地铁弓网燃弧能量与牵引电流扰动分析

1、国内图书分类号：U226.5 密级：公开国际图书分类号：621.3西 南 交 通 大 学研 究 生 学 位 论 文地铁弓网燃弧能量与牵引电流扰动分析年 级： 二一二级 姓 名： 刘宝轩 申请学位级别： 工程硕士 专 业： 电气工程 指 导 教 师： 陈唐龙 教授 二一四年五月Classfied Index: U226.5U.D.C: 621.3Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisPANTOGRAPH-CATENARY ARC ENERGY AND ANALYSIS ON CURRENT DISTURBANCE IN METRO Gr

2、ade: 2012Candidate: LIU Bao XuanAcademic Degree Applied for: Master Degree Speciality: Electrical EngineeringSupervisor: Prof. CHEN Tang-longMay, 2014西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。

3、本学位论文属于1保密，在 年解密后适用本授权书；2不保密，使用本授权书。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导老师签名：日期： 日期：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1. 基于电接触理论，深入分析了弓网燃弧特性，简述了弓网燃弧的危害以及其检测方法；利用实验手段，测量得出了非接触式弓网燃弧检测装置的检测最小功率密度。2. 搭建了弓网燃弧发生装置，进行了交流燃弧、直流燃弧发生试验，定量分析了输入电压辐射对燃弧能量的影响。通过对交流燃弧参数的时频特性分析可知，造成电流扰动的主要原因是电路中3次谐波成分的增加。统计大量直流燃弧数据，得出了

4、直流燃弧能量与燃弧特征波段250±10nm紫外能量呈线性相关的结论，并探讨了极性对燃弧能量、燃弧率的影响。3基于广州地铁二、三号线弓网燃弧试验检测数据，统计各区段机车启动、匀速、制动阶段弓网燃弧率、燃弧发生前后电流幅值，提取了500余次燃弧发生时刻燃弧信号、牵引电流信号和速度信号。根据EN50317要求，分析了速度因素对燃弧率的影响，通过对燃弧发生前牵引电流幅值、燃弧能量的统计，得出了燃弧能量与燃弧发生前电流幅值无关的结论。4. 将燃弧发生前后牵引电流扰动程度，作为燃弧发生对弓网受流危害程度的量化指标。基于小波多分辨率分析与Parseval理论，通过对广州地铁二、三号线燃弧检测数据分

5、析运算，得到了燃弧能量、燃弧持续时间与牵引电流扰动程度的关系方程，为指导现场准确定位弓网受流薄弱点提供了理论依据。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：第I页西南交通大学硕士研究生学位论文摘 要受电弓与接触线的良好接触是保障电力机车正常受流和安全运行的可靠前提。随着机车运行速度的逐步提高，弓网离线现象越来越频繁，弓网离线会引发弓网燃

6、弧，弓网燃弧在一定程度上能够反映出弓网受流性能的优劣。弓网燃弧的频繁发生会造成弓网受流系统，尤其受电弓滑板的电气侵蚀，更严重甚至烧损接触网设备，引起变电所跳闸，威胁行车安全。因此，实现弓网燃弧在线监测的同时，及时定位并维护弓网受流薄弱点对于保障行车安全具有重要意义。本文首先利用实验手段，测量得到了非接触式弓网燃弧检测装置的检测最小功率密度。搭建了一套弓网燃弧发生装置，模拟了交流燃弧、直流燃弧的发生过程，研究了输入电压幅值对燃弧能量的影响，结果表明，输入电压幅值与燃弧能量呈正相关性，且相同输入电压幅值、间隙距离情况下，直流燃弧比交流燃弧所释放的燃弧能量更大。通过分析交流燃弧电流频域特性可知，造成

7、交流电流扰动的主要原因是电路中三次谐波成分的增加。直流燃弧实验中，测量得到了直流燃弧能量与燃弧特征波段250±10nm紫外能量的关系方程，解决了实际弓网燃弧能量不能够检测的难题，并探讨了极性对燃弧能量、燃弧率的影响，分析结果表明，相同实验条件下，接触线为阳极较接触线为阴极情况，燃弧能量更大，燃弧发生对碳滑条所造成的电气侵蚀也更严重。基于广州地铁二、三号线弓网燃弧试验检测数据，统计各检测区段机车启动、匀速、制动阶段弓网燃弧率、燃弧发生前后电流幅值，提取了500余次燃弧发生时刻燃弧信号、牵引电流信号和速度信号。根据EN50317要求，分析速度因素对燃弧率的影响，并通过对燃弧发生前牵引电流

