列车受电弓通过绝缘锚段关节的电弧维持能力分析

列车受电弓通过绝缘锚段关节的电弧维持能力分析

0长时燃弧的问题铁路是经济的动脉。随着中国国际经济的快速发展，电子天然气铁路发挥着越来越重要的作用。为了实现同相电气隔离，需要设置电分段使列车受电弓能够正常通过。然而根据今年来的事故统计，列车在通过电分段绝缘锚段关节时由于分段之间存在较大的电压差，经常出现长时燃弧的情况，如图1、图2所示，造成接触网线索烧蚀甚至断线，严重威胁列车安全稳定运行电弧是一种高温的电离气体，温度可达5000K以上目前国内外研究学者针对电弧的维持能力通过实验或仿真的手段展开了大量研究，以上研究结果均表明气流大小对电弧维持能力影响很大，但都是基于相对静止电极的研究，在列车通过绝缘锚段关节时两电极相对移动情况下气流对电弧维持能力如何影响尚不清楚，且列车以何种速度通过绝缘锚段关节能够使电弧快速地熄灭也是亟待解决的问题。考虑到普速列车最快运行时速为180km/h，因此本文基于磁流体动力学模型，利用动网格技术，分别列车以较慢速度18km/h和较快速度108km/h、144km/h、180km/h等不同的车速通过绝缘锚段关节的情况，分析了不同强度的列车走行风对电弧极限拉断距离的影响。1磁流动力学模型1.1缘锚段关节运动轨迹建立列车受电弓通过绝缘锚段关节的几何仿真模型如图3所示，包括绝缘锚段关节和受电弓，其中绝缘锚段关节为静止状态，受电弓采用动网格技术使其保持匀速向右运动。模型区域AC段高度为50mm，CD段宽度为400mm，绝缘锚段关节长度图3所建立的模型中绝缘锚段关节和受电弓滑板的材料属性参数如表1所示。1.2电极内部粗化处理在对仿真模型进行求解之前，需要针对具体求解的物理模型对几何模型的网格进行适当的剖分，使其满足物理场收敛和结果精度的要求。网格剖分的疏密会直接影响求解的速度和精度，一般网格剖分越粗化，占用内存越少，求解速度越快，但相应的会牺牲求解结果的精度，使结果距离真实值相差较大；而网格剖分越细化，占用内存越多，求解的精度一般会更准确，但占用内存过大，计算过程过长，甚至难以收敛。因此针对此模型，在网格剖分过程中，由于电极内部对计算结果几乎无影响，故对绝缘锚段关节、受电弓滑板等电极材料内部进行粗化处理。而在周围的空气域特别是电极附近产生电弧的地方需要对网格进行尤为精细的剖分，使其满足物理场收敛的需要，剖分后的结果如图4所示。1.3电弧的简化假设由于电弧燃弧过程中涉及到电场、磁场、温度场、气流场等多场耦合，物理过程非常复杂，因此有必要对其进行适当简化，假设如下。(1)电弧在整个过程中始终处于局部热平衡的状态。(2)忽略因电弧对弓网系统烧蚀产生的金属蒸汽的作用与电弧产生的相互作用。(3)由于Comsol不能模拟电弧起弧和熄弧，因此认为电弧初始阶段即稳定燃烧，电弧温度低于3000K时熄灭。1.4求解流体动力学方程求解磁流体动力学方程的实质就是分别对流体动力学方程、电磁场方程以及辐射方程进行求解（1）流体动力学方程求解流体动力学方程需要对质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解。质量守恒方程表示为式中：动量守恒方程式中：能量守恒方程表示为式中：（2）电磁场方程电弧等离子体的电位和电流密度可分别由式(5)、式(6)求得电弧磁场可由式(7)、(8)联立求得：式中：（3）辐射方程通过净辐射系数法可求得电弧的辐射能量为式中：2行驶速度对电弧极限拉断距离的影响由于列车在行驶过程中会受到走行风影响，且走行风强度较大，对弓网电弧的影响不可忽略，因此分别对列车行驶速度为18km/h、108km/h、144km/h和180km/h时通过绝缘锚段关节的燃弧过程进行仿真分析，探明不同车速情况下对电弧极限拉断距离的影响及差异。