电气化铁路及城市轨道交通弓网电弧特性研究综述

电气化铁路及城市轨道交通弓网电弧特性研究综述

目前，公共交通系统和城市轨道交通系统的网络系统主要采用弓网传输法为电力车提供能耗。一旦弓网接触性能不稳定或者发生分离,便会引起弓网燃弧现象。随着我国电力机车运行速度日益提高,牵引供电系统中接触网由于弓网离线电弧造成的电气烧伤事故越来越频繁。受流问题是制约电气化铁路提速的瓶颈之一,而弓网离线电弧是高速列车受流的关键问题。1弓网电弧产生原因弓网系统中受电弓与接触线的相互作用决定了牵引供电的可靠性和供电质量。当机车高速运行时,机车通过其顶部的受电弓从高压接触导线获取所需要的电流,当二者良好接触时,两者的电压相等。但在两者分离的瞬间,两者之间的电压差急剧增加,使得他们之间的气体发生“击穿”现象,从而引起气体放电现象,形成电弧。弓网电弧弧根往往是运动的,随着弓网离线距离的增大,电弧被拉长,弧柱半径减小,电弧电阻增大,弧柱温度急剧升高,此时的电子发射方式由场电子发射为主转变为热电子发射和光电子发射为主,随着机车继续前行,电弧进一步被拉长,直到电弧吸收的能量不足以维持电弧继续燃烧,电弧熄灭。弓网电弧的产生与接触网悬挂方式、外界环境、供电制式、列车运行状态以及弓网匹配等因素密切相关。因此,弓网电弧起因极其复杂,对弓网系统设备的影响差异也很大。一般弓网在列车运行弓网滑动接触过程、受电弓升降操作、受电弓经过电分段、滑板或接触物有异物、接触线表面不平顺或硬点等情况下产生电弧。2电弧模型的数值计算目前国内外研究的电弧模型种类很多,但是针对弓网电弧很少。主要的研究思路有两种:一种是研究电弧外部特性的数学模型;一种是研究内部物理特性的数学模型。1939年,CASSIE在国际大电网会议上提出黑盒电弧模型,从宏观角度研究电弧的外特性。1943年,MAYR提出MAYR电弧模型方程。电弧熄灭现象的分析也是由CASSIE和MAYR首先开始。CASSIE和MAYR提出的模型都是从能量流入手,以局部热平衡方程的成立为前提。CASSIE模型主要适用于电流过零点前的大电流燃弧期间,而MAYR模型适合于电流过零时刻的小电流期间。鉴于此,近年来提出了很多基于MAYR模型和CASSIE模型的改进电弧模型。文献基于电弧和火花放电理论提出一种混成电弧模型,该模型从宏观和微观的角度讨论电弧形成的触发因素和影响。MAYR模型和CASSIE模型都是黑盒模型,其基本思想是把电弧看做一个二端元件,以便抛开电弧内部复杂的物理过程,通过推测或假定电弧的某些内部特性参数后,用实验的方法来研究电弧的外部特性,即弧压与电弧电流的关系。20世纪70年代开始,对电弧模型的研究开始关注电弧内部复杂的物理过程。文献建立了开关电弧的一维模型,该模型假设电弧温度均匀或沿径向按一定规律变化,通过数值计算,得到各状态变量在轴向上随时间变化的情况。20世纪80年代电弧模型由一维模型发展到二维模型,但是这些二维模型对散热方式只考虑了对流和辐射等因素。20世纪90年代电弧模型的研究转向实际电弧熄灭的数值模拟,重点开始研究考虑电磁力、湍流、气体黏滞等断路器灭弧室实际因素的影响。20世纪90年代大多是通过气流场来了解电弧的性质,文献中NOVAK和MEUNIER将电弧描述为一个导电棒,电弧半径由柯西能量平衡公式确定,电弧运动速度的确定借助于激波理论和经验数据拟合得到。我国在开关电弧模型方面也取得了很大进展。刘晓明等提出在二维N-S方程和湍流模型求解基础上的喷口电弧等效电阻网格法,建立了新型电弧动态物理-数学模型。