王溢斐



城市轨道交通弓网离线电弧特性研究

王溢斐

为了研究弓网电弧产生机理，基于实验室条件搭建弓网离线模拟试验平台，通过改变离线间距、电流、负载等参数，研究不同离线状态下弓网直流电弧特性。

弓网电弧；离线；燃弧时间；电气特性

0 引言

城市轨道交通地下区段一般采用刚性接触悬挂系统，接触线几乎没有弹性。随着列车运行速度的提高，接触线的波动及受电弓的振动加剧，受电弓与接触网之间的相互作用越来越激烈，维持弓网之间良好的接触性能愈加困难，实际运营中频繁发生弓网离线并导致拉弧现象。电弧烧蚀接触线和碳滑板，产生噪声污染和电磁干扰，使车载电器承受高频振荡过电压，造成列车受流质量下降[1]。因此有必要对城轨弓网离线电弧的产生机理及电弧特性进行研究。目前，国内外弓网关系研究主要集中于交流电气化铁路弓网电接触及离线电弧特性方面，对直流供电系统弓网离线电弧的研究较少，本文侧重研究城市轨道交通弓网离线直流电弧特性。

1 弓网离线模拟试验平台

城市轨道交通供电系统接触网的电压一般为DC 1 500 V，由于接触网电压相对较低，列车牵引电流很大。基于实验室条件搭建了弓网离线放电模拟试验平台（图1），试验电源采用工频交流220 V，变压器采用普通工频BK3000型变压器，变比为220∶24，额定输出电流250 A[2]。电流经过整流装置和滤波电容、铜镁合金接触线、受电弓和模拟负载构成电气回路。通过离线控制系统使电磁阀产生电磁力，将受电弓拉下，模拟受电弓与接触线分离，从而产生离线电弧。

受电弓与接触线之间的电压可以通过从受电弓和接触线上引线到数字示波器的探头直接测量，流过受电弓的电流可通过CHB-300SF型霍尔电流互感器转换为电压信号输入示波器进行测量。电弧光强可采用OPT101型光电检测芯片将电弧光信号转换为电信号进行测量。

图1 弓网离线放电试验平台

2 离线间距对直流电弧特性的影响

弓网耦合相对运动过程中，每次离线时弓网间距各不相同，具有一定的随机性。为了研究离线间距对直流电弧的影响，通过试验装置设置不同的离线间距，在每个离线间距下多次放电测量，分析直流电弧平均燃弧时间、平均光强等特性规律。

2.1 直流电弧电气特性分析

电压为DC 24 V，电流为60 A，离线间距为 1 mm时，弓网电压、电流波形如图2所示。在弓网离线时刻，接触线电压基本平稳上升，但受电弓电压出现陡降，电压降幅可达到14 V，之后受电弓电压瞬间回升，随后又随着电弧燃烧过程逐渐下降，在熄弧时刻陡降为0。在离线时刻回路电流也出现下降，降幅约为20 A，随着电弧燃烧过程呈线性逐渐下降的趋势。

图2 弓网电压、电流波形

2.2 直流电弧电阻及功率与离线间距的关系

在弓网间距为1 mm的分离过程中，电弧燃弧电阻变化如图3所示。弓网在0.01 s时刻离线，在0.01～0.085 s燃弧过程中，电弧电阻基本上呈线性规律逐渐增大，阻值范围在0.2～1W。随着弓网间距增大，弓网间隙电场减小，等离子体在弧隙间扩散，在0.06 s时刻弧隙中带电粒子和密度开始减少，宏观上表现为电弧电阻迅速增大，电弧光强从最大值开始减小（图4），在0.085 s时刻完成机械和电气上的弓网分离，电弧电流降为0，电弧电阻变为无穷大，电弧散热加剧，电源提供的能量不足以维持电弧继续燃烧，致使电弧熄灭。经过试验测量，在其他离线间距下电弧电阻也具有类似变化规律。

图3 燃弧过程中的电弧电阻变化

图4 燃弧过程中的光强变化

在1 mm离线间距下电弧燃烧过程中的功率变化如图5所示，可以发现直流电弧在产生到熄灭的过程中，功率基本维持在500～700 W范围内波动，且不随离线间距的变化而变化。由于在燃弧过程中电弧电阻逐渐增大，电弧电流逐渐减小，这2种趋势使得电弧功率基本维持在一定范围内。

图5 燃弧过程中的功率变化

2.3 直流电弧燃弧时间与离线间距的关系

统计不同离线间距下电弧平均燃弧时间如图6所示，随着离线间距的增大，电弧平均燃弧时间呈下降的趋势。由于电压等级一定，离线间距较小时，弓网间隙中电场强度较大，电弧维持的时间较长；离线间距较大时，弓网间隙中的电场强度较小，电弧维持的时间较短。

图6 不同离线间距下的电弧平均燃弧时间

3 电流对直流电弧特性的影响

列车运行过程中需经过启动、加速、制动等工况，在不同的运行工况下，列车牵引电流均不同，而电流的大小对弓网离线电弧的影响很大。实验室环境下，通过改变电流大小来研究电流对直流电弧的影响，将电流增大到120 A，其他离线条件均保持不变，探讨电流对直流电弧特性的影响。

3.1 电流对直流电弧电阻和功率的影响

经过测量，电流为120 A时，燃弧过程中电弧电阻基本保持在0.1～1W，与60 A电流时规律相似。120 A电流时电弧平均功率为650～1 200 W，远远大于60 A电流时电弧的平均功率。