8、幅值、燃弧能量的统计，得出了燃弧能量与燃弧发生前电流幅值无关的结论。最后，基于小波多分辨率分析与Parseval理论，将燃弧发生前后牵引电流扰动程度，作为燃弧发生对弓网受流危害程度的量化指标，分析了广州地铁二、三号线燃弧检测数据，得到了燃弧能量、燃弧持续时间与牵引电流扰动程度的关系方程，解决了过多定位燃弧发生点的难题。关键词：弓网燃弧；模拟装置；燃弧能量；多分辨率分析；牵引电流扰动第III页西南交通大学硕士研究生学位论文AbstractIn electrified railways, current collection results from sliding contact between

9、 the moving pantograph and the overhead contact wire.With the running speed increasing, the pantograph lose contacting the overhead contact wire more frequently, which can cause arcing phenomena, pantograph-catenary arcing can reflect the pros and cons of pantograph-catenary current collection, in e

10、xtent.pantograph-catenary arcing occurs instantaneously accompanied by large amounts of energy conversion, resulting pantograph electrical system, especially the pantograph erosion , even more serious burned the catenary equipment, and even caused the substation to trip, threatened traffic safety.Th

11、erefore, Realization the pantograph-catenary arcing online monitoring, positioning and maintaining pantograph weak point is important for the protection of traffic security.Firstly, measuring the minimum power density of the UVM non-contact pantograph- catenary arcing detection device with experimen

12、tal methods. Building a set of simple pantograph-catenary arcing occurs devices, simulation arcing occurs AC and DC arcing, analysising the influence bettwen arc energy and voltage amplitude, The results showed that arc energy and voltage amplitude is positive correlation, DC arcing energy is larger

13、 than AC arcing energy under the same conditions.the AC arcing current frequency domain characteristics showed that harmonic component is 3 times harmonic,based on the simulink experimental platform.experiment measured the actual energy DC arcing and the 250 ± 10nm bands UV characteristic energ

14、y in DC arcing curve,realized the detection on DC arcing energy.changing the polarity of the output voltage of DC, test the influence of the polarity on the arcing rates , when contact line is anode,the arcing energy is larger.According to EN50317, statistics of Guangzhou Metro detect arcing rate, o

15、btained by comparative analysis of the factors affecting the speed of the rate of arcing. extracted more than 500 time metro arcing occurs detection parameters, the results showed that the traction current amplitude is regardless of arcing energy.Finally, based on the theory of wavelet multi-resolut

16、ion analysis, analysised the level of traction current disturbance while pantograph-catenary arcing occurred moments, and regarded it as quantified pantograph quality indicators as a basis for determining the weak points and so as a basis for quantifying pantograph quality indicators, as determined

17、by the flow of current collection weak points.Analysised the Guangzhou Metro II, Line 500 times arcing test data and put forward arcing energy, duration and extent of the disturbance traction current curve, which solved the excessive positioned the arcing occurs point problem.Key words: Pantograph-c

18、atenary arcing; Simulation device; Arcing energy; Wavelet multi-resolution analysis; traction current disturbance第V页西南交通大学硕士研究生学位论文目 录第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 弓网燃弧检测21.2.2 弓网燃弧模拟实验31.2.3 燃弧能量与燃弧电流扰动41.3 本文研究内容5第2章 弓网燃弧特性62.1 弓网燃弧电接触理论62.2 直流燃弧、交流燃弧特性82.2.1 直流燃弧伏安特性与燃弧能量、持续时间82.2.2 交流燃弧伏安

19、特性与燃弧能量102.3 牵引电流扰动122.4 弓网燃弧危害122.5 本章小结14第3章 弓网燃弧检测系统及模拟燃弧试验装置163.1 非接触式弓网燃弧检测系统163.1.1 非接触式弓网燃弧检测装置工作原理163.1.2 弓网燃弧能量辐射模型183.2 检测系统最小功率密度测量193.2.1 检测氘灯光源辐射模型193.2.2 检测装置采集光源模型213.2.3 最小功率密度测量223.3 模拟弓网燃弧试验装置233.4 本章小结25第4章 基于模拟燃弧装置的燃弧参数分析264.1 不同输入电压交流燃弧试验264.1.1 输入电压60V交流燃弧试验264.1.2 输入电压100V交流燃弧

20、试验294.1.3 输入电压120V交流燃弧试验314.2 不同输入电压直流燃弧试验334.2.1输入电压70V直流燃弧试验344.2.2输入电压110V直流燃弧试验354.2.3输入电压140V直流燃弧试验364.3 直流燃弧能量与燃弧特征波段紫外能量384.4 极性对燃弧影响404.5 本章小结42第5章 地铁燃弧能量、持续时间与牵引电流扰动435.1 小波变换理论435.1.1 时频局部化特性435.1.2 多分辨率分析445.2 广州地铁二、三号线燃弧试验数据分析455.2.1 检测系统组成及检测数据统计455.2.2 速度对燃弧率影响475.3 基于多分辨率的牵引电流扰动分析505.

