普速列車通過絕緣錨段關節的電弧拉斷距離仿真研究

李鯤鵬,靳守杰,趙云云,周昱涵,楊澤鋒

(1.西南交通大學電氣工程學院,成都 610031； 2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣州 510010； 3.廣州地鐵集團有限公司,廣州 510330)

引言

鐵路是國民經濟的大動脈，隨著我國經濟的快速發展，電氣化鐵路扮演著越來越重要的角色。為了實現同相電氣隔離，需要設置電分段使列車受電弓能夠正常通過。然而根據今年來的事故統計，列車在通過電分段絕緣錨段關節時由于分段之間存在較大的電壓差，經常出現長時燃弧的情況，如圖1、圖2所示，造成接觸網線索燒蝕甚至斷線，嚴重威脅列車安全穩定運行[1]。且受絕緣錨段關節特殊位置的影響，列車在通過絕緣錨段關節時行駛速度很慢，造成電弧燃燒劇烈且難以熄滅，對列車弓網系統危害極大。

圖1 絕緣錨段關節

圖2 列車過絕緣錨段關節燃弧

電弧是一種高溫的電離氣體，溫度可達5 000 K以上[2-5]，遠遠高于弓網系統材料如接觸網線索、受電弓等的熔沸點，可以在短時間內使弓網系統因發生材料轉移和損失而造成嚴重的燒蝕破壞，因此需要對列車通過同相供電絕緣錨段關節時電弧的維持能力展開深入的研究。

目前國內外研究學者針對電弧的維持能力通過實驗或仿真的手段展開了大量研究，文獻[6]通過保持電極長度，改變電極張角，發現張角越大，電弧沿電極的滑動距離越小，電極引導電弧滑動的作用無法得到充分發揮，導致滑動弧放電等離子體的尺寸減小。文獻[7]基于磁流體動力學(MHD)理論，利用COMSOL Multiphysics軟件建立了二維多段微孔結構中電弧的MHD模型，并仿真分析了該結構中電弧的運動特性及該結構的滅弧性能。文獻[8]指出加快降弓速度可以加速降弓電弧的熄滅，減輕降弓對弓網材料的燒蝕。文獻[9]運用流體力學軟件FLUENT對管道內自膨脹氣流截斷電弧的微觀過程進行了模擬仿真，發現工頻續流電弧在暫態發展初期就將受到自膨脹滅弧氣流的深度抑制，在電弧還未發展成熟且能量較小時會被自膨脹氣流熄滅。文獻[10]研究了分斷速度、差異外施橫向磁場對弧根演變規律的影響，發現當分斷速度較小時，陽極弧根運動至引弧片時會出現停滯現象，該停滯現象隨著分斷速度的增大而消失，并且燃弧時間縮短。文獻[11]研究了縱向磁場中觸頭材料和直徑對中頻真空電弧特性的影響，發現對直徑相同的觸頭，CuCr50合金觸頭的開斷能力強于純Cu和Cu-W-WC合金；隨著觸頭直徑的增大，電弧電壓減小，電弧擴散均勻且更穩定，滅弧室的開斷能力更強。王巨豐等[12]對高速氣流耦合電弧過程仿真，研究結果表明：多斷口滅弧防雷間隙能夠在0.3 ms內完全熄滅電弧，并且氣流能夠切斷后續工頻電弧通道能量補給，阻止電弧重燃。文獻[13]建立了氣吹滅弧的三維數值分析模型，研究發現氣流對電弧的熄滅效果要優于外施磁場效果。文獻[14]基于鏈式電弧模型，發現氣流越強，電流過零后介質強度恢復越快，越利于熄弧。文獻[15]提出了一種新型的氣流滅弧防雷間隙，指出在氣流作用下相對于傳統防雷間隙更利于熄弧。文獻[16]基于仿真模擬和實驗結果，證明了高速氣流對于熄滅直流電弧的有效性。文獻[17]分析研究了氣流場與電磁場耦合下電弧狀態參數與熄滅時間的關系，得出氣流會顯著影響電弧熄滅的結論。

以上研究結果均表明氣流大小對電弧維持能力影響很大，但都是基于相對靜止電極的研究，在列車通過絕緣錨段關節時兩電極相對移動情況下氣流對電弧維持能力如何影響尚不清楚，且列車以何種速度通過絕緣錨段關節能夠使電弧快速地熄滅也是亟待解決的問題。考慮到普速列車最快運行時速為180 km，因此本文基于磁流體動力學模型，利用動網格技術，列車分別以較慢速度18 km/h和較快速度108,144,180 km/h等不同的車速通過絕緣錨段關節的情況，分析了不同強度的列車走行風對電弧極限拉斷距離的影響。

