江 丽

（湖南高速铁路职业技术学院 铁道机电学院，衡阳 421002）

在高速机车运行过程中，弓网关系是3大基础关系之一[1]。随着我国高速机车的持续开通和运动速度的逐步提升，弓网关系成为影响机车运行安全的首要因素。电力机车的接触线几乎没有弹性，一般情况下会采用刚性接触悬挂系统。随着机车运行速度的提升，受电弓和接触网的离线率会加大，增加了发生弓网电弧的概率，威胁供电系统的安全性。对于整个电气化机车系统的正常运作来说，受电弓-接触网关系作为牵引供电系统的组成部分，具有非常重要的作用。一旦接触线的波动与受电弓的振动加剧，受电弓与接触网之间的相互作用越来越激烈，可能会频繁发生弓网离线，甚至出现拉弧现象，降低受电弓和接触线的使用寿命，导致机车受流质量下降[2]。因此，本文将重点研究弓网电弧在受电弓离线过程中的特性。

1 弓网离线模拟试验平台

弓网系统是一个多因素交叉系统，具有很大的不确定性。即使在相同电路、条件、环境下试验或仿真，弓网系统都可能大不相同。因此，基于自行设计搭建的弓网离线试验平台，从滑动接触到动态离线，较为完整地模拟出受电弓与接触线产生斜方向电弧的过程。

电力机车供电系统接触网的电压一般为DC 1500V[3]。由于接触网电压相对较低，机车牵引电流很大。实验室中，根据电力机车弓网电弧的产生条件，自行设计并搭建了弓网离线实验平台和检测系统。

实验装置由弓网供电系统、理想动力系统以及检测系统3部分构成[4]。由于实验室电源功率的限制，供电系统的设计方案采用了大功率电阻与电感串联、低压大电流的供电方案。电源变压器经过接触线和受电弓滑板后，采用了变比为220:24、额定输出电流为250A的工频BK3000型变压器，再经过大功率电阻与电感串联回到电源。这样不但减小了电流大小的影响，还避免了电弧燃烧所需的电压较低等问题。为了实现弓网分离，直流电机与搭载着受电弓滑板的小车直接构成离线动力系统。电磁铁由远程开关控制，通过电磁铁将受电弓滑板固定在小车上。当电磁铁动作时，受电弓滑板快速下降。检测系统主要检测电压、电流及光强信号等物理量。示波器探头可以直接测量接触线和受电弓上的电压。经过示波器，罗氏线圈电流互感器换成电压信号后可以显示出回路中的电流信号。光电检测芯片OPT101用来测量光强信号并进行转换后得到电压信号。

2 弓网电弧在弓网离线过程中的特性

2.1 弓网电弧在稳态离线情况下的特性

在电流120A、交流电压24V以及弓网间隙距离d=0.3mm 的情况下，弓网间可以看到电弧燃烧剧烈，形成了约2cm长且稳定燃烧的电弧，且电弧中心有飞溅的火花和耀眼的白光。从整个正半周期的电弧波来看，电弧大致呈现出“马鞍”型，即从过零点（即碳滑板作为阴极时）开始电压按照正弦规律上升[5]。电压经过起弧时间后上升到燃弧尖峰电压，此时弓网间隙形成导电通道并产生电弧，而电场强度会达到空气的击穿场强，从而击穿空气。通过燃弧时间之后，弓网间隙电压迅速下降到稳定燃弧电压，最后小幅上升到熄弧电弧。随后经过熄弧时间，弓网间隙电压下降的电压回到零点。而在负半周期中，接触线为阴极，电压波形没有出现明显的燃弧尖峰与熄弧尖峰。此外，在燃弧阶段中，电弧电压波形较为平直。这是由于阴极在负半周期中为金属接触线，因此二次电子容易从金属阴极中碰撞获得，影响离线电弧的产生，因而燃弧尖峰电压较低，电压波形平直。