2.1段关节稳定性列车以18km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线如图5、图6所示，从列车经过绝缘锚段关节至两者之间横向距离为300mm的过程中，电弧温度始终维持在6000~10000K的范围内，电弧在这个过程中稳定性较强，未呈现出熄灭的趋势，且电弧整体温度较高，会对受电弓和绝缘锚段关节造成严重的烧蚀；同时电弧飘弧现象严重，电弧发展扩散范围大，容易对周围的电气设备造成威胁。2.2速度为32m/h列车以108km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线如图7、图8所示，可以发现与列车通过速度为18km/h时相比，虽然电弧在绝缘锚段关节与受电弓横向距离300mm的范围内仍然没有熄灭，但是电弧温度大大降低，整体维持在4000~6000K的范围内，对弓网系统的烧蚀破坏程度大大降低，且稳定性的下降让电弧在后续过程中的维持能力降低，电弧熄灭后重燃几率也得到了减小。2.3高效燃弧强度与列车速度10km/h列车以144km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线如图9、图10所示，电弧在绝缘锚段关节与受电弓横向距离300mm的范围内燃弧强度与列车速度108km/h时相比有所降低，整体温度维持在3500~5000K的范围内，电弧接近熄灭的状态。2.4缺乏稳定燃弧列车以180km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线如图11、图12所示，当列车通过绝缘锚段关节的速度为180km/h时，电弧温度几乎持续下降，最终在绝缘锚段关节与受电弓之间的横向距离为75mm时温度降低至约3000K左右，电弧在整个过程中维持时间极短，且来不及形成稳定燃弧的状态就因无法继续维持而熄灭，对弓网系统造成的损伤忽略不计。3车风对电弧稳定性影响分析列车在通过绝缘锚段关节时燃弧剧烈，然而难以通过实验的方式复现线路实际燃弧情况，如电弧温度高达几千至上万度，难以准确测量其温度变化情况，此外，电弧存在的时间为毫秒级，亦难以通过在车顶设置高速相机拍摄完整的燃弧发展过程，同时现场故障实验还会影响到列车的正常运营，因此本文针对建立的普速列车受电弓通过绝缘锚段关节的仿真模型，基于动网格技术模拟受电弓与滑板的相对移动过程，分析了列车以不同车速匀速通过绝缘锚段关节时产生电弧后电弧的发展扩散情况及其维持能力差异。通过对仿真结果的分析，得出结论如下。（1）列车风对弓网电弧的维持能力影响巨大，列车在以18km/h的速度匀速通过绝缘锚段关节时，电弧整体温度维持在6000~10000K的范围内，在受电弓与绝缘锚段关节间距300mm的范围内难以熄灭；当列车通过速度为108km/h时，电弧整体温度维持在4000~6000K的范围内，电弧稳定性相较列车通过速度18km/h时有明显下降；当列车通过速度为144km/h时，电弧温度及燃弧强度相比108km/h时都有所降低；当列车通过速度为180km/h时，电弧温度几乎持续下降，到1.6ms绝缘锚段关节与受电弓之间的横向距离为75mm时温度降低至3000K，电弧无法继续维持而熄灭。以较快车速通过绝缘锚段关节可以使电弧更快熄灭。（2）列车风会影响电弧的稳定性，车速以108km/h以上较快速度通过时，由于气流的冷却作用，电弧整体温度幅值水平降低，下降幅度大于8000K，且电弧温度振荡频率和幅度随气流增大而增强，后续熄灭后重燃的几率降低，如以18km/h的车速通过时，电弧温度在6500~10000K之间波动，此时电弧稳定性强，始终处于燃弧状态；以108km/h的车速通过时，电弧温度仅有两次突升重燃的情况，其余阶段温度均处于4000~6000K的不稳定状态；以144km/h的车速通过时，电弧温度处于3500~5000K的范围，且不存在温度突升的情况，此时电弧稳定性极弱，趋于熄灭