载流接触网对弓网系统动态性能的影响分析

载流接触网对弓网系统动态性能的影响分析

通过提高列车速度，提高弓-触网系统的动态性能要求越来越高。为了提高弓网系统的动态性能，有必要解决弓网系统的动态流问题。为保证电力机车的稳定运行,要求受电弓与接触网之间保持相对恒定的接触压力,且接触压力的变化越小,受电弓的受流特性越好。目前,有关弓网系统接触压力的论述主要集中在机械匹配、气动力学领域。近年来,诸多学者在大量研究的基础上提出了一些受电弓、接触网的动力学特性及其物理、数学模型。文献基于风洞试验研究了受电弓结构的动力学特性、气流特性,并进行了弓网系统的流固耦合振动分析。文献采用半实物半虚拟方法设计的受电弓-接触网试验台,可以模拟不同接触网参数下的受电弓动力学性能。文献利用半实物半虚拟相结合的方法,建立受电弓-接触网运行模拟试验台,进行受电弓等效参数测定、动力学性能测试及弓网参数匹配试验研究。在实验基础上分析双弓作用下的弓网动力学性能,研究双弓间距对动力学性能的影响,为实现高速条件下的双弓稳定受流提供了理论支持。弓网系统的接触压力不仅与机械、气动力学领域有关,弓网系统的电磁耦合也影响弓网系统的接触压力作用。但是,国内外专家学者对弓网系统的电磁耦合作用研究甚少。因此,有必要对弓网系统的电磁耦合作用进行详细的研究。1受电弓-接触网系统的几何模型受电弓通过与接触网接触滑动受流,经回流线、钢轨形成回路。接触网的拉出值保证了受电弓的磨耗范围始终在受电弓中心线的两侧且左右相等,以保证受电弓磨损均匀,增加了受电弓使用寿命。运行中受电弓与接触网之间的接触压力包括静态接触压力、空气动力分量和动态接触压力分量。电力机车在高速运行时,受电弓将收到各种力的影响,如图1所示。在机车运行过程中,受电弓向上运动时,弓网间的接触压力P可以用式(1)表示;受电弓向下运动时,弓网间的接触压力可以用式(2)表示。式中:P0为受电弓框架和受电弓滑板的重力之和;PE为弓网系统电磁力的垂直分量;Pt为受电弓的支撑力;Pa为受电弓的惯性力,由归算质量及垂直加速度决定;Pm为受电弓铰接处的摩擦力;Pk为空气动力对受电弓的垂直分量,在高速运行时对弓网动态接触压力产生较大影响。交流电的“集肤效应”使接触网导线内部电流很小,牵引电流集中在临近导线表面的薄层。将接触网导线等效为截面积可忽略不计的长直圆导线,通有电流的接触网导线可等效为载流长直导线。毕奥-萨法尔定理表明载流长直导线周围将感应出不均匀的磁场,受电弓获取电流的瞬间感受到磁场力的作用。实际弓网系统关系如图2所示。受电弓-接触网系统的三维几何等效模型图如图3所示。其中,I表示牵引供电电流;θ表示接触网导线与钢轨的平面夹角;x表示与钢轨平行的方向;y表示与受电弓平行的方向;右手定理构成了z方向;d表示接触网-受电弓系统由于车轨振动而造成的弓网垂向间距。毕奥-萨伐尔定律用于计算载流导线周围的感应磁场,见式(3)。安培力计算公式用于计算磁场中载流导体的磁场力大小,见式(4)。式中:的方向由左手定则确定,四指指向电流方向,磁感线穿过手心,大拇指与四指垂直,大拇指所指方向就是力的方向;表示处于磁场中的载流导体上的电流元微元。2载流导电数值等效模型为方便后续计算,考虑一条供电臂的牵引电流。在弓网系统滑动受流的瞬间将牵引电流进行平面分解,分解为跟受电弓平行和垂直的两个微电流元,如图4所示。各电流分量如下从式(3)、式(4)可以看出,x方向的电流分量虽然有感应磁场的作用,但对受电弓不产生力的作用,因此只需要y方向的电流分量对受电弓的作用,即可等效为两平行载流导体之间的电磁作用。