21、3.1 牵引电流信号去噪研究505.3.2 基于多分辨率与Parseval理论的燃弧电流能量分布525.3.3 燃弧能量、持续时间与牵引电流扰动545.4 电流幅值对燃弧能量的影响585.5 本章小结59结 论60致 谢62参考文献63攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果67第69页西南交通大学硕士研究生学位论文第1章 绪论1.1 研究背景及意义电气化铁路作为近现代铁路集成创新的一项重要成就，以其显著的经济技术优势，成为世界铁路发展的主要趋势。随着全球化趋势不断推进、城市化不断加快，我国高速铁路技术异军突起，建设里程逐年加大，这对于优化我国资源配置，拉动地方经济，实现区域城市间“同城化”等方面

22、起到了不可替代作用，中国高铁，作为一张走向世界的国家名片，展现了我国的自主创新能力。与此同时，近年来随着城市规模的迅速膨胀，城市轨道交通建设也迎来一个发展的黄金时期，城市轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、污染小等技术优点，对于改善日趋拥堵的城市交通问题，提供了最为理想的解决途径。电力机车通过受电弓与接触网（弓网系统）的接触获取电能，因此，弓网系统在电气方面和机械方面是相互依赖、相互制约、相互作用的1。弓网的良好接触是保证机车受流的可靠前提，而随着电力机车运行速度逐步提高，弓网离线越来越频繁，弓网离线会引起弓网燃弧现象，弓网燃弧发生瞬间伴随着大量能量的转换，并以光、热以及辐射的形式向空间传播

23、，对弓网受流系统尤其受电弓滑板造成严重电气侵蚀，甚至能够烧损接触网设备，引起变电所跳闸2；弓网离线造成电力机车牵引电流扰动，影响弓网受流质量，同时也严重恶化了牵引电动机整流条件。大量研究表明，弓网燃弧发生时常常伴随着高频噪声，对机车通讯和无线信号造成干扰，严重时甚至造成通讯中断3-4。弓网受流问题是制约电气化铁路提速的瓶颈之一，而弓网离线燃弧是影响高速列车受流质量的关键问题。当离线电压达到23.5V，局部热量使液桥汽化而断裂，并伴随热电子和场电子效应产生弓网电火花；而离线电压达到1020V，空气中气体分子发生电离，产生气体放电现象，产生弓网燃弧5。弓网燃弧现象是弓网关系的实质性表现之一。因此，

24、实现弓网燃弧的在线监测，及时定位并维护弓网受流薄弱点对于保障行车安全具有重要意义。欧洲标准EN50317:20026，即：铁路应用-受流系统-受电弓与架空接触网之间的动态相互作用测量方法的要求和确认，规定检测弓网受流特性至少应测量接触力或者燃弧率；受电弓通过定位点时接触线的抬升。燃弧率是评价线路受流质量的重要指标，对于弓网燃弧的检测参数包括：燃弧次数，燃弧持续时间总和，燃弧率等。目前，国外日本、意大利采用光学检测法实现燃弧的非接触式检测7-9，而对弓网燃弧与弓网电火花不能够有效的区分鉴别，造成被检测线路燃弧率较实际值偏高，过多定位燃弧发生地点即弓网受流薄弱点，增加了线路维护成本。国内，西南交通

25、大学电气工程学院研制出基于紫外光的燃弧检测装置10，在实现了弓网燃弧率的精确测量同时，能够对牵引电流、弓网动态压力、机车速度、受电弓滑板对地电压等参数实时检测，实现了燃弧率以及燃弧参数的同步检测。基于上述分析，本文基于小波多分辨率分析与Parseval理论，提出了将燃弧发生前后牵引电流扰动程度，作为燃弧发生对弓网受流危害程度的量化指标，并依此作为量化弓网受流质量指标和定位受流薄弱点的依据，为指导现场线路维护提供理论依据，具有重要实际意义。1.2 国内外研究现状弓网燃弧作为弓网受流恶化的重要表现形式，越来越受到了国内外学者重视和广泛研究，本节系统总结介绍了国内外最新的弓网燃弧检测方法、模拟燃弧装

26、置研究进展，概括了燃弧能量与燃弧电气侵蚀的研究进展。1.2.1 弓网燃弧检测文献11采用电流检测法：电力机车采用两个受电弓供电，且两个受电弓之间连接了一条等势线，如图1-1所示，正常情况下等势线流过的电流为零，而当某一受电弓发生离线情况下，两个受电弓间产生电势差，导致等势线中流过电流，当等势线中电流超过一定阈值，则认为发生弓网离线现象。图1-1 电流检测法原理图1-1中：V1、V2分别为两受电弓与接触线间电压，电流I为左侧受电弓发生离线时等势线中电流的方向。但是，在实际应用中，我国电力机车采用双弓同时受流模式较少，不具有普遍性，另外，由于检测线路和设备中存在阻抗，该方法能够实现对弓网离线程度较