随着电流的增大，弓网间隙中带电粒子密度增大，表现为电弧光强和平均功率均增大，但电流的改变对弓网间隙中带电粒子数量的影响不是很大，表现为电流增大时，电弧电阻基本不变。

3.2 电流对直流电弧燃弧时间的影响

试验表明，电流为120 A且离线间距设置为 1 mm时，电弧燃弧一直持续且相当剧烈，烧蚀接触线及受电弓严重。当间距增大到2.5 mm时，电弧燃弧持续时间依然很长，示波器很难对其进行完整记录，直到间距增大到4 mm以上，整个燃弧过程才能被示波器完整记录下来。

离线间距为4、6、9 mm时，电弧的平均燃弧时间见图7。在1 mm和2.5 mm小离线间距下，直流电弧均能持续燃烧，随着离线间距的增大，电弧燃弧时间缩短。这种规律和60 A电流时直流电弧的规律一致，但120 A电流时直流电弧燃弧时间达60～160 ms，甚至更长，远远大于60 A电流时电弧燃弧时间。这是由于随着电流的增大，弧隙间碰撞游离和热游离产生的二次电子增加，弓网间隙电弧等离子体的密度增大，相同间距下，电弧更容易维持；且电流增大，注入到弧隙中的能量相应增大，电弧释放能量需要更长时间，所以燃弧时间更长。

城市轨道交通采用的接触网电压等级一般比较小（我国为DC 1 500 V和DC 750 V两种供电制式），列车的集流量很大，一般为几千安，所以城轨直流供电系统下的直流电弧能量很高，对接触线和受电弓碳滑板的烧蚀相当严重。

图7 不同离线间距下电弧平均燃弧时间

4 负载对直流电弧特性的影响

列车负载是影响弓网电弧的重要因素，不同的阻抗、感抗负载影响电路电压、电流的变化速度，从而影响电弧产生、熄灭的时间[3]。为研究阻性负载和感性负载对直流电弧特性的影响，进行了2组对比试验：电源电压均为DC 24 V，离线间距均为1 mm，阻性负载电阻为0.4W，感性负载电阻为 0.4W，电感为0.04 mH。试验结果见图8。

（a）阻性负载

（b）感性负载

图8 不同负载下离线电弧波形

通过50组离线放电试验得出数据（表1），在阻性负载和感性负载下分别离线，直流电弧的平均起弧电压和光强峰值平均值基本相同，但感性负载下直流电弧的光强变化较为平缓，阻性负载下直流电弧的光强波动较大，且感性负载下直流电弧的燃弧时间平均值要大于阻性负载时的燃弧时间平均值。

表1 不同负载下离线电弧数据

注：平均光强值用感光芯片输出电信号表示。

由于负载中串联了电感，电感的存在使得电弧电压、电流变化更加平缓，电弧功率也维持在一个平稳的范围，所以电弧光强变化也比较平缓。电感是储能元件，在弓网离线后，电感将储存的能量释放到弓网间隙中，使得感性负载条件下电弧能量更大，维持的时间更长，所以燃弧时间更长。

从电路的角度看（图9），直流电弧可以看成一个非线性电阻，弓网离线后电弧电压平衡方程为

式中，为电源电压，h为电弧电压，为电弧电流，为电感，为电阻。

图9 牵引回路电路

假设燃弧时长为h，将式（1）两边乘以d，并进行积分，弓网离线时= 0、=（为离线时刻的电弧电流），经过时间h后，电弧电流= 0，则有

式中，为电弧能量，1为电源供给电弧的能量，2为储存在磁场中的能量。

由此可见，在牵引回路中，当受电弓与接触线产生离线电弧时，电弧的能量源自2部分，一部分是电压提供的能量在电弧中的耗散，另一部分是以磁场形式存储在回路中的能量在电弧中的耗散。所以在感性电路中，离线时电感将会释放储存的能量以维持电弧继续燃烧，直到电感释放的能量不足以维持电弧燃烧时，电弧熄灭。由式（1）得

则电弧的燃弧时间为h为

可见，电感越大电路储能越多，电弧的燃弧时间越长，这与之前的试验结论及分析一致。

5 结论

（1）随着离线间距的增大，电弧的起弧尖峰、电弧电阻以及电弧功率基本保持不变，但电弧的平均燃弧时间逐渐缩短。

（2）随着电流增大，电弧功率增大，燃弧时间更长，产生的电弧能量越大，对接触线和受电弓滑板的烧蚀越严重。

（3）感性负载时产生的直流电弧燃弧时间更长，因此提高列车功率因数，减少感性负载成分，可以减少电弧对弓网的危害。

（4）该研究是在实验室低电压、大电流条件下进行的弓网离线直流电弧特性探讨。由于城市轨道交通供电系统电压等级相对较低，牵引电流较大，同时电弧放电本身也具有低电压、大电流的特性，因此本文中弓网离线直流电弧特性在一定程度上反映了城轨系统实际工况下的弓网离线电弧特性，可为研究直流电弧产生机理提供一定的参考。

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In order to study the generation mechanism of pantograph-catenary arc, a pantograph-catenary contact-loss simulation test platform is established at a laboratory, researches are made on pantograph-catenary DC arcing characteristics under different contact-loss conditions by modifying the parameters of contact-loss spacing, currents and loads.

Pantograph-catenary arc; contact-loss; arcing time; electrical characteristics

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.006

U231.8

A

1007-936X(2017)05-0022-04

王溢斐.中国铁路设计集团有限公司，助理工程师。

2017-01-10