弓网电弧以及过分相幻灯片.ppt

西南交通大学 弓网电弧及过分相 1 2 3 4 电流检测法 电阻法 光学法 其他检测方法 离线电弧的检测 电流检测法 交流电式离线检测法电流沿接触导线 受电弓 变流器 电动机 钢轨流动 受电弓离开接触导线 流过受电弓的电流为0 为排除 过零 将受电弓电流及其微分值2个均为0的情形作为检测离线的依据 优点 可以在车内立刻就知道目前的离线率等数据缺点 列车惰行 过分相时 受电弓电流大体上为0 不能分辨是否离线 对 拉弧 放电 小离线 不能测定 电流循环式离线检测法振荡器产生高频信号由电容器和测量用受电弓送至接触网 再经接触网分布电容流回地面 电容器在接触网电压频率较低时为高阻抗 频率较高时为低阻抗 离线时 通过接触网的高频率电流产生突变 电流循环式离线检测法就是通过检测高频率电流变化情况来检测离线是否发生 电流检测法 这种测量方法的正确率达99 5 以上 目前 这种技术用于我国JJC 1型接触网检测车上 电流循环式离线检测法原理图 电阻变大法我国研制的JLY 1型离线检测装置 就是利用了离线时受电弓和接触导线间电阻变大的原理来实现离线的检测 弓网接触时 电流I通过C1 受电弓 接触网 C2 钢轨构成回路 流入J的电流很小 一旦离线 弓网间电阻变大 流入J内的电流变大 从而检测出离线信号 为减小回路的阻抗 I采用高频信号 为提高抗干扰能力 用5kHz进行调制 J采用了多级5kHz的谐振放大器 电阻法 电阻法 电阻变大法离线检测原理 试验结果 离线测量范围为0 3s 分辨率为2ms 离线误差 5 该技术由于其技术简单和费用低的特点 被大多数接触网检测车所采用 电阻 电容法电阻 电容法是在测量用受电弓与地间接入两个电容器和一个电阻 利用电容器C1测量受电弓电压 电阻测量受电弓电流 电容器C0充当分压器 当受电弓与接触线良好接触时 接触线电压发生改变对电容充电 放电的电流将流经受电弓 而当离线时 电流将随着受电弓与接触线间的距离和电压差的变化而变化 离线时电压呈阶梯状 而电流为间隔不规则的脉冲或零电流情况 阻容式离线检测就是通过检测这些波形的变化来检测离线的 电阻法 电容 电阻检测法原理图离线时电流和电压的波形图 试验结果 测量精确度高 现用于日本铁路线检测车上 在透镜系统中采用一排独立输出的光接收器 并将光电二极管放置在透镜系统的焦点处 将离线产生的电火花转化为电信号并放大后 采用高通滤波器除掉环境光影响 再将各信号光整流后叠加 得到输出的离线信号 离线率和离线次数 电火花检测量法 光学法 试验结果 检测设备不需要接触高压部分就能够得出离线率和离线次 并能够在普通电力机车上进行检测 但是 在小离线情况下 测量不准确 电火花检测量法原理图 测量仪器被安装在意大利ETR500高速列车上 光电传感器安置在受电弓前4米处的机车顶部 由金属圆柱体保护 该金属圆柱口一端安装了特殊的透明石英玻璃 以便于只让波长为175 195nm的电弧紫外光通过 测量结构大致可以分为两部分 一部分位于机车顶部 包括光电传感器及其相关供电装置 另一部分位于机车内部的控制台内 包括对机车顶部的远程控制系统和信号数据采集系统 试验结果 能够持续监视机车运行区间 可应用于高速运行的机车 紫外光测量法 压力检测法 目前 该检测技术己在兰州铁路局接触网检测车上投入使用 辐射电磁信号分析法 在电磁检测法中 由于必须试制选择性极高 抗干扰能力极强的接收机 难度大 效果也不好 所以在实际的检测装置中很少采用该方法 场强测量法 这种方法必须试制选择性极高 抗干扰能力极强的接收机 因此难度大 其他检测方法 电感特性负载下弓网电弧耗能 电弧的能量来自两部分 一部分是以磁场形式储存在回路中的能量在电弧中耗散 另一部分是电源提供的能量在电弧中耗散 车载变压器相当于一个电感 当受电弓突然离线时 电感中的电流有向零急剧变化的趋势 两端产生很大的电势 既地面牵引降压变压器二次侧的出口和受电弓的弓头间存在很大的电压差 