杨飞等在传统的质量、动量、能量守恒方程中引入了金属蒸气浓度方程耦合求解,以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础,推导得到了真空电弧的三维磁流体动力学(MHD)模型,并在计算中考虑了金属蒸气对于电弧等离子体热力学参数和输运参数的影响。文献阐述真空电弧的研究进展,指出燃弧阶段的等离子体参数、电流过零至暂态恢复的物理描述以及弧后电流的衰减准确计算3个目前需要继续研究的方向。近年来,国内外一些学者又从电弧的实际形态出发,将电弧假定为一条由若干电弧片断连接而成的链条,即看作运动的电弧链来研究电弧。HORINOUCH假定电弧是一条由许多电弧片连接而成的电弧条,电弧链的整体运动变化取决于电弧片的个体运动。国内近两年也有突破,文献采用链式电弧模型,分析并联间隙装置之间产生的电弧所受到的磁场力、空气阻力和热浮力,获得了电弧运动速度控制方程,建立考虑热浮力作用的架空线路并联间隙电弧运动模型。文献考虑了在开放空间下电弧产生的冲击波及强烈气流耦合电磁场等因素,基于电弧链式思想和经典激波理论来分析电弧在强烈气流影响下的受力情况,推导出电弧运动速度控制方程,并结合能量平衡方程及热交换原理,建立耦合场的电弧模型,最后通过有限差分法求解。此外,以同时考虑电弧外部特性和内部物理特性为出发点,文献提出结合物理模型和黑盒电弧模型的复合电弧模型,在多数据和多参数情况下,验证了连接的物理模型与电弧黑盒模型在电弧过零区域的准确性。针对弓网滑动电弧,文献用瞬态的电弧模型描述滑动弧的能量传递,并用近似的介质电导率和热扩散系数对模型进行简化,解决了由于电弧结构变化导致的移动边界问题。文献[26-27]讨论了电气化铁路弓网电弧的机理和影响参数。文献讨论了计及风影响的潜供电弧自熄特性计算研究,虽然不是研究弓网电弧,但思路值得借鉴。文献基于改进的MAYR黑盒电弧模型和时控开关仿真讨论了弓网分离产生的电弧行为与影响。综上,MAYR和CASSIE提出的电弧数学模型都从能量流入手,是研究电弧外部特性的数学模型。基于数值拟合的电弧模型能准确描述某特定场合的电弧特性,但其不具备通用性。基于经验公式的电弧模型表达式简单,但精度不高,且参数确定较为困难。基于等离子体控制方程的电弧模型能较好地描述电弧特性,但其求解方法复杂,结果有发散或振荡的可能。MHD电弧模型推导严密,物理概念清晰,但其边界条件的推导需要大量实验数据支持,否则难以实现。链式电弧模型能描述电弧从建立到熄灭的复杂物理过程,并可以结合电弧试验分析不同物理条件下的电弧特性。高速电气化铁路弓网电弧具有自身的特殊性:电弧可能受到高速动车运动引起的空气流动的影响、接触网和受电弓机械振动的影响和复杂大气环境的影响等,因而针对弓网电弧模型的建立还需考虑更多的因素。3弓网电弧电气特性研究进展目前,随着材料学、摩擦学等学科的发展,国内外针对弓网电弧的非电气特性开展了大量的研究工作,但是针对专门的弓网电弧电气特性研究并不是很多。3.1弓网电弧的载流特性及影响因素弓网离线电弧放电时会造成接触副表面温度的升高从而引起接触表面的氧化磨损和电弧烧蚀,进而导致摩擦副材料磨损的增大。近些年,国内外学者主要通过结合机械特性的电气特性对于电弧侵蚀进行研究,取得了众多成果。文献研究基于自收缩效应的电弧行为特性,揭示电弧起弧机理,分析电流对弧前自收缩过程的影响,研究电弧形态随电弧电压的演变规律。文献研制了一套弓网电弧试验系统,该系统能够模拟弓网柔性平直接触、滑板Z字形运动及垂向沉浮运动等弓网运动状态,并针对弓网电弧对接触网导线、受电弓滑板侵蚀严重、形貌特征等进行试验研究。