直流牽引供電系統弓網電接觸特性研究

姜贊，楊建明，王傳芳，賀覓知

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)

1 引言

電氣化鐵路受電弓與接觸網之間的匹配關系(簡稱弓網關系)是系統運行的重要關系之一，同時也是現有列車速度重要限制因素之一[1]。對整個電氣化鐵路的正常運作起著重要的作用，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。弓網之間電接觸溫升過高會影響接觸網的機械特性和電氣特性，加速接觸網劣化，產生安全隱患。當前電氣化鐵路由于弓網匹配失當引發的受電弓磨損加劇、接觸網燒斷、弓網電弧過電壓劇烈等問題突出[2-4]。亟需建立弓網電接觸模型分析弓網電接觸過程的溫升特性，獲得接觸網結構設計與列車負荷特性設計之間的關系，確保弓網系統安全可靠性[5]。

結合列車運行工況數據，建立弓網電接觸模型，研究接觸網拉出值、列車運行速度、運行工況及受電弓碳滑板設計與弓網電接觸溫升之間的關系，計算動力負荷條件下車輛升弓取流過程的弓網溫升過程，計算電力機車動力負荷條件下弓網溫升過程。

2 運行工況與建模

弓網系統中列車上方的接觸網和受電弓通常暴露在空氣中，弓網之間由于柔性接觸不良，頻繁產生弓網電弧或接觸過熱，使得弓網系統成為整個供電環節中最易受損壞的地方，會引起的高速列車整體受流質量下降，造成牽引力不足，從而影響車輛的正常運營。弓網系統故障主要分布在接觸網、受電弓和自然環境三個要素方面。近十年來，南京地鐵，深圳地鐵，岔灘至石門坎鐵路沿線頻繁出現弓網接觸不良，接觸線劣化等造成的弓網事故。

對于直流牽引供電系統，車載24臺牽引電機，列車運行過程，典型線路的負荷曲線如圖所示，列車運行電流4080A，運行速度30～140km/h，運行過程的負荷特性如圖1所示。在制動工況，運行電流最大可達到5760A，最小速度64km/h，制動電流最大速度約為100km/h。

圖1 列車運行工況負荷特性

當前電氣化鐵路采用的典型接觸線主要為AC系列接觸線和BC系列接觸線，接觸線截面尺寸如圖2所示。

圖2 電氣化鐵路接觸線典型截面圖

2.1 弓網電接觸模型

結合典型接觸線及受電弓材料特性與線路參數，開展弓網接觸溫度計算。線路設計過程錨段間距L，此時機車運行速度為v，則運行單位錨段需要的時間為T1，若接觸線的拉出值為L1，則受電弓與接觸線的接觸速度可以表示為:

若此時接觸線界面與受電弓接觸長度為L3，則受電弓與接觸線在等效發熱面上的接觸時間可以計算為:

式中，Lc表示受電弓截面寬度。

同時結合接觸網和受電弓(碳滑板)尺寸，建立弓網關系模型如圖3所示。

圖3 弓網關系模型圖

3 弓網電接觸溫升特性

受電弓與接觸網之間的接觸溫升主要受弓網之間的相對速度、負荷電流、接觸面積的影響。

3.1 運行速度與弓網接觸溫升

考慮露天環境溫度值20℃(293K)，線路情況，接觸線拉出值250mm，接觸線短時(10-4s級)發熱情況溫度受表面散熱影響較小，外側氣流對接觸網散熱的影響較小。當通流4080A時(單滑板受流454A)電力機車運行速度30～140km/h時，受電弓與接觸網間溫度計算結果如圖4所示。弓網接觸溫度超過301K。

圖4 新接觸線拉出值250mm時接觸溫度(機車時速30km)

增大運行速度，弓網接觸時間變短，弓網接觸溫升降低，當機車運行速度為135km/h，弓網接觸溫度接近環境溫度。弓網接觸溫度計算結果如圖5所示。弓網接觸溫度299K，低于拉出值為250mm的情況。

圖5 新接觸線拉出值250mm時接觸溫度(機車時速135km)

3.2 磨損條件下的弓網溫升

受電弓磨損后，弓網之間接觸面積增大，接觸電阻略有減小，當接觸線磨損30%時，接觸線截面接觸尺寸由4.5mm增大到9.87mm，結合計算模型，仿真得到接觸面的溫升狀況如圖6所示。此時弓網之間溫度接近296K。

圖6 磨損30%接觸線拉出值250mm時接觸溫度(時速30km)