另外，电弧电流也会伴随着电弧的形成而出现，且在电弧稳定燃烧时达到最大值。在电弧电压达到燃弧尖峰电压时，电弧电流迅速上升；电压达到熄弧电压时会出现周期性的“零休”现象，使得电流提前到达零点[5]。光强信号与电流信号则是同步周期性出现。由于负半周期中，弓网间隙电压能更早达到燃弧尖峰电压，因此正半周期的燃弧时间小于负半周期，且燃弧持续时间长。电弧在稳定燃弧阶段主要以热电子发射的方式维持，因此正半周期的电流大于负半周期，而正半周期的稳定燃弧电压则小于负半周期。

弓网离线电弧属于交流电弧，弓网间隙的等离子体密度和介电强度随着电源的电压电流周期性变化。受弓网阴阳两极材料不同的影响，在负半周期中，电弧稳定燃烧阶段的功率明显大于正半周期。从产生、持续燃烧到熄灭过程，电弧所消耗的能量要比正半周期多12.6%。

2.2 受电弓离线过程中电弧电压的变化特性

受电弓离线过程中，随着时间的变化，电弧电压与电流的波形发生变化。从弓网接触受流到电弧重燃、熄弧，在各自半周期中，燃弧尖峰电压随着时间的增加而增大，使得电弧电压波形呈现“马鞍”型特征。

从接触状态到分离状态，弓网电弧电压波形可分为弓网稳定受流、电弧产生与重燃、熄弧3个阶段[6]。受流阶段，由于接触电阻的存在，弓网良好受流，弓网间隙呈现周期性变化，形成较小的电压差，受电弓与接触线滑动接触。产生与重燃阶段，受电弓滑板与接触线间存在从面接触到分离的过程。接触电阻随着接触面积的减小而增大，使得电子在高温下容易从阴极溢出，从而导致阴阳两极表面局部温度高，形成热电子发射，而弓网间隙距离小，促使阴极形成场致发射。在高强度电场的作用下，热电子发射和场致发射形成二次电子，发生空气碰撞电离形成电弧。重燃阶段，以场致发射为主，燃弧尖峰电压增大，电场强度减小。熄弧阶段，间隙电场强度小，弓网间隙增大，电弧熄灭，无法满足电弧的重燃条件。

在分离过程中，随着时间的增加和弓网间隙的增大，燃弧尖峰电弧增大，呈现指数级增长[7]。在起弧后的1～2个周期内，燃弧尖峰电压缓慢增大，之后随着时间变化，指数不断增大，斜率较小。因此，在同等实验条件下，由于弓网分离间隙不断增大，电弧变长，电压增大，导致稳定燃弧电压会随着时间的增加而增大，而电流则会减小。电弧在正、负半周期燃烧时，所需的能量与阴极材料有关，与电弧形态无关。在每个燃弧周期中，电弧电阻从无穷大减小到某一极小值后又增大到无穷大。但是，在正半周期中，电弧电阻的极小值小于负半周期。同时，电弧电阻的极小值在正负半周期中会随着时间增大。正负半周期中，随着电流的增大，燃弧尖峰电压会减小。弓网间隙的击穿场强决定了电弧重燃，间隙的带电粒子密度决定了击穿场强。电流越大，燃弧尖峰电压越小，间隙内残留的电子越多。

3 结语

从实验过程可以看出，以碳滑板作为阴极时，电弧电压波形呈现“马鞍”型，整个半周期消耗的功率低，具有明显的燃弧尖峰和熄灭尖峰，这是弓网阴阳两极的材料不同造成的。以碳滑板作为阴极与接触线作为阴极相比，稳定燃弧电压小，这是弓网阴阳两极材料熔点与沸点不同所造成的。受热电子发射和场致发射共同作用的影响，根据电弧电压的变化特性，可将弓网动态离线过程分为弓网稳定受流阶段、电弧产生与重燃阶段、熄弧阶段3个阶段。在正负半周期燃烧时，电弧随着弓网间隙增大并没有发生明显变化，所需要的能量基本保持不变；随着电流的增大，燃弧尖峰电压降低，电弧重燃次数增加，电流增大，电压与弓网间隙距离呈指数增长的函数关系。也就是说，在低电压情况下，弓网离线电弧发生重燃的主要影响因素是大电流。