（精密仪器及机械专业论文）弓网电弧机理试验台研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着列车速度的提高，受电弓接触线滑动接触产生电弧的几率增加，弓网集电可靠 性受到严重挑战，弓网电弧的影响因素很多，相关理论匮乏，发展我国的高速铁路技术 急需开展相关的试验。为此，本文围绕弓网电弧机理试验台进行了相关研究： 首先，研究分析了电弧的理论知识，根据弓网摩擦副的特殊性，得出了影响弓网电 弧的主要因素，包括：弓网相对滑动速度，电极材料及其几何形貌，电极的位置关系， 电压、电流，电路阻抗特性以及弓网所处的外部环境。分析得出了弓网电弧机理试验台 的基本设计原则。 其次，研究分析了接近实际的弓网电弧机理试验台实现方案：将接触线制成正八边 形，通过垂向、横向悬挂将其水平固定在空中，水平转臂由安装在中心位置的主轴驱动 旋转，且处于接触线下方，而碳滑板安装在水平转臂的一端，实现弓网的高速相对运动。 然后，研究了试验台弓网接触压力或间隙的控制装置，该装置主要采用电磁激振器 实现弓网间隙控制。分析了电磁激振系统的力平衡模型与控制特性，通过分析计算，得 到弓网间隙与励磁电流的变化曲线图。 再者，研究了试验台的系统检测方案：当碳滑板高速旋转时，接触线与碳滑板的相 对距离是否保持一致，决定着能否实现试验台弓网电弧的可控产生。试验结果表明，只 能采用对射式激光测量仪检测模拟接触网线的相对高度。通过增加辅助基准平台，可以 实时检测水平转臂的振动量；采用增量式编码器可以实现对水平转臂转速的实时测量。 最后，通过对列车集电方式的研究，发现随着速度的提高，滑动接触集电，将会遇 到极大的困难。为此，将考虑采用非接触式集电方式，建议对本试验台进行改进，展开 对最具发展前景的弓网电弧集电的试验研究。 关键词：弓网电弧；试验台；电磁激振器；电弧集电 西南交通大学硕士研究生学位论文第t t 页 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gv e l o c i t yo ft h er a i l w a yv e h i c l e ，t h ep r o b a b i l i t yo fe l e c t r i c a r cb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc o n t a c tw i r ew i l lb ei n c r e a s e d a n dt h e r ei sc r i t i c a l c h a l l e n g ef o rt r a n s m i t i n ge l e c t r i c a le n e r g y t ov e h i c l es t a b l yb yp a n t o g r a g h c o n t a c tw i r e m e a n w h i l e ，t h e r ea r ev a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h ee l e c t r i ca r c b e t w e e np a n t o g r a g ha n dc o n t a c tw i r e w h a t sw o r s e ，w ek n o wl i t t l ea b o u tt h e i n t e r r e l a t e dt h e o r y a sar e s u l t w en e e dt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ha b o u tt h ee l e c t r i c a r cb e t w e e np a n t o g r a g ha n dc o n t a c tw i r ei m m e d i a t e l y ，i no r d e rt od e v e l o pt h e t e c h n o l o g yo fh i g h - - s p e e dr a i l w a yv e h i c l ei no u rc o u n t r y s o ，t h i sp a p e rc a r r i e s o u tt h ei n t e r r e l a t e dr e s e a r c hf o rt e s t - b e do fe l e c t r i ca r cb e t w e e np a n t o g r a g ha n d c o n t a c tw i r e f i r s t l y ，i n t e r r e l a t e dt h e o r yo ft h ee l e c t r i ca r c i sa n a l y z e d a n dt h ep r i n c i p a le l e m e n t s a f f e c t i n ge l e c t r i ca r cw e r ef o u n do u t ，a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ep a n t o g r a g ha n dc o n t a c t w i r e t h o s ee l e m e n t si n c l u d et h ea r cl e n g t h ，r e l a t i v e l ys p e e db e t w e e np a n t o g r a g ha n dc o n t a c t w i r e ，e l e c t r o d em a t e r i a l sa n dg e o m e t r y ，p o s i t i o no fp a n t o g r a g ha n dc o n t a c tw i r e ，c u r r e n ta n d v o l t a g el e v e l ，p a r t i c u l a r i t yo fc i r c u i ti m p e d a n c ea n dw e a t h e rc o n d i t i o n t h eb a s i cd e s i g n i n g p r i n c i p l ef o rt h et e s t b e do fe l e c t r i ca r cb e t w e e np a n t o g r a g ha n dc o n t a cw i r ew a sa l s of o u n d o u t s e c o n d l y ，t h et e s t b e ds c h e m eo fe l e c t r i ca r cm e c h a n i s mo fp a n t o g r a g ha n dc o n t a c t w i r ew a sa n a l y z e d ，w h i c hi sm o s tc l o s et ot h ea c t u a lc o n d i t i o n t h et e s t b e dw o r k s l i k et h ec e n t r i f u g e t h ec o n t a c tw i r ei s h a n g e di n t h ea i rb yt h ev e r t i c a la n d h o r i z o n t a li n s u l a t o r ，w h i c hi sm a d ei n t or e g u l a ro c t a g o n t h eh o r i z o n t a lt u r n i n g a r mi sj u s tb e l o wt h ec o n t a c tw i r e ，w h i c hi sd r i v e db yp r i n c i p a la x i si n s t a l l e di nt h e c e n t r a lp o s i t i o n t h ec a r b o nb o a r di si n s t a l l e di nt h ee n do fh o r i z o n t a lt u r n i n g a r m t h e n ，c a r b o nb o a r dc a nr o t a t ew i t ht h eh o r i z o n t a lt u r n i n ga r ma t h i g hs p e e d t h i r d l y , c o n t r o l l i n gd e v i c eo fc o n t a c tp r e s s u r ea n dg a pb e t w e e np a n t o g r a g h a n dc o n t a c tw i r eo ft h et e s tb e dw a sr e s e a r c h e d ，w h i c hu s ee l e c t r o m a g n e t i cs h a k e r t oa c h i e v et h eg a pc o n t r 0 1 t h em o d e lo ff o r c eb a l a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f c o n t r o lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs h a k e rs y s t e mw a sa n a l y z e d t h ec u r v eo fg a p b e t w e e np a n t o g r a g ha n dc o n t a c tw i r ea n dc u r r e n tw a sg a i n e d f o u r t h ，t h et e s t i n gm o d e lo ft e s t b e ds y s t e mw a sr e s e a r c h e d w h e t h