27、大情况测量，而对弓网离线时间较短且离线程度较小情况不能够准确有效检测，即对弓网离线的 “灵敏度”检测不够敏感，从而易导致检测线路离线率较实际情况低很多。文献12采用图像处理法：通过安装在车顶的高性能面阵相机，实时监测弓网运行状态，并采用相应的图像处理算法实现对弓网状态实时处理，从而准确判断弓网燃弧现象是否发生。但是，由于该方法采用高帧率面阵相机，数据量大，对后端数据处理系统性能要求很高，另外，由于在检测过程中需要进行较复杂的算法处理，所以检测系统不能够实现实时性。文献7、8、9采用光学检测法：即通过安装在车顶的光电传感器来探测弓网燃弧发生时刻，紫外光中的特定波段来实现弓网燃弧检测。但是，该方法

28、对弓网燃弧与弓网电火花不能够有效的区分鉴别，造成被检测线路燃弧率较实际值偏高，过多定位燃弧发生地点，增加了线路维护成本。国内，西南交通大学研制出基于紫外光的燃弧检测装置10，实现了对燃弧非接触式检测，同时实现对牵引电流、机车运行速度、弓网动态压力和受电弓滑板对地电压的同步检测。综上所述，以上各检测方法都单纯强调对燃弧率的检测，提供被检测线路弓网受流质量总体评估指标，而结合实际弓网燃弧检测数据，定量分析燃弧能量、持续时间于牵引电流扰动程度影响，并根据牵引电流扰动程度指标，指导现场定位并维护故障线路的研究很少。1.2.2 弓网燃弧模拟实验受弓网燃弧发生、采集、测量等种种因素限制，国内外关于燃弧研究

29、，大多采用设计的特定弓网燃弧发生装置来模拟产生弓网燃弧现象，并依此开展深入广泛研究。国外，文献13中分别介绍了交流、直流模式下的弓网燃弧仿真平台，研究电气化铁路中的弓网燃弧现象，通过对比分析得出直流燃弧与交流燃弧特性区别。文献14中，燃弧发生装置电源电压为6.35kV，频率为50Hz，直流实验装置中添加一个整流单元，使得输出直流电压为正负800V，实验电路中电流的变化范围为10A20A，电路中负载电阻R=60100，电感L=04H。实验过程中调节控制和测量参数分别为：控制调节参数：电源电压、电阻、电感、线速度、拉出值长度、拉出值速度。连续测量参数：燃弧电压、燃弧电流、空气间隙、电压降。得出的实

30、验结论为：相同电压等级下直流电路更容易引发燃弧的发生。弓网燃弧结尾发现了一些短暂的电压和电流波峰。即燃弧发生时电压上升电流下降，开路时电流瞬时值为零，电压突增。电压为正，其他条件相同，比电压为负其他条件相同产生燃弧要更加频繁。文献15中，通过实验探讨了燃弧电压和电流波形是如何被接触线速度、电感负载和受电弓材料所影响的。实验过程中电源电压为6.35 kV，频率为50Hz，每次试验持续时间为10s，电压变化为25 kV变化步距为1 kV，接触线相对移动最高速度为108km/h。实验结论为：电流零区段总是在电流过零之后，电压冲击变的更加的持久。线速度越大电流波形为零的区域持续的时间越长，与此同时电压

31、波形中的突变时间越小。弓网燃弧突然开始的瞬间电磁干扰更加敏感。对于交流燃弧影响因素有：接触线滑板相对速度、电流、电压、负载、电极材料、电极的几何参数如形状。国内，文献16，介绍了北京交通大学设计的一套弓网燃弧模拟发生装置，该装置能够模拟受电弓与接触网的相对运动。实验系统最高电压和电流分别为100V与20A，实验过程中，采用LABVIEW软件分别分析了静态交流燃弧、动态交流燃弧的电流、电压参数频域特性，得出了交流燃弧电流和电压中谐波成分主要集中在500Hz以下的结论。文献17、18、19，介绍了西南交通大学吴广宁教授研究团队所开发的一套系统的弓网燃弧模拟装置，该装置能够模拟弓网之间的垂向振动和拉

32、出值相对滑动，采用平直、柔性线接触状态模拟现场接触悬挂，通过调节接触网导线张力，改变弓网静态压力。通过控制试验条件，得出了燃弧的平均持续时间随着牵引电流的增大呈指数增长；弓网接触压力控制在80N左右最为合适；通过研究负载特性与燃弧关系得到了感性负载模式燃弧持续时间较阻性负载要长的结论；且负载功率因数越大，燃弧能量越小。文献20研究证明，当电路电流增大到一定程度以后，滑板温升的主要原因是焦耳热转变为燃弧热，且速度越大，受流稳定性越差，摩擦性能越低，而燃弧造成的烧蚀也逐渐加重。以铜基粉末冶金铬青铜摩擦副为对象，研究载流条件下摩擦副的表面粗糙度对燃弧电气侵蚀的影响规律。实验结果表明，表面越光滑，燃弧

