進行弓網動態離線電弧實驗并對電弧電壓的變化進行研究。

3.1 燃弧尖峰電壓變化特性分析

電弧電壓與電流波形隨時間的變化規律如圖8所示。由圖8可知，弓網離線過程是弓網從接觸受流到產生電弧，之后反復發生電弧重燃直至熄弧的過程。可以看到，電弧電壓波形在各自半周期內仍呈現“馬鞍”形的特征，而燃弧尖峰電壓隨著時間增加而增大。

圖8 弓網離線過程中的電弧電壓、電流波形

由電弧電壓波形可以看出，弓網從接觸狀態到分離狀態的過程可分為3個階段：弓網穩定受流階段(P1)、電弧產生與重燃階段(P2)、熄弧階段(P3)。

(1)弓網穩定受流階段，受電弓與接觸線滑動接觸，弓網良好受流。由于接觸電阻的存在，弓網間隙形成較小的電壓差，并呈現周期性變化。

(2)電弧產生與重燃階段，即弓網間隙被反復擊穿，產生電弧的過程。在首個燃弧期間內，受電弓滑板與接觸線間存在從面接觸到點接觸再到分離的過程。隨著接觸面積的減小，接觸電阻迅速增大，陰陽兩極表面局部溫度升高。在高溫下，電子容易從陰極中逸出，形成熱電子發射；同時弓網開始出現間隙，但是間隙距離很小使得間隙電場強度很大，陰極形成場致發射。熱電子發射和場致發射形成的二次電子，在電場的作用下定向運動，間隙發生空氣碰撞電離形成電弧。而之后的重燃階段，空氣擊穿過程以場致發射為主。又由于間隙距離越來越大，間隙內的電場強度減小，因此燃弧尖峰電壓增大。

(3)熄弧階段，弓網間隙進一步增大使得間隙的電場強度越來越小，難以滿足電弧的重燃條件而因此熄滅。

弓網在分離過程中，燃弧尖峰電弧隨時間的增加而增大。若假設首次起弧的時刻為t=0.01 s時，則可得到電弧的燃弧尖峰電壓隨時間的變化規律及其擬合曲線如圖9所示。

圖9 弓網離線過程中燃弧尖峰電壓變化規律

可以得出其變化的規律滿足函數關系

U1=U0+AeR0t

(2)

而弓網間隙距離與弓網縱向分離速度及時間滿足關系

d=vt

(3)

所以，可得到燃弧尖峰電壓隨弓網間隙距離的變化規律滿足函數關系

(4)

式中，U1為燃弧尖峰電壓；d為弓網間隙距離；v為弓網縱向運動速度；U0、A、R0均為擬合參數；擬合參數及擬合優度系數R如表4所示。

表4 擬合參數和擬合優度系數(40 A)

可以得到，燃弧尖峰電壓大小隨著弓網間隙距離的增大滿足指數增長的關系。燃弧尖峰電壓在起弧后的1～2個周期內緩慢增大，隨時間的變化斜率較小，之后迅速呈指數增大。因此，在相同的條件下，若已知弓網縱向運動速度，則可通過式(4)得到在特定弓網間隙距離時的燃弧尖峰電壓。

3.2 穩定燃弧電壓的特性分析

在同等的實驗條件下，檢測得到的穩定燃弧電壓與電流隨時間的變化規律如圖10所示。可以看到，穩定燃弧電壓隨著時間增加而增大，穩定燃弧電流減小。這是因為在弓網分離的過程中，弓網間隙不斷增大使得電弧變長，需要維持電弧燃燒的電壓增大。從圖11所示的弓網離線過程功率的變化規律可以看出，電弧在正、負半周期燃燒時各自所需要的能量基本保持不變，且隨著間隙增大并沒有發生明顯的變化。這說明在本實驗條件下，每半周期內電弧燃燒消耗的能量多少與電弧形態沒有關系，而與陰極材料有關。

圖10 弓網離線過程中穩定燃弧電壓及電流變化規律

圖11 弓網離線過程中電壓及功率變化規律

利用電弧電阻近似等于電弧電壓與電流的比值的關系，計算并繪制如圖12所示的電弧電阻隨時間的變化規律。在每一個燃弧周期，電弧從產生到熄滅的過程中，電弧電阻從無窮大減小至某一極小值，然后又增大至無窮大。但是在正、負半周期電弧電阻的極小值各不相同，呈現如下的規律。

圖12 弓網離線過程中電弧電阻變化規律

(1)在正半周期，即碳滑板作為陰極時，電弧電阻的極小值均小于負半周期。

(2)無論正負半周期，電弧電阻的極小值均隨著時間而呈增大的趨勢。

3.3 電流變化對電弧電壓的影響

在電源電壓為交流24 V，在電流大小分別為40，80，120 A的實驗條件下，使接觸線與受電弓動態分離，進行動態離線電弧實驗并研究。檢測得到正半周期(碳滑板為陰極)和負半周期(接觸線為陰極)的燃弧尖峰電壓隨時間的變化規律如圖13所示。

圖13 不同電流條件下燃弧尖峰電壓的變化規律

從實驗結果可以看出，無論正負周期，燃弧尖峰電壓的絕對值隨著電流的增大而減小。電流為120 A的條件下電弧燃弧次數達到了12次，而80 A為10次，40 A為8次。電弧重燃主要由弓網間隙的擊穿場強決定，而擊穿場強由間隙的帶電粒子密度決定。當電流越大時，間隙內殘留電子越多，燃弧尖峰電壓越小。

利用式(4)，對不同電流下的燃弧尖峰電壓變化規律進行了擬合，得到的擬合參數和優度系數如表5所示。由表5可知，擬合優度系數R均大于0.98。并且可以看到，隨著電流增大，A、R0的絕對值均略微減小。這同樣是因為電流的增大使得燃弧尖峰電壓隨時間的變化斜率變小，電壓的上升趨勢緩慢。

表5 擬合參數和擬合優度系數

4 結論

本文利用弓網離線實驗平臺，模擬出了受電弓與接觸線從滑動接觸到動態離線產生電弧的過程。在不同的實驗條件下，對穩態離線電弧和動態離線電弧分別進行了實驗研究。并在兩者實驗數據對比分析的基礎上，得出以下結論。

(1)在實驗中發現，由于弓網陰陽兩極的材料不同，以碳滑板作為陰極時整個半周期內消耗的功率低。電弧電壓波形有明顯的燃弧尖峰和熄滅尖峰，整體呈“馬鞍”形。并且，得到的弓網電弧的伏安特性曲線是關于原點非對稱的。

(2)由于弓網陰陽兩極材料熔點與沸點的不同，當以碳滑板作為陰極時的穩定燃弧電壓要小于接觸線作為陰極時的穩定燃弧電壓。相應的，在各個燃弧周期內電弧電阻的極小值也滿足上述關系。

(3)在弓網動態離線過程中，根據電弧電壓的變化特性，將其分為弓網穩定受流階段、電弧產生與重燃階段、熄弧階段。其中，在電弧的首個燃弧周期，本文認為是由熱電子發射和場致發射共同作用的結果。

(4)在弓網動態離線過程中，電弧在正、負半周期燃燒時各自所需要的能量基本保持不變，且隨著間隙增大并沒有發生明顯變化。

(5)在弓網動態離線過程中，燃弧尖峰電壓與弓網間隙距離滿足呈指數增長的函數關系。燃弧尖峰電壓隨著電流的增大而降低，且電流越大，電弧的重燃次數增加。本文認為，在低電壓情況下，大電流是影響弓網離線電弧發生重燃的重要原因。