e rt h e r e l a t i v ed i s t a n c eo fc a r b o ns k a t e b o a r da n dc o n t a c tw i r ei sc o n s i s t e n td e t e r m i n e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t i 页 w h e t h e rt h eg e n e r a t i o no fa r ci sc o n t r o l l e d ，w h e nt h ec a r b o ns k a t e b o a r di sr o t a t i n g a tah i g h - s p e e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti t st h eo n l yw a yt om e a s u r et h er e l a t i v e d i s t a n c eb yu s i n gt h el a s e rm e a s u r e m e n t t h ev e r t i c a lv i b r a t i o no ft h eh o r i z o n t a l t u r n i n ga r m c a nb em e a s u r e da tr e a l t i m eb yu s i n gt h ea u x i l i a r yr e f e r e n c e p l a t f o r m t h er o t a t i o ns p e e dc a nb ea l s o m e a s u r e da tr e a l - t i m eb yu s i n gt h e i n c r e me n t a le n c o d e r a tl a s t ，t h ee l e c t r i cc o l l e c t i o no ft r a i nw a sr e s e a r c h e d a n dt h e nw ef o u n dt h a t i t s v e r yd i f f i c u l t f o rt r a i nt ou s et h ec o n v e n t i o n a ls l i d i n gc o n t a c tf o re l e c t r i c c o l l e c t i o n ，w h e nt h et r a i nm o v e sa th i g h - s p e e d s o ，c o n t a c t l e s sp o w e rc o l l e c t i o n w i l lb ec o n s i d e r e d af u r t h e rr e f o r mf o rt h et e s t b e ds h o u l db es u g g e s t e di no r d e r t ou n d e r t a k et h er e s e a r c ha b o u tp o w e rc o l l e c t i o nb ye l e c t r i ca r cw h i c hi st h em o s t p r o m i s i n go fa l lc o n t a c t l e s sm e t h o d so fp o w e rc o l l e c t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i ca r co fp a n t o g r a g ha n dc o n t a c tw i r e ，t e s t - b e d ，e l e c t r o m a g n e t v i b r a t o r ，p o w e rc o l l e c t i o nb ye l e c t r i ca r c 西南交通大学曲陶父逋大字 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。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 丰磷鼬 日期：a o o , 反7 7 司舛笋 日期：湖f 口，历 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： 一、以电气工程中的电弧理论为基础，结合其它工程领域的研究，探讨了 弓网电弧的影响因素、表征方法及其特殊性。 二、根据对弓网电弧的认识，现有试验台存在的缺陷，研究得出了更接近 实际工况的弓网电弧机理试验台的独特结构。 三、设计弓网电弧间隙控制装置，建立模拟受电弓的受力模型，分析了模 拟受电弓的力平衡条件，以此为基础，结合电磁力有关计算方程。 四、研究分析了试验台系统的检测方案，并重点分析了模拟接触线的相对 高度检测方法，试验确定了采用对射式激光测量仪的检测方案。 