文献[31-32]研究直流低电压、小电流下几种不同触头材料的电弧侵蚀量与分断燃弧时和触头表面形貌之间的关系,分析出了几种不同材料下的燃弧能量和分散电弧侵蚀的措施。文献对受电弓滑板-接触线间摩擦磨损性能机理进行研究,找出抑制电弧放电的方法,并讨论不同碳滑板倾角和法向力对纯碳滑板摩擦磨损性能以及受电弓碳滑板与接触网铜导线离线电弧特性的影响。文献以铜基粉末冶金-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电弧电气侵蚀的影响规律。结果表明,表面越光滑,燃弧时间越长,电弧能量越高;而电弧发生及能量大小的随机性与不确定性、电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。吴积钦等依据电接触理论对弓网系统电弧产生的原因及其影响进行分析,结果表明:弓网系统电弧有静止和运动两种状态,静止电弧在短时间内会烧损接触网线索,电弧运动速度越高,对接触网线索的热侵蚀程度就越轻。吴积钦等在文献中根据瞬态热传导理论建立弓网系统电弧烧蚀模型,分别对静止电弧和运动电弧在两种热流输入情况下接触线的热过程进行仿真计算。结果表明:静止电弧和运动电弧对接触线的电气侵蚀程度不同。郭凤仪等研制了弓网高性能滑动电接触实验平台,从理论和实验角度分析电弧对接触网导线、受电弓滑板的侵蚀特性。郭凤仪等在文献中进一步对法向载荷如何影响受电弓滑板和接触导线之间载流磨损特性进行实验研究,研究结果表明:当法向载荷大于某值时,主要磨损为机械磨损,法向载荷小于某值时,主要磨损为电气磨损。吴广宁等研究了弓网电弧的机理、动态特性和能量特性,并对弓网电弧的抑制措施进行探索。文献研究不同接触压力、牵引电流条件下的弓网静态接触电阻数学表达式,并且得到弓网接触压力小于70~80N时接触电阻随接触压力的增加急剧减少,当接触压力大于70~80N后,接触电阻随接触压力的变化近似恒定关系。文献通过在车载变压器高压侧并联一个适当大小的电容,降低电源及回路电感中能量在电弧中的消耗,最终实验得出当并联到车载变压器高压侧电容值取为8.3μF时,可以使弓网电弧的能量消耗降低40%,过电压降低30%。在文献中,针对受电弓弧的电参数如电压、电流和能量在不同负荷下的弓网电弧实验测试和详细分析,指出电弧电气侵蚀程度主要由电弧能量确定。综上,目前国内外针对基于电气特性电弧侵蚀的研究主要集中在定性的研究方面,虽然得出了普遍性规律,但是关于电弧侵蚀的机理研究还很不充分,尚缺少一个完善的接触线电弧侵蚀的物理模型用来计算接触线的受侵蚀程度。3.2电化学负载过流器放电能量的影响根据国内外针对基于电气特性电弧侵蚀的研究进展可以看出,目前关于电弧侵蚀的定量分析研究很少。因此,接触网系统电弧电气侵蚀应加强对电弧能量的深入研究,电弧能量大小直接关系到电弧侵蚀的程度。KUBO等在文献中提出了电弧能量的计算公式式中:E为单次离线的电弧能量,J;U为电弧电压,V;I为电流,A;Δt为燃弧时间,s。此外,电弧侵蚀量与电弧能量有如下关系式式中:Ws为受电弓和接触网材料的侵蚀量;E为电弧能量,J;a、b是与弓网材料有关的系数。王其平根据试验结果得出电弧侵蚀量与电流和电弧燃炽时间关系的数值表达式式中:Ws为材料的侵蚀量;I为电流有效值,A;ta为电弧燃炽时间,s;k为与材料有关的系数。国外的研究中,JEMMA等研究发现电感负载下电接触中电弧的能量是电阻负载下电弧能量的100倍左右,同时探讨了负载因素对电弧能量大小的影响。