33、时间越长，燃弧能量越高；而燃弧发生及能量大小的随机性与不确定性、燃弧对试样表面的侵蚀都导致了电压与电阻的波动，是载流效率和载流稳定性变差的主要原因。1.2.3 燃弧能量与燃弧电流扰动燃弧能量的大小直接影响到燃弧对于接触网装置电气特性侵蚀程度以及弓网离线程度，因此，探究燃弧对接触网系统的电气侵蚀应加强对燃弧能量的深入研究21。KUBO等在文献22中提出了燃弧能量的计算公式如式(1-1)所示： (1-1)式中，E为单次离线的燃弧能量，单位J；U为单次离线燃弧电压，单位V；I为燃弧为电流，单位A；t为单次燃弧时间，单位s。王其平在电弧与电气理论23中提出燃弧侵蚀量与电流和燃弧燃炽时间关系的数值表达式

34、如式(1-2)所示： (1-2)式中：s为材料的侵蚀量；I为电流有效值，A；ta为燃弧燃炽时间，s；k为与材料有关的系数。国外，博尔科夫斯基在文献24中提出，燃弧能量绝大部分是通过燃弧几何侧面损失的，并给出电极表面接受到的燃弧能量公式。史温格在文献25中提出，燃弧能量输入到电极有辐射传输和燃弧通道传输两种方式，辐射传输过程是燃弧能量损失的主要原因，电极表面所得的燃弧能量是部分辐射传输和全部燃弧通道传输之和。国内，梁慧敏在文献26经过试验论证分析了触电分量速度与燃弧能量的关系，提出了触点分离速度越高燃弧能量越低的观点。周玮在文献27中分析了燃弧间隙电压电压和电流等参数与直流燃弧特性关系，得出了电

35、压会极大地影响燃弧的能量，电流对燃弧能量的影响是线性的结论。基于燃弧能量研究，涉及到关于燃弧能量与牵引电流扰动间相关研究文献较少，因此，该研究方向具有很强的发展潜力。1.3 本文研究内容本文基于电接触理论，分析了弓网燃弧的产生机理，搭建弓网燃弧发生装置，简要概述交流、直流燃弧特性。实验测量得到了燃弧特征波段紫外能量与燃弧能量间关系方程。基于广州地铁二、三号线十次试验数据，提取全部500余次燃弧发生，燃弧信号与牵引电流信号，并统计各个燃弧紫外燃弧能量、持续时间。提出将弓网燃弧发生时刻，牵引电流扰动程度作为恶化弓网受流指标，作为指导现场准确定位、维护弓网受流薄弱点的参考依据。本文的主要研究内容如下

36、：第一章 介绍了弓网燃弧的产生机理及其检测意义，分析国内外弓网燃弧检测技术的发展现状，以及弓网燃弧模拟平台的研究进展。第二章 基于电接触理论，深入分析直流弓网燃弧、交流弓网燃弧特性，阐述了弓网燃弧对弓网受流质量的影响，以及其对接触网设备所造成的电气侵蚀。第三章 简要介绍了非接触式弓网燃弧检测装置的基本工作原理，推导了氘灯光源辐射模型、检测光源模型，通过实验手段测量到的检测装置最小燃弧功率密度。搭建了模拟弓网燃弧平台。第四章 基于模拟燃弧发生装置，模拟发生交流、直流燃弧发生过程。通过改变实验条件分析了输入电压幅值对燃弧能量的影响；根据交流燃弧参数频域特性，分析得出了三次谐波成分增加是交流电流扰动

37、的根本原因。试验测量得到直流燃弧能量与燃弧特征波段250±10nm紫外燃弧能量的关系方程，并探究了极性对燃弧率的影响。第五章 提出了将燃弧发生前后牵引电流扰动程度，作为燃弧发生对弓网受流危害程度的量化指标，基于小波多分辨率分析与Parseval理论，分析了广州地铁二、三号线燃弧试验数据，得到了燃弧能量、燃弧持续时间与牵引电流扰动程度的关系方程，为指导现场真实定位弓网受流薄弱点提供了理论依据。第2章 弓网燃弧特性2.1 弓网燃弧电接触理论当受电弓与接触网正常运行或者相对静止时，弓网之间的接触形式表现为滑板平面与接触线圆弧面之间的线接触。从微观形态上看，二者表面都非绝对光滑，如图2-1所