機車運行速度增加至135km/h時，弓網接觸溫度291K。如圖7所示。

圖7 磨損30%接觸線拉出值250mm時接觸溫度(時速135km)

3.3 制動工況弓網接觸溫升

結合圖1(b)中列車運行過程負荷曲線，修改模型參數，獲得制動條件下，拉出值250mm情況，總負荷電流5760A，的弓網接觸溫度仿真計算結果如圖8所示。弓網接觸溫度達到329K。隨著列車速度升高，接觸溫度略有下降。

圖8 弓網接觸溫度

3.4 受電弓設計與弓網接觸溫升

采用BC-120線隧道條件雙弓六碳滑板及雙弓四碳滑板新接觸線拉出值250mm時的不同速度情況及制動工況的接觸溫度。如圖9所示。

圖9 BC-120線隧道條件接觸線拉出值250mm時的不同速度情況及制動工況的接觸溫度

電力機車在新接觸網與磨損30%的接觸線在不同接觸線拉出值及不同的運行速度下發熱情況不同，隨著機車運行速度的增加，弓網間發熱溫度降低，接觸網磨損后，由于接觸面積增大，接觸電阻降低，發熱面積增大，弓網接觸溫度降低。結合露天環境及隧道環境的電機機車弓網接觸過程，獲得不同條件下的弓網接觸溫度，如圖10所示。

圖10 不同條件下的弓網接觸溫度圖

電力機車運行過程中，接觸線與碳滑板的接觸溫度受接觸線的磨損狀況、拉出值及環境溫度影響。新接觸線與碳滑板之間接觸電阻較大，接觸溫度較高，拉出值較小時，接觸線與受電弓接觸時間較長，接觸溫度較大，隧道內環境溫度高，在一定程度上會提高接觸線與碳滑板的接觸溫度。

3.5 動力負荷條件下的弓網接觸溫升

考慮城軌列車運行前預熱過程，施加動力負荷電流300A，施加電流時間30min，獲得施加動力電流負荷后的弓網接觸溫度如圖11所示。

圖11 施加動力負荷電流后弓網接觸溫度

同時獲得BC-120和BC-150接觸線30min溫升情況，BC-120接觸線溫升略高于BC-150接觸線，30min溫升相差2K如圖12所示。

圖12 施加動力負荷電流后弓網接觸升溫曲線

當采用雙弓六碳滑板情況，動力負荷條件下，升弓30min時弓網接觸溫度如圖13所示。

圖13 施加動力負荷電流后弓網接觸溫度(雙弓六碳滑板，動力負荷300A，靜弓接觸，1800s)

結合標準EN-50149規定與參考，當有三受電弓九塊碳滑板時弓網接觸溫度低于接觸線溫度限值353K；當有雙受電弓六塊碳滑板時，動力負荷下弓網接觸溫度386K，超出耐受溫度值。

4 討論及建議

結合3.1節分析可知，機車運行速度越高，受電弓與接觸線之間的接觸時間越短，受電弓與接觸網之間的弓網溫升越低，最高溫度301K，接觸溫升約為8℃，錨段長度相同時，拉出值為250mm時，弓網接觸溫度較高，拉出值350mm時，接觸溫度較低，最大值299K，接觸溫升6℃；當接觸網出現磨損時，接觸溫升降低，當接觸線磨損30%，接觸線最大接觸溫度接近296K，約為4℃，接觸溫升不是造成磨損接觸網進一步損傷的主要原因，由于接觸線磨損造成的弓網電弧有可能是接觸網損傷加劇的關鍵；當出現受電弓故障需要單弓運行時，在牽引負荷電流4080A情況，雙弓4碳滑板時弓網接觸溫度超出標準規定的溫升80℃，可能會影響接觸線的電氣性能和機械性能。動力負荷條件下三弓9碳滑板情況30min內弓網接觸溫升低于標準值，雙弓6碳滑板時，接觸溫升接近標準限制，不建議采用雙弓4碳滑板的設計條件進行動力負荷的預熱。

5 結論

(1)負荷電流4080A及制動工況5060A條件下，弓網接觸溫升隨列車運行速度的增加而減小，在運行速度為30km/h時，弓網接觸溫度324K，溫升51℃，對弓網電氣性能無影響。

(2)受電弓碳滑板數量減少，接觸溫度升高，采用單弓四碳滑板運行時，接觸溫度超過370K，溫升87℃，超出規定限值；同時動力負荷條件下，雙弓六碳滑板升弓30min，弓網接觸溫度380K，超出容許溫升。