电源会向弓网电弧提供一定的能量 这部分能量记为W1 储存在回路电感中的磁场能量也会在电弧中耗散 记为W2 在电弧中消耗的能量为 W W1 W2 电容特性负载下弓网电弧耗能 电源输出端电压和受电弓弓头的电压之间只有很小的电压差 在电弧发生期间 电源向电弧提供很小的能量 电弧中消耗的另一部分能量来自牵引回路中电感储存的磁场能 设在电弧产生的初始时刻电感L上的电流与电感特性负载下的初始电流相同 为I0 电容的电压为 暂态过程的频率比工频更快 在回路振荡的第一个1 4周期内电容上的电压的最大值为 有大小的电感中的磁场能量转移到电容上变为电场能 记电弧中耗散的磁场能量WC2为 如果电容两端的电压达到最大 则回路中的电流就为零 也就是说 当电容的电压达到最大时 电弧由于电流过零点而熄灭 不同负载特性弓网电弧耗能比较 和很难计算 上式有估算公式 取一组典型数据进行计算 取地面牵引变压器二次侧额定电压为27 5kV 短路电压为10 5 牵引变压器的容量为10MVA 50MVA 承力索为GJ 70 接触导线为GLCA 100 215 接触导线距钢轨顶部高度5800cm 接触网结构高度1300mm 承力索弛度500mm 钢轨型号P50 钢轨长度25m 轨距1435mm 大地土壤电导率10 4 cm 容性负载与感性负载的电弧能耗之比为 地面牵引变压器和牵引网电感最小值 有K 0 0407 取地面牵引变压器和牵引网电感最大值 有K 0 3559 即电容特性负载的弓网电弧上消耗的能量也不超过电感特性负载的弓网电弧上消耗的能量的35 59 造成电力机车的不稳定运行 引起接触线和受电弓滑板的异常磨耗 产生无线电杂音干扰 使牵引电动机整流条件恶化 在主电路中引起过电压现象 电弧产生的磨耗造成接触线和受电弓滑板的凹凸不平 在接触表面发生过热点和小的熔接现象 如果机车在高速下行驶 速度越大 这种效应就越危险 熔接点瞬间脱落 使接触线更加损坏 在这种情况下 受电弓滑板磨耗增加 并产生连续的火花 电熔接效应 离线电弧的危害 增加受电弓与接触线间的接触力 该方法以减少受电弓滑板 尤其是接触线的寿命为代价 因为抬升力增加后 腐蚀和磨损增加 温度也随之增加 减少受电弓弓头质量 但高电流传输限制了减少程度 设计一种新的接触线系统 这种方法只能局部解决问题 且对现有系统的改进所需费用昂贵 研制具有良好的导电性 润滑性 耐磨性 耐拉弧性 抗冲击性的滑板材料 减少接触网的硬点 研究弓 网及机车 弓 网的耦合动力学模型 对受电弓主动控制 为了在高速下取得好的受流质量 减少由电弧引起的恶化 主要采用的方案有 受电弓滑板 纯金属滑板 碳 铜复合材料滑板 粉末冶金滑板 碳化滑板 碳 金属纤维复合材料滑板 浸金属滑板 受电弓滑板材质分类及其性能特点 纯金属滑板钢 铜等纯金属滑板是我国20世纪60年代旱期的电力机车受电弓滑板产品 机械强度高 取材方便 使用寿命长 成本低 引发弓网事故障碍概率小 但对接触导线磨耗大 特别对铜接触导线磨耗严重 国内旱期电力机车采用 现限制使用 粉末冶金滑板铜基粉末冶金滑板 机械强度较好 表而硬度适中 滑板和导线的磨耗比较匹配 这种滑板可随时提供润滑 大大地降低了对接触导线的磨耗 同时其自身的耐磨性也比较好 铁基粉末冶金滑板 铁基滑板目前己得到广泛应用 不少电力机务段在铜导线区段仍采用这种滑板主要是为避免弓网故障的发生 碳化滑板对导线磨耗低 可延长导线使用寿命 但机械强度低 易出现断裂 掉块 引发弓网障碍概率大 使用寿命短 适用范围受限制 哈大线和广深线是我国己投人运营的速度最快的准高速电气化线路 浸金属滑板分为整体式和组装式两类 具有较好的电学性能 基本解决了碳滑板机械强度低的问题 耐磨性能大为提高 能根本解决导线磨耗过快的问题 但抗冲击力不足 易出现掉块 使用过程中需要整形 价格过高 维护成本高 给机务部门带来较大的经济压力 碳 金属纤维复合材料滑板这种材料在强度 电阻率方而优于浸金属碳滑板 但如果出现增强剂的损伤 