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，均己在 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： 声磷都 日期：b 口7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百 下匕 1 1 弓网电弧机理研究的必要性 轨道交通一直以铁路运输为主体，铁路运输自1 8 2 5 年诞生以来，一直被视为工业革 命的象征和先驱，也是国民经济发展的基础之一1 _ 3 1 。目前，世界铁路总里程达到了1 2 8 万公里以上，主要集中在欧洲和北美，约占总里程的7 0 以上；亚洲仅仅居第三位，约占 1 2 。而铁路里程超过5 万公里的国家有美国、俄罗斯、加拿大、印度和中国。随着铁路 运输的不断发展，电力牵引己成为铁路机车首选的牵引方式，同时，电力牵引作为轨道 交通牵引动力，在世界范围内正得到不断的发展。目前，世界电力牵引铁路线路里程达 到总里程的2 0 以上，但完成了4 5 以上的运输量。 目前世界各国都在大力发展高速铁路，以期提高交通运输能力。高速铁路事业的发 展，必须面对三个方面的关键技术问题【7 】：车辆技术、制动技术和接触网技术。接触网技 术的研究包括碳滑板材料的载流摩擦磨损研究，碳滑板与接触线的配副研究，如何降低 离线率，以及弓网电弧机理的研究等方面。 接触网技术是保证机车是否能够稳定、持续地获得电能，关系到机车行车安全的关 键技术。随着列车速度的不断提高，如何保证机车稳定、持续地获取列车安全、稳定运 行所需要的电能成为了国内外相关专家研究的焦点，因为，接触网线和受电弓均是相互 独立的弹性系统，随着列车速度提高，受电弓在与接触网线的高速滑动过程中难免产生 弹跳而离线，从而产生电弧。这是我们极不希望发生的事情，弓网离线率过高将给列车 高速运行带来极大危害，如机车稳定受流的中断、电磁干扰、产生电弧时使车载电器承 受高频振荡过电压、弓网材料的烧蚀等，对弓网材料的烧蚀，轻则缩短接触导线的使用 寿命，重则烧断接触导线，酿成重大事故，在电弧的作用下，受电弓碳滑板会加剧磨损， 缩短其使用寿命，大大增加了维护工作量。高速铁路工程技术发展较早且水平较高的国 家如德国、t 日本等主要采用机械技术，根据接触网和受电弓的运动规律，采取措施使接 触网和受电弓的机械匹配关系最佳，达到减少受电弓离线率的目的。日本规定高速铁路 受电弓离线率控制在5 以内，最高不超过2 0 ；德国规定高速铁路受电弓离线率控制在 5 以内。但根据欧洲标准，高速铁路的离线率应当在0 1 4 范围以内。这些发达国家也无 法采用机械技术把离线率控制在需要的水平以内，达到完全消除弓网电弧危害的目的， 且资料表明，当高速动车运行速度超过2 0 0 k m h 时，弓网离线率极高，弓网电弧极为严 重，成为阻碍列车速度继续提高的瓶颈。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国铁路第六次大提速后，不仅原来的货运列车和客运列车的运行速度得到了相应 的提高，而且开通了时速为2 0 0 - - 3 5 0 k m h 的高速动车组，各种机车的运行速度差别越来 越大，对弓网关系的要求也是千差万别。由于列车运行速度的不一致，机车在运行时需 维持稳定的载流性能和滑动接触状况，所需要的接触压力不同；不同的机车由于承载量 不同，机车需要从接触网上获取的能量、电流大小也是不相同的。因此，不同机车在运 行过程中随着速度、承载量等的不同，所产生的电弧强度也不同，电弧造成的影响也不 一样，而且，随着速度的提高，弓网电弧对列车受流品质、弓网烧蚀的影响就越来越明 显。因此，建立弓网电弧机理试验台，以便对弓网电弧进行研究，确定其产生机理、电 弧特性( 包括电学、温度、几何形状) 、运动条件下电弧产生、维持条件、弓网电弧弧根 运动特征和弓网电弧所产生的电磁干扰，已经成为了进一步发展高速铁路所要面临的首 要问题之一。 1 2 弓网电弧试验研究现状 1 2 1 国外弓网电弧试验研究现状 国际上对弓网电弧的研究开始较早。早在上个世纪6 0 年代，国际上已经就高速列车 的集电方式进行了各种试验，法国和日本对高速列车的试验结果表明，采用传统弓网滑 动接触的集电方式，列车可能达到的最高速度为3 0 0 k m h ，但这个速度使列车伴随出现很 多人们不希望出现的问题，如离线率变高，产生电弧的频率加快等问题。 瑞典建立了受电弓接触网相互作用试验台，接触网布置成圆形，受电弓通过绕圆心 转动的长杆带动下运行，可以进行受电弓接触网相互作用研究，尤其考虑了弓头侧滚方 向转动，但是受电弓模型过于简单化，而且接触网布置与现场差异较大。 2 0 0 2 年欧盟组织通过对铁路电气系统中存在问题的研讨【黏1 0 】，决定成立o h li c e t e a m ，且由庞巴迪公司和瑞典a b b 公司牵头，建立室内试验台，以便研究、了解弓网电 弧的物理过程和产生机制。试验条件：接触网线嵌在转盘边缘的凹槽内，转盘由变速电 机驱动，接触网线最大线速度为3 0 m s ；受电弓由另外一个电机驱动，在垂直于转盘方向 上做往复直线运动，运动速度大概为3 0 m s ，模拟实际线路中接触线“之”字运动；试验 台的电源由发电机单独提供，试验最高电压为5 k v 左右，试验最大电流6 0 a 左右。 