38、示，在电气列车运行过程中两者总会相互磨损，表面是凸凹不平的28。图2-1 接触线与受电弓滑板表面图因此，当受电弓滑板与接触线相接触时，其实际接触区域是由一些微小并且分散的接触点组成。因此我们把实际发生机械接触的点称为接触斑点，把接触斑点中那些形成金属或准金属接触的更小面称为导电斑点29。如图2-2所示，即便弓网之间的接触压力足够大，其真实接触面积较名义接触面积相比也是微不足道的，而这些实际接触的点（或小面）则承受着弓网全部的接触压力。图2-2 导电斑点附近电流线收缩现象图弓网系统正常运行过程中接触特性受到多种因素限制，其本身具有较强的不确定性，在正常滑动接触情况下，该情况更为严重。根据Holm

39、模型及膜电阻理论29，在弓网系统中，单个导电斑点的静态接触电阻，可以定义为受电弓滑板与接触线之间收缩电阻与膜电阻的总和。用下述公式表示： (2-1)式中，导电斑点接触电阻；、弓网接触表面收缩电阻；导电斑点膜电阻；、弓网材料电阻率；a导电斑点直径。地铁机车启动过程中电流会迅速上升，最高能够达到2000A，随着弓网间牵引电流的增大，通过导电斑点的电流值也会随之相应的增加，那么弓网间的接触电阻就会增大，弓网接触表面瞬时产生大量热量，使受电弓滑板导流区域温度迅速上升，当温度上升到一定程度后受电弓滑板会产生融化现象（动态过程中接触线接触部位随时改变故其影响较小）。对于新开通的线路，接触线表面为圆弧形，同

40、受电弓滑板接触形式为面线接触，而对于运行时间较长线路来说受电弓同接触线接触形式为面面接触，导电斑点的膜电阻消失式(2-2)为30： (2-2)假设弓网接触区域存在个导电斑点，由于各个导电斑点电阻是以并联的形式在电气回路中，因此，其接触电阻可以表示为： (2-3)接触材料的硬度为： (2-4)式中，F为弓网接触压力；n为导电斑点数目；S为弓网实际接触导电面积；a为导电斑点半径。由式（2-4）可知： (2-5)则真实弓网系统静态接触电阻如式(2-6)所示： (2-6)由式（2-6）可知，弓网接触电阻与接触材料、弓网压力、接触线与受电弓滑板表面情况、接触材料硬度有直接关系。正常情况下弓网良好接触，二

41、者电位近乎相等，但当受电弓遇到接触网硬点、导线高度突变和接触线结冰等原因造成弓网不可靠接触时，会发生弓网离线。接触线和受电弓滑板分离的瞬间，弓网间隙电压增大，引发受电弓和接触线之间的空气击穿，从而引起弓网燃弧现象18。2.2 直流燃弧、交流燃弧特性燃弧是由近阴极区、弧柱区、近阳极区三个区域组成，其中燃弧的两个电极也可认为是燃弧的组成部分32-33。如图2-3所示，其中弧柱具有超过6000K的高温，弓网接触材料与之长时间接触会被烧灼气化，因此，常用光谱分析仪测量间接测量燃弧温度。图2-3 燃弧特性图2-3中，燃弧上的电压降； 阴极电压降； 弧柱上的电压降；阳极电压降；燃弧相当于一纯阻性发热元件，

42、所以燃弧的消耗功率可表示为33： （2-7）式中，燃弧电流（A）；近极压降（V）。由式（2-7）可知，弧柱的功率也是在近阴极区、近阳极区、弧柱区三个区域分布，燃弧的热量通过热传导、热对流及辐射三种方式散失。2.2.1 直流燃弧伏安特性与燃弧能量、持续时间从电路角度看，直流燃弧相当于在电路中串联了一非线性电阻，阻值随电流及其它因素而改变。电路模型如图2-4所示，电源电动势为E，燃弧在两触头间燃烧，可变电阻R用以改变流过燃弧的电流。起弧后电压平衡方程式为： (2-8)图2-4 直流燃弧伏安特性电路如果维持弧长l1不变的情况下，加载电压，维持电流一段时间，当电路中发热和散热过程达到平衡后，测量燃弧间

43、隙两端电压uh，如此反复得到一系列关于uh和ih的曲线，即为燃弧的静态伏安特性。当改变燃弧间隙，例如当l2大于l1时，如图2-5所示，经过上述相同过程测量，则可得到另外一条较高静态伏安特性曲线。图2-5 不同燃弧间隙静态伏安曲线根据图2-5可知，直流燃弧的静态伏安曲线和一般金属导体的性质是不同的，当燃弧电流增大时，电压反而减小，这主要是由于当燃弧电流ih增大时，燃弧所消耗的功率增大，引起弧柱温度上升，燃弧电导率增大，弧柱直径增大，弧柱电阻因此陡然下降。当燃弧稳定燃烧时： (2-9)静态直流燃弧伏安特性公式为： (2-10)在其他条件不变情况下，弓网燃弧间隙恒定，那么燃弧的静态燃弧曲线只有一条，