1 磁流體動力學模型

1.1 幾何模型

建立列車受電弓通過絕緣錨段關節的幾何仿真模型如圖3所示，包括絕緣錨段關節和受電弓，其中絕緣錨段關節為靜止狀態，受電弓采用動網格技術使其保持勻速向右運動。模型區域AC段高度為50 mm，CD段寬度為400 mm，絕緣錨段關節長度EF為10 mm，高度EG為13 mm，受電弓長度KL為60 mm，高度JL為22 mm，絕緣錨段關節與受電弓之間的間距為3 mm。列車在運行過程中會受到走行風的影響產生強烈的空氣動力學作用，因此整個模型上下側與左右兩側為開放邊界，與大氣環境連通。

圖3 幾何仿真模型

圖3所建立的模型中絕緣錨段關節和受電弓滑板的材料屬性參數如表1所示。

表1 電極材料屬性參數

1.2 網格剖分

在對仿真模型進行求解之前，需要針對具體求解的物理模型對幾何模型的網格進行適當的剖分，使其滿足物理場收斂和結果精度的要求。

網格剖分的疏密會直接影響求解的速度和精度，一般網格剖分越粗化，占用內存越少，求解速度越快，但相應地會犧牲求解結果的精度，使結果距離真實值相差較大；而網格剖分越細化，占用內存越多，求解的精度一般會更準確，但占用內存過大，計算過程過長，甚至難以收斂。

因此針對此模型，在網格剖分過程中，由于電極內部對計算結果幾乎無影響，故對絕緣錨段關節、受電弓滑板等電極材料內部進行粗化處理。而在周圍的空氣域特別是電極附近產生電弧的地方需要對網格進行尤為精細的剖分，使其滿足物理場收斂的需要，剖分后的結果如圖4所示。

圖4 網格剖分

1.3 模型假設

由于電弧燃弧過程中涉及到電場、磁場、溫度場、氣流場等多場耦合，物理過程非常復雜，因此有必要對其進行適當簡化，假設如下。

(1)電弧在整個過程中始終處于局部熱平衡的狀態。

(2)忽略因電弧對弓網系統燒蝕產生的金屬蒸汽的作用與電弧產生的相互作用。

(3)由于Comsol不能模擬電弧起弧和熄弧，因此認為電弧初始階段即穩定燃燒，電弧溫度低于3 000 K時熄滅。

1.4 控制方程

求解磁流體動力學方程的實質就是分別對流體動力學方程、電磁場方程以及輻射方程進行求解[18]。

(1)流體動力學方程

求解流體動力學方程需要對質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程進行求解。

質量守恒方程表示為

(1)

式中，ρ為電弧密度；t為時間；v為流體速度。

動量守恒方程[19]表示為

(2)

式中，η為動力黏度；p為壓力強度；vi為速度分量；B為磁感應強度；J為電流密度。

能量守恒方程表示為

(3)

(4)

式中，λ為熱導率；h為焓；Sh為能量源項；cp為比定壓熱容；σ為電弧等離子體的電導率；SФ為流體黏滯耗散項；J2/σ為產生的焦耳熱[20]。

(2)電磁場方程

電弧等離子體的電位和電流密度可分別由式(5)、式(6)求得

·(σφ)=0

(5)

J=-σφ

(6)

電弧磁場可由式(7)、式(8)聯立求得

·(A)=-μ0J

(7)

B=×A

(8)

式中，J為電流密度；φ為電位；μ0為真空磁導率；A為矢量磁勢。

(3)輻射方程

通過凈輻射系數法可求得電弧的輻射能量為

qrad=4πεn

(9)

式中，qrad為電弧輻射能量；εn為凈輻射系數。

2 仿真結果與分析

由于列車在行駛過程中會受到走行風影響，且走行風強度較大，對弓網電弧的影響不可忽略，因此分別對列車行駛速度為18，108，144 km/h和180 km/h時通過絕緣錨段關節的燃弧過程進行仿真分析，探明不同車速情況下對電弧極限拉斷距離的影響及差異。

2.1 列車通過速度18 km/h

列車以18 km/h通過時的電弧發展特性和電弧溫度變化曲線分別如圖5、圖6所示，從列車經過絕緣錨段關節至兩者之間橫向距離為300 mm的過程中，電弧溫度始終維持在6 000～10 000 K，電弧在這個過程中穩定性較強，未呈現出熄滅的趨勢，且電弧整體溫度較高，會對受電弓和絕緣錨段關節造成嚴重的燒蝕；同時電弧飄弧現象嚴重，電弧發展擴散范圍大，容易對周圍的電氣設備造成威脅。