在研究弓网电弧时，他们用摄像机拍摄电弧的形状，一个1 0 微欧的分流电阻对电流 进行测量，电阻式分压器和带宽为卜2 0 k h z 的隔离放大器测量电压u ( t ) ，采样频率为 2 0 万帧秒的多通道瞬态记录仪记录电弧电压、电流、转盘转速和电弧伏安特性波形等。 该试验台装置如图i - 5 、图i - 6 和图i - 7 所示，通过试验，发现电流在过零点时，电压波 苴霍銮鎏奎兰翟圭2 窒兰耋堡垒圣翌：至 s r l 圈1 5 试验台原理框图 ( m eh l r m 雌【i dm q u e n c h i 畔“，fa l c h m c n l f l ：3b u m 1 p f m 1 h er o l u l l 1 1 lc s | 】i i 图1 - 6 试验过程中观察到的电弧 f i p e 、帅r “p 怖i c e 嘲1 【 “l i i h 凹】一7 试验台模型 形呈现不同程度的畸变，这主要取决于电流在零点处停留的时间、转盘的转速和电弧电 流大小，当电弧产生和电压产生畸变时，会造成非常严重的影响。受电弓电弧会发射宽 频电磁波，电压畸变会产生直流分量，使得这些电磁波和直流分量在整个铁路系统中进 行传递，包括：铁道车辆、铁路线路、轨道电路、在同个轨道上的其它机车、变电所、 车辆变压器等，干扰牵引功率和轨道电路的基本信号通信系统。 塑圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 _i i 1 2 2 国内弓网电弧试验研究现状 相比之下，国内开展对弓网电弧机理的研究起步较晚，且大部分的试验台都是为了 研究分析弓网载流摩擦磨损，寻找载流摩擦磨损规律、弓网最佳摩擦副，主要从弓网材 料匹配、弓网动力学方面对弓网进行研究，且试验台的试验电压、电流都很小，转速很 低，而对弓网电弧的试验研究，国内几乎没有。 戴利民等【i2 】建立了受流摩损试验机，研究铝包覆浸金属碳滑板材料受流磨损的性能 特征，试验方案如下：铜接触导线装在直径为2 m 的圆盘外缘上，圆盘两端各有一块滑板 - 组件压在铜导线上，圆盘由主滑差电机带动旋转，电机转速可调，曲柄连杆机构带动滑 板组件在接触导线上做横向往复移动，模拟实际滑板与接触导线的“之 字运动方式， 往复距离1 5 0 r a m ；圆盘最高转速可达1 6 0 k m h ，试验电流最大为2 0 0 a 。其试验机原理图如 图卜8 所示。 1 滑块组件；2 铜接触导线；3 圆盘；4 主滑差电机； 5 一光电传感器；6 计算机：7 曲柄连杆机构 图1 8 滑板导线受流磨损试验机原理图( 戴利民2 0 0 2 ) 67 891 0 1 传动带；2 主电机；3 传动轴：4 扭矩测量仪；5 一摩擦盘； 6 销试样；7 试样夹；8 绝缘层9 固定架；1 0 轴。 图1 9 摩擦磨损试验机结构简图( 铁喜顺2 0 0 7 ) 铁喜顺等研制了h s t 一1 0 0 型高速载流摩擦磨损试验机，如图1 - 9 所示，其主要性 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 能参数能满足模拟高速铁路实际工况下的速度、载荷及电流等参数的要求，能够对不同 材质的摩擦配副材料进行高速工况条件下的载流摩擦磨损试验。该试验机为销一盘式摩擦 磨损试验机，最高速度可达l o o m s ，最大载荷5 0 0 n ，最大电流为3 0 0 a ( 负载持续率1 0 0 时的最大电流2 0 0 a ，电流密度为4 a m m 2 ) 。 郭风仪等n 研制了一台高性能滑动磨耗实验机，目的在于研究受电弓滑板与接触导 线的载流磨耗特性，实验机的机械部分主要由传动轴与转动盘、横向移动台和两个纵向 移动台三部分组成，实验机机械原理见图i - i 0 。该试验台的实验条件如下：实验机的转 动盘由变频器控制的三相异步交流电机驱动，电机功率为7 5 k w ，电机最高转速可达 3 0 0 0 0 r m i n ，转盘和皮带轮通过轴承组件固定于支架上，两轴承组件之间通过联轴器连 接转矩传感器和转速传感器，转动盘的边缘处有用于镶嵌接触导线的凹槽，导线放入凹 槽后由带引脚的导线固定压板固定，转盘采用铸铝制造，直径为2 m ，其最高转速为 1 5 0 0 r m i n ；试验用电流源用大电流发生器，其最大输出电流为8 0 0 a ，大电流发生器的容 量为6 k v a ，大电流发生器通过隔离变压器与电网进行隔离，机械装置与接触导线之间可 不用进行绝缘处理。 图1 1 0 实验机机械结构原理图( 郭凤仪2 0 0 7 ) 徐晓峰等印研制了载流摩擦磨损试验机，并在这个试验机上，系统地研究了载流 电流密度、滑动速度与接触压力对摩擦磨损特性的影响规律。该试验机的结构如图1 - 1 1 所示，试验装置由销一盘式摩擦副、载流回路及相关检测系统等组成。他们做试验的部分 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 条件参数如表卜1 所示，根据试验结果，得出如下结论：载流条件下材料的磨损是单纯 摩擦磨损与电弧侵蚀磨损共同作用的结果；对于单纯的摩擦磨损，速度越高、接触应力 越太，材料的磨损越严重i 摩擦副的摩擦系数越大，摩擦热越高，材料性能越弱化，材 料的磨损也越严重，而对于电弧侵蚀，电弧越严重，则磨损就越严重，并得出了在不同 载流摩擦条件下摩擦表面的电弧发生情况，如图1 1 2 卜1 4 所示。