BORKOWSKI认为,电弧能量是通过电弧侧面损失的,能量损失的多少与电弧的几何尺寸密切相关,并给出电弧能量输入到电极表面的计算公式。SWIN-GLE认为,电弧能量输入到电极有辐射传输和电弧通道传输两种方式,辐射传输过程是电弧能量损失的主要原因,电极表面所得的电弧能量是部分辐射传输和全部电弧通道传输之和。国内的研究中,文献分析了触点分离初速度对液态金属桥能量、金属相电弧能量、气体相电弧能量以及电弧总能量的影响,论证了在一定条件下提高触点分离初速度有利于电弧燃弧能量的减少。周玮等探讨了电压和电流参数对直流电弧的影响,认为电压会极大地影响电弧的能量,电流对电弧能量的影响是线性的,同时阐释了电压和电流因素对电弧能量大小产生的影响。文献在开发的高速摩擦磨损试验机上,试验研究在交流电场和不同接触压力条件下电弧放电对纯碳滑板-铜接触线高速滑动摩擦磨损性能的影响,并分析弓网碳滑板的磨损率随电弧能量的增大而增加的比例关系。文献讨论负载特性对弓网电弧能量的影响,指出电弧的平均燃弧时间随着牵引电流的增大呈指数增长,且感性负载的燃弧时间较阻性负载的长;随着负载功率因数的增大,弓网电弧的能量逐渐减小。文献通过不同负载特性下弓网电弧耗能的研究,得出在典型参数下电容特性负载电弧消耗能量不超过电感特性负载电弧消耗的能量的35.59%的结论,并提出在车载牵引降压变压器的高压侧并联一个适当的电容或直流斩波技术实现电容特性负载的方案。弓网电弧能量大小的影响因素,除上述研究成果提及的因素外,还包括牵引供电系统拓扑、负载性质、电器元件参数、电源电压和负载电流运行参数、受电弓运动速度、离线时受电弓在水平方向和垂直方向上的移动距离、空气流动状态等影响因素。4弓网电弧电磁干扰研究减少弓网间电弧,降低因电弧造成的弓线侵蚀磨损,保证机车可靠运行,已是当前列车在高速和重载条件下受流必须解决的问题。针对弓网电弧的电气干扰,目前国内外的研究比较集中在过电压和电磁干扰的影响。文献对于弓网离线过程产生过电压过电流现象进行了深入研究。文献研究受电弓脱离接触网后产生的危害,并从电气角度分析受电弓离线时产生过电压的机理。吴广宁等通过对弓网电弧的电气特征试验分析发现,弓网系统起弧瞬间电流具有较大的过冲,弓网两端电压迅速下降;在电弧稳定燃烧时,电弧电压值相对较稳定,电流呈正弦规律变化。到目前为止,国外还很少见到对弓网电弧电磁干扰专门的研究报道。BRUNO研究弓网相对静止时升、降弓瞬间的电磁辐射问题。文献研究电气化铁路弓网电弧的电磁干扰,尤其是对各个电气设备的影响。国内,吴积钦等依据电接触理论对弓网系统电接触特点、接触电阻、稳态热效应、暂态热效应及电弧的产生进行分析研究,指出弓网系统电弧对周围环境虽产生电磁干扰,但却能保证电动列车正常取流的连续性。文献认为电气化铁道中的脉冲电磁干扰主要来源于弓网离线电弧。并根据离线电弧产生的机理和条件,建立SIMULINK仿真模型。文献根据电弧电磁骚扰的模型引入APD(幅度概率分布)的概念测量电弧放电电压等级。文献指出弓网离线电弧高频分量的频谱特征范围为3~50MHz,并且运用现代信号分析方法分析了频谱,同时基于频谱讨论了弓网电弧的抑制办法。文献设计一种基于高速摄像和碰撞式触头恒速分断的电弧实验系统,利用电弧实验平台,运用图像处理提取特征,得到了燃弧时间、弧根位置分布、质量转移等电弧及电腐蚀参数与吹弧磁场的关系。