44、但是，动态燃弧伏安特性却随着燃弧电流ih的变化速度不同而有无数条，这是由于燃弧的弧柱温度和直径具有热惯性的原因，即当ih快速增大时，燃弧电阻来不及减小，从而导致弧柱电压uh大于新的稳态值；而当ih减小情况下，燃弧电阻来不及增大，导致uh小于新的稳态值34-35。直流燃弧动态伏安曲线如图2-6所示。图2-6 直流燃弧伏安特性图2-6中，1为燃弧静态伏安特性，2、3、4、5燃弧动态伏安特性。当电源电压不足以平衡稳态燃弧电压及线路电阻压降时，燃弧电流减小直至熄灭。 从正负极接头分开产生燃弧起到燃弧熄灭为止的时间，定义为直流燃弧的燃弧时间，用trh表示。一般来说然的熄灭是需要一个过程的，需经历一定时间

45、，这是由于一方面电路中存在大量的感性元件，储存了大量的电磁能，另一方面就是燃弧具有热惯性。由以上结论可知式(2-11)： (2-11)将等式两边同时分别乘以ihdt，并令时间t=0；时候，ih=Ih0，代表燃弧开始产生时的电流；令t=trh时，ih=0，两边积分得到： (2-12)式(2-12)左边为燃弧期间燃弧所消耗的能量，等号右边第一项为在此期间电源供给的能量，第二项为整个过程中电阻所消耗的能量，第三项为燃弧开始时电感存储的能量。因此我们可以得出结论：电路中的电感越大，其中储能越多，要熄灭燃弧必须从燃弧间隙中散发更多的能量，燃弧越难熄灭。燃弧时间计算公式为： (2-13)由式(2-13)可

46、知，电流Ih0越大，线路中电感L越大，trh越长；uh越大，分母越大，燃弧持续时间就越短。2.2.2 交流燃弧伏安特性与燃弧能量与直流燃弧不同的是，交流燃弧燃弧电流瞬时值随时间而变化，每周期有两次通过零点，因此，交流燃弧总是一个熄灭-重燃-熄灭-重燃的动态循环过程37。图2-7为交流燃弧电路，当燃弧稳定燃烧情况下，交流燃弧的一个周期内电压与电流的关系曲线称为交流燃弧伏安特性曲线如图2-8所示。图2-7 交流燃弧电路燃弧由负值过零瞬间，燃弧暂时熄灭，此时电源电压加与两电极之间，当间隙电压上升到点燃电压udr时，燃弧重燃。由于燃弧的热电离作用，特征曲线AB段是下降的，从B点以后，电流由峰值逐渐减小

47、燃弧电压相应的回升，但是由于弧柱存在热惯性，BC段低于AB段。当燃弧电流趋近于零时，燃弧电压也近似于零，相应C点的电压叫做熄弧电压uxm或者熄弧尖峰uxh，燃弧过零后又在反方向重燃。图2-8 交流燃弧伏安特性曲线在铁路正常运行过程中，弓网间隙释放燃弧能量的大小，对接触网设备的工作性能有着直接的影响。计算交流燃弧能量Wh的基本计算公式如(2-14)所示： (2-14)式中， uh 燃弧电压； ih 燃弧电流； ts从t=0至燃弧产生所需的时间； tx从t=0至燃弧熄灭所需的时间； t 以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。 在计算Wh时，通常规定：，其中E为一常数，则 (2-15)式中，n弓

48、网分开瞬时所在电流半波内到电流熄灭为止的总共燃弧半波数。2.3 牵引电流扰动在电力系统中电能质量问题主要包括电压暂降，暂升和短时中断，谐波产生的电压波形畸变等。电能质量扰动从某种意义上来说可以分为两大类：一类是基波幅值变化带来的扰动，包括电压下降、电压膨胀和电能短时中断等；另一类是与基波无关的其它扰动，包括电压下限和各种暂态扰动等。弓网燃弧发生造成的牵引电流扰动主要表现为牵引电流跌落，如图2-9所示，图中100ms130ms，燃弧发生，牵引电流表现为跌落，130ms180ms时段，燃弧熄灭牵引电流表现为突变上升。图2-9 牵引电流跌落目前，国内外关于弓网燃弧发生所造成的牵引电流扰动的研究较少，