圖5 列車以18 km/h通過時的電弧發展特性

圖6 列車以18 km/h通過時的電弧溫度變化曲線

2.2 列車通過速度108 km/h

列車以速度108 km/h通過時的電弧發展特性和電弧溫度變化曲線如圖7、圖8所示，可以發現與列車通過速度為18 km/h時相比，雖然電弧在絕緣錨段關節與受電弓橫向距離300 mm的范圍內仍然沒有熄滅，但是電弧溫度大大降低，整體維持在4 000～6 000 K，對弓網系統的燒蝕破壞程度大大降低，且穩定性的下降讓電弧在后續過程中的維持能力降低，電弧熄滅后重燃幾率也得到了減小。

圖7 列車以108 km/h通過時的電弧發展特性

圖8 列車以108 km/h通過時的電弧溫度變化曲線

2.3 列車通過速度144 km/h

列車以速度144 km/h通過時的電弧發展特性和電弧溫度變化曲線分別如圖9、圖10所示，電弧在絕緣錨段關節與受電弓橫向距離300 mm的范圍內燃弧強度與列車速度108 km/h時相比有所降低，整體溫度維持在3 500～5 000 K，電弧接近熄滅的狀態。

圖9 列車以144 km/h通過時的電弧發展特性

圖10 列車以144 km/h通過時的電弧溫度變化曲線

2.4 列車通過速度180 km/h

列車以180 km/h通過時的電弧發展特性和電弧溫度變化曲線分別如圖11、圖12所示，當列車通過絕緣錨段關節的速度為180 km/h時，電弧溫度幾乎持續下降，最終在絕緣錨段關節與受電弓之間的橫向距離為75 mm時溫度降低至約3 000 K左右，電弧在整個過程中維持時間極短，且來不及形成穩定燃弧的狀態就因無法繼續維持而熄滅，對弓網系統造成的損傷忽略不計。

圖11 列車以180 km/h通過時的電弧發展特性

圖12 列車以180 km/h通過時的電弧溫度變化曲線

3 結論

列車在通過絕緣錨段關節時燃弧劇烈，然而難以通過實驗的方式復現線路實際燃弧情況，如電弧溫度高達幾千至上萬度，難以準確測量其溫度變化情況，此外，電弧存在的時間為毫秒級，亦難以通過在車頂設置高速相機拍攝完整的燃弧發展過程，同時現場故障實驗還會影響到列車的正常運營。因此，本文針對建立的普速列車受電弓通過絕緣錨段關節的仿真模型，基于動網格技術模擬受電弓與滑板的相對移動過程，分析了列車以不同車速勻速通過絕緣錨段關節時產生電弧后電弧的發展擴散情況及其維持能力差異。通過對仿真結果的分析，得出結論如下。

(1)列車風對弓網電弧的維持能力影響巨大，列車在以18 km/h的速度勻速通過絕緣錨段關節時，電弧整體溫度維持在6 000～10 000 K，在受電弓與絕緣錨段關節間距300 mm的范圍內難以熄滅；當列車通過速度為108 km/h時，電弧整體溫度維持在4 000～6 000 K，電弧穩定性相較列車通過速度18 km/h時有明顯下降；當列車通過速度為144 km/h時，電弧溫度及燃弧強度相比108 km/h時都有所降低；當列車通過速度為180 km/h時，電弧溫度幾乎持續下降，到1.6 ms絕緣錨段關節與受電弓之間的橫向距離為75 mm時溫度降低至3 000 K，電弧無法繼續維持而熄滅。以較快車速通過絕緣錨段關節可以使電弧更快熄滅。

(2)列車風會影響電弧的穩定性，車速以108 km/h以上較快速度通過時，由于氣流的冷卻作用，電弧整體溫度幅值水平降低，下降幅度大于8 000 K，且電弧溫度振蕩頻率和幅度隨氣流增大而增強，后續熄滅后重燃的幾率降低，如以18 km/h的車速通過時，電弧溫度在6 500～10 000 K之間波動，此時電弧穩定性強，始終處于燃弧狀態；以108 km/h的車速通過時，電弧溫度僅有兩次突升重燃的情況，其余階段溫度均處于4 000～6 000 K的不穩定狀態；以144 km/h的車速通過時，電弧溫度處于3 500～5 000 K，且不存在溫度突升的情況，此時電弧穩定性極弱，趨于熄滅；以180 km/h的車速通過時，電弧在1.6 ms時即熄滅。

(3)車速低于108 km/h時，由于電弧受到氣流的影響相對較小，其發展范圍大，會向四周大面積飄動，飄弧嚴重，容易對周圍電氣設備造成損傷和破壞，而在大于108 km/h的高車速情況下，電弧的發展方向受到氣流的主導作用幾乎呈一條直線，作用范圍變小，較難影響到周圍電氣設備。