其数值等效模型如图5所示,其中O点为受电弓中心。图5中,用c表示接触网拉出值,即L=c,由图5中的三角几何关系有进一步对式(3)、式(4)进行简化,可得由式(8)可知,受电弓上感应磁场的大小与牵引电流y方向的分量、弓网垂向振动间隙、受电弓有效工作长度以及接触网拉出值的大小密切相关。3安培定理求解电磁力之大小在弓网系统滑动受流的瞬间,假定牵引供电电流以等大相反的方向通过受电弓流经车顶高压设备。受电弓上牵引电流的分解示意图如图6所示。图6中,AB表示受电弓的有效工作长度。OA段电流分解结果为所以,受电弓OA段上磁场力的大小通过安培力计算公式方向由左手法则确定。化简结果为式(10)表明:在接触网牵引电流的作用下,受电弓OA段上受到x方向和z方向的感应磁场力作用,负号表示实际磁场力的方向与假设的正方向相反。同理可直接得到受电弓OB上电磁力的大小。OA段上微元力的大小为接触网导线在受电弓上各点处的感应磁场强度不同,无法直接应用安培定理进行求解电磁力的大小。而受电弓是刚体机构,所以将受电弓划分成长度为1mm的多个均匀磁场,分别计算各个均匀磁场中的电磁力的大小,并进行叠加,可得到整个受电弓上的电磁力作用。4牵引供电电流对电磁力的影响在工程实际运行中,受电弓的有效工作长度为1200mm,即图5中L0=600mm。目前的运营线路中,直线区段的拉出值设计一般为200~300mm,曲线区段拉出值设计则根据曲线半径不同一般为150~400mm,接触网简单链形悬挂的标准跨距为50m。根据图5中的等效模型,应用MATLAB编程软件计算分析。当牵引电流I=600A时,受电弓上感应电磁力合力的变化规律如图7所示。由图7(a)可以看出,在弓网振动间隙一定的条件下,电磁力随着接触网拉出值的增大呈现单调增大的趋势。从图(b)可以看出,在接触网拉出值一定的条件下,受电弓的感应电磁力随着弓网振动间隙的增大呈现减小的趋势。这是因为随着接触网拉出值的增大,牵引电流y方向的电流分量也增大。式(8)表明,牵引电流y方向分量的增大使感应磁场也增大,同理弓网振动间隙的增大使感应磁场强度降低。从图7可以看出,当牵引供电电流I=600A时,受电弓上电磁力的最大值仅为弓网接触压力的3.7%~5%,对弓网接触压力的影响较小。然而,当牵引供电发生故障且故障点距离牵引变电所15km时,故障牵引电流瞬间可高达4500A,故障电流对弓网供电系统冲击影响较大。此时,牵引供电方式由双边供电转换成越区供电,即故障变电所担负的供电臂经开关设备由相邻牵引变电所进行临时供电。取瞬间故障电流I=4500A,得到电磁力与接触网拉出值、弓网系统振动间隙、牵引电流的变化关系如图8所示。图8表示牵引供电系统发生短路故障时,弓网系统电磁力与牵引电流、接触网拉出值以及弓网系统振动间隙之间的变化关系。由图8可以看出,电磁力的变化趋势与正常工况时的变化一致,电磁力随着牵引供电电流的增加而增大,对式(3)、式(4)进行化简,可以得出电磁力随牵引供电电流呈现平方增大的趋势。但当牵引供电系统发生故障时,弓网系统电磁力最大值瞬间可达40N,达到弓网系统正常接触压力的50%左右,严重影响弓网系统的动态性能。5弓网系统电磁力随时间的变化规律本文针对铁路接触网-受电弓系统,利用毕奥-萨法尔定律建立弓网系统感应电磁力的理论计算模型,应用MATLAB编程软件计算弓网系统的电磁力大小,分析电磁力的变化规律,主要包括接触网拉出值、车轨振动造成的弓网振动间隙以及牵引供电