49、因此，将燃弧发生所造成的牵引电流扰动程度作为评估弓网受流质量的依据是比较客观的。2.4 弓网燃弧危害目前绝大多数电力机车是通过弓网接触受流获取电能的，弓网的不良接触造成弓网离线现象的发生，弓网离线引发弓网燃弧。弓网燃弧发生瞬时释放大量能量，会对接触线和受电弓滑板造成严重的电气侵蚀，同时恶化受流条件，造成牵引电流不平稳，损害整流电动机，造成一系列威胁行车安全的事故发生。研究表明，弓网燃弧的危害，主要表现在以下几个方面：(1) 造成高频电磁干扰大量数据统计表明，弓网燃弧发生时，常常伴随着大功率的高频电磁噪声，对铁路沿线无线电信号及通讯设备造成极大电磁干扰(EMI)，严重时甚至会造成无线电信号失常、

50、通讯中断等现象40。为此，如何避免高频电磁干扰(EMI)对铁路通讯系统的影响，已经成为接下来科研人员所面临的课题，作为电磁干扰(EMI)的一大主要来源，如何抑制弓网燃弧也成为了解决该问题的关键。(2) 造成接触网设备的电气侵蚀弓网燃弧发生时，其瞬间释放出的大量热量，会造成接触线和受电弓滑板受到严重的电气侵蚀，和不同程度的损伤38-39。一般来讲，燃弧对于受电弓滑板的电气侵蚀较接触线严重，这是由于列车高速行进过程中，燃弧的能量会按照一定比例的分配到一定长度的接触线上并对该段接触线造成电气侵蚀，与此同时，该侵蚀同样作用于受电弓滑板，尽管机车行进过程中存在拉出值，但是，短时间内电气侵蚀几乎作用于受电

51、弓滑板的相同位置，图2-10(c)为燃弧发生后某段接触线表面情况，图2-10(a)、2-10(b)为与受电弓滑板材料相同的碳滑条燃弧发生前后的表面对比，左图2-10(a)为燃弧实验前，右图2-10(b)为燃弧实验后。 （a）燃弧前碳滑板 （b）燃弧后碳滑板 （c）燃弧后接触线图2-10 燃弧发生前后碳滑条、接触线变化根据图2-10中可知，大燃弧的发生短时间内会造成碳滑条和接触线严重的电气侵蚀。(3) 造成牵引电流扰动弓网燃弧的发生造成牵引电流扰动，影响弓网受流质量。在地铁电力机车取流值较大情况下，弓网燃弧的发生会造成牵引电流瞬时下降，而后随着燃弧的熄灭，电流值会迅速飙升超过原有正常电流幅值，最

52、后逐渐恢复正常；而在机车匀速运行阶段，机车取流值较小，小燃弧发生同样会造成上述情况的发生，而当大燃弧发生时，甚至造成取流中断，影响电力机车正常行驶。图2-11为某次燃弧发生造成的牵引电流扰动情况，图2-12为，燃弧发生造成供电中断情况。图2-11、2-12中上图为实际检测到的弓网牵引电流，单位A，下图为检测到的弓网燃弧信号，单位mV。图2-11 燃弧造成牵引电流扰动图2-12 燃弧造成机车取流中断图弓网燃弧消失时，由于回路中储能元件的存在，会产生机车过电压，对机车整流电动机造成损害，影响其工作性能，严重威胁机车的正常运行。2.5 本章小结本章基于电接触理论，对弓网燃弧的发生机理进行了详尽的理论

53、说明，分析了直流燃弧、交流燃弧两种类型的伏安特性，并推导了其各自燃弧能量方程；简要介绍了地铁弓网燃弧发生所造成的牵引电流扰动，为接下来深入探究燃弧能量与牵引电流扰动关联提供了理论基础。最后，根据实际试验数据、检测图片介绍了弓网燃弧的危害，着重分析了弓网燃弧发生所造成的电气侵蚀和牵引电流扰动。第3章 弓网燃弧检测系统及模拟燃弧试验装置第2章从燃弧现象产生机理出发，详细分析了弓网燃弧的形成原因，本章首先介绍非接触式紫外弓网燃弧检测系统的工作原理，采用实验方法测量了该检测系统的最小检测功率密度，并搭建了一套产生直流、交流燃弧的弓网燃弧装置，为进一步研究弓网燃弧特性打下了基础。3.1 非接触式弓网燃弧检测系统由西南交通大学研制出基于紫外光的非接触式弓网燃弧检测装置，实现了对弓网燃弧的非接触式检测10，与此同时，该检测系统能够完成对牵引电流、机车运行速度、弓网动态接触压力、受电弓滑板对地电压等参数的同步测量，目前，领先于国际先进水平。3.1.1 非接触式弓网燃弧检测装置工作原理弓网燃弧发生过程中，弓网接触材料的电子或离子被激发造成能级跃迁，当特定材料的电子或离子由高能级跃迁到低能级过程中，将伴随着特定波长的光产生8。弓网