复合材料的导电性能便会严重恶化 由于金属在碳基体中的分布范围较大 该复合材料滑板对铜导线的磨耗也较严重 碳 铜复合材料滑板是以镀铜石墨粉 铁粉 铬粉及钼铁合金中至少一种制成的硬质金属粉作为碳增强体 加以铜粉 锡粉组成的混合料经混合均匀压制成形 最后采用加压或常压的方式进行烧结而制成的 制备具有优良物理 力学性能的碳一铜复合材料的关键是改善铜基体与碳增强体的润湿性 最有效的途径是基体合金化与碳增强体的表而处理 分相绝缘器式电分相 分相绝缘器绝缘元件上电弧烧损留下的电痕 电力机车碳滑板受电弓滑过分相绝缘器时 会在绝缘元件的底部留下许多碳粉 使元件底面表层的绝缘下降 在受电弓滑离接触线而与分相绝缘器接触的瞬间 接触线与受电弓之间常会产生电弧 如果机车不断开主断路器 此情况更为严重 电弧烧损留下的电痕将会缩短绝缘元件的实际绝缘长度 分相器的绝缘部分耐电弧能力较差 电弧对接触线 受电弓和分相器的绝缘部分烧蚀严重 严重地影响了弓网安全 因而 绝缘分相器在现场运行中频繁发生事故 过分相装置是接触网系统的关键设备之一 列车运行中 机车须断电 降弓减速通过分相装置 影响铁路大提速 为满足提速要求 须将既有器件式分相绝缘器改造为锚段关节式过分相装置 即利用停电大窗点拆除既有电分相器件 改造成绝缘锚段关节式电分相 绝缘锚段关节式电分相 普通过分相 接触网每隔20km 25km进行一次电分相 有一长约30m的供电死区 电力机车过电分相时须退级 关闭辅助机组 断开主断路器 惰行通过无电区后再逐项恢复 这样避免受电弓和接触网发生拉弧现象 从而保证了受电弓和接触网的寿命 在机车低速行驶条件下 这一系列过程可以靠司机手动操作完成 但对准高速 高速线路 每小时要过10多个分相区 靠司机手动操作实属困难 普通过分相标志 车上自动过分相 车上自动控制切换方案以法国 英国为代表 我国在广深 秦沈 怀化等线上采用 这种方案的工作原理是当机车行驶到分相段前一定的距离 约100米左右 时 得到过分相预告信号 再进行确认 然后封锁机车上整流装置的触发脉冲 延时断开主断路器 使机车惰行通过无电区 在通过无电区后 获得恢复信号 合主断路器 顺序启动辅机 然后限制电流上升率 启动机车 车上自动分相 车上自动过分相 车上自动过分相 车上自动过分相 地面分相预告装置 车上自动过分相 柱上自动过分相 A B两组真空开关在正常状态下均处于分断位置 当电力机车运行至a b之间时 A组开关装置线圈有电流通过 磁铁吸合 真空开关在15ms时间内闭合 使c d段有电 当电力机车运行至c d之间时 A组开关的线圈中无电流通过 磁铁释放 15ms时间内A组真空开关断开 使d e f g为无电区 机车惰行 当电力机车运行至g h之间时 B组开关装置线圈有电流通过 同理B组真空开关闭合 当机车驶离i点后 B组开关线圈失电使B组开关断开 但此时该开关不起分断电流作用 这样A B两组开关回到初始状态 地面自动过分相 4台无绝缘轨道电路CG1 CG4为机车位置传感器 当机车从A相驶来达到CG1处时 真空负荷开关QF1闭合 中性段接触网由A相供电 待机车进入中性段 到CG3处时 QF1分断 QF2随即迅速闭合 完成中性段的换向过程 由于此时中性段已由B相供电 机车可以在不用任何附加操纵 负荷基本不变的条件下通过相分段 待机车驶离CG4处后 QF2分断 装置回零 反向来车时 由控制系统自动识别 控制2台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合 完成过分相 地面自动切换过程 1 2 3 4 5 列车接近切换段 轨道电路检测到列车进入中间段 使中间段瞬时停电 300ms 将中间段与列车前方的区间连接 列车通过中间段后 回到最初状态 一种新型的过分相技术 在牵引供电臂的末端并联一个电容C1 在车载牵引变压器的高压侧也并联一个电容C2 当列车行驶到供电臂末端的时候 C1和C2上的电压相等 这个时候列