朱峰电磁场实验室在理论上对离线电弧电磁干扰的物理特性、数学模型、等效辐射天线模型进行研究,并进行现场测试及数据分析,得出离线电弧电磁干扰的幅频特性,并且提出利用在受电弓高压母线加载铁氧体磁环的方法抑制离线电弧产生的传导干扰。随着我国铁路列车运行速度的提高,弓网离线率明显上升。离线将引起接触网和受电弓之间产生电弧,特别是100ms以上大离线电弧会更多,影响会更大。5弓网燃弧状态检测技术随着列车高速化和重载化,弓网离线电弧检测将是未来评价高速铁路弓网受流质量的重要检测方式。目前,国内外研究弓网离线电弧检测的主要目标是通过对电量或非电量检测特征量的统计分析和对接触线每公里受流质量的量化来确定受流质量指数,以帮助检测和维修工作顺利进行。文献是一种将受电弓电流及其微分值作为检测特征量,将两者都为零的情形作为离线判定依据的方法,但该方法在受电弓电流波形畸变较大、电流大小急剧变化等情况下不能正确测定离线。文献[63-64]采用电流循环式离线检测法测量。根据试验,这种方法对离线火花检测正确率达99.5%以上,这种技术己经应用于我国JJC-1型接触网检测车上。文献根据离线时受电弓与接触导线间电阻变大的原理进行检测,该方法技术简单、费用低,为大多数接触网检测车所采用。文献采用受电弓与地间接入两个电容器和一个电阻的电阻-电容法,此方法测量精度高,己用于日本铁路检测车上。文献采用高帧率面阵相机的图像处理技术实现对弓网燃弧状态的实时检测,但缺点在于后台数据量过大,影响实时性。意大利比萨大学采用光电传感器探测弓网燃弧时发出的紫外光(175~195nm),在意大利ETR500高速列车上实现了弓网燃弧的精确测量。日本铁道综合技术研究所也开发出了原理相近的弓网燃弧检测装置。文献对基于弓网电弧电气参数和侵蚀测量的试验装置进行研究。文献采用迈克尔逊干涉仪与3个光纤传感器检测受电弓与接触网之间的静态和动态接触压力以及温度变化,并且试验模拟了根据电测量而采用的弓网接触传感器的性能比较。国内西南交通大学高电压实验室对弓网电弧检测做了大量工作,首先针对弓网电弧的过电压幅度和持续时间进行研究,与此同时,还对谐波频谱、电流波形畸变以及对牵引变压器的影响进行了讨论。另外,该实验室通过一种新的测试仪器得到了电弧电气电流的燃弧曲线。同时对不同负荷下的受电弓电弧参数(电压、电流和能量)进行测试,结果表明电弧的平均时间在一定工况下不随牵引电流变化而变化,在电弧能量降低时,负载功率因数也随之提高。该实验室还研制了一种新的受电弓弧试验装置,该装置可以模拟横向(曲折)运动、垂直振动和灵张力调整,对电弧电气参数与形态特征进行在线分析。此外,针对长间隙空气电弧检测方法,文献指出电弧温度是表征长间隙空气电弧物理特性的重要参量,该方法中采用光谱诊断法测量长间隙空气电弧温度,为分析输电线路潜供电弧的自熄特性提供了依据,对检测和分析弓网电弧也有很好的借鉴意义。6弓网电弧研究的下一步研究方向到目前为止,针对弓网电弧问题专门研究报道并不多,与之相关的电弧问题的研究主要集中在开关电弧模型的建立与分析、能量分布、对触头材料的侵蚀和载流摩擦磨损等方面;针对弓网的研究也都集中在机械接触等非电气特性上,针对弓网电弧模型和电气特性的分析和检测并不多。随着电气化铁路的重载化与高速化,弓网电弧现象越来越引起关注。针对弓网电弧的研究,下一步应从以下几方面进行深入研究:(1)在弓网电弧数学模型上,可以借鉴黑盒模型思路,通过实验室弓网电弧实验,获得大量电压、电流等电气参数数据,建立适合弓网电弧的阻抗模型;另外,针对高速条件下严重的拉弧现象,可以建立弓网链式拉弧模型,并研究弓网拉弧的熄灭机理和多场耦合分布。弓网电弧处于比其他领域电弧