他们所做的系列试 验，也只是为了说明电烧蚀是弓网载流摩擦副磨擦磨损的主要圆素，特别是电弧烧蚀， 但并没有对电弧机理进行研究。 表i 1 试验条件 自燎 图i 1 l 载流摩擦磨损试验机结构( 徐晓峰2 0 0 8 ) r b l 06 a r a m 图l - 1 2 不同电流密度f 摩擦副问的电弧变化( 载荷o3 7 m p a ，滑动速度5 0 m s ) 至要耋鎏奎兰至圭丝圣兰兰堡兰圣翌：圣 变化( 电 ( a ) oi5 m p a( b ) o4 5 m p a 图1 1 4 不同接触压力下配副问的电弧变化( 电流密度04 5 a r a m2 。速度5 0 m s 1 3 本课题的研究意义 从以上国内外弓网电弧机理试验台研究现状来看，国外早在六七十年代就建立了弓 网电弧试验台，对弓网电弧进行了广泛而深入的研究：研究了弓网电弧产生、重燃条件； 弓网电弧影响因素；弓网电弧电特性。而围内建立试验台的时间较晚，且所建立试验台 的用途主要是研究弓网载流摩擦磨损机理，寻找最佳弓网配副材料，确认了弓网载流磨 损摩擦的主要因素为电烧蚀：也有部分试验台用于研究弓网动力学问题。但是对影响弓 网载流摩擦磨损的主要固素电弧的研究几乎为零，国内对弓网电弧的试验研究几乎 是空白的。与此同时，国内外试验台大部分都是采用销盘式运动结构，模拟接触网线旋 转，模拟受电弓碳滑板做直线往复运动，从而模拟实际线路弓网间之字形的高速滑动， 但这与实际中的弓网相对滑动不同，实际线路中，接触网线静止不动，而受电弓相对接 触网线做高速滑动。除此之外，国内外各种试验台的试验电压低、电流低、速度低。 随着我国高速铁路的进一步发展，高速列车所需要的能量超过了8 0 0 0 k w ，这个大能 口一一酮 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i_iii iii一i i i i i i 宣i i i i 量只能通过高速滑动接触的接触网线受电弓获取。但是，随着速度的提高，弓网问题越 来越突出，成为列车进一步提速、稳定受流的关键因素之一。2 0 0 6 年7 月在胶济线上的 试验录像资料显示，当列车速度达到2 0 0 k m h 时，弓网电弧极为严重，弓网离线率大大 提高，严重影响列车的受流品质，使弓网摩擦磨损更为严重。资料表明，在交流牵引中， 由于弓网电弧的存在，当交流电流过零点时，电压将会发生畸变，使电压正弦波形失真， 从而产生直流分量，除此之外，弓网电弧还会产生宽频电磁波。这些电磁波和直流分量 会在整个铁路系统中进行传递，包括：铁道车辆、铁路线路、轨道电路、在同一个轨道 上的其它机车、供电变电所、车辆变压器等。这些都会干扰铁道通信系统，影响列车运 行的安全和可靠。 目前为止，我国对弓网电弧机理的研究几乎没有，为了高速铁路的进一步发展，提 高列车速度、受流品质，保证列车能够安全、可靠、稳定的运行，必须要建立弓网电弧 机理试验台，对影响弓网电弧的相关参数进行检测分析，深入了解弓网电弧机理，形成 具有我国自主的关于弓网电弧的知识理论，为高速铁路的进一步发展提供理论参考。对 国内外弓网电弧机理试验台的研究情况分析表明，国外早在六七十年代就已经展开了对 弓网电弧的研究探讨；目前，国内已建立的试验台大部分都用于研究弓网载流摩擦磨损 规律以及弓网动力学，而用于专门研究弓网电弧机理的试验台几乎没有。 1 4 本论文完成的工作 本文以9 7 3 项目为依托，按照实验研究工作的要求，旨在建立与实际情况相近的弓 网电弧机理试验台，以便开展弓网电弧的实验研究。为此，完成了如下工作： ( i ) 查阅相关资料，重点研究电弧产生机理、特性与表征方法，分析得出弓网电弧 试验台的设计原则。 ( 2 ) 查阅国外文献包括专利资料，提出弓网电弧机理试验台概念方案。 ( 3 ) 重点研究了试验台弓网接触压力、弓网间隙的保障措施与实现方法。 ( 4 ) 重点研究弓网电弧机理试验台的几何检测方案。 ( 5 ) 探讨弓网电弧集电试验的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章弓网电弧机理的研究 弓网为高速运行的列车传递电能，属于电气工程特殊设施，然而目前对与弓网电弧 的理论研究较匮乏。本章以电气工程中的电弧理论为基础，结合其它工程领域的研究， 探索弓网电弧相关特性，为弓网电弧机理试验台的建立提供设计依据。 2 1 电弧的基本理论 2 1 1 电弧的定义 电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。电弧是自持放电的一种形式，并且可以认 为是放电的最终形式；电弧可以由其它不同的放电形式转变而成，但通常它是由辉光放 电形成。电弧与其它放电形式不同，它的主要特点是电流密度大和阴极电位降低，电弧 的本质是一团等离子体，电弧的燃烧过程也就是电和热相互作用的物理过程。 电弧可以分为三个区域：阴极电位降区域、弧柱和阳极电位降区域。但形成电弧放 电的极大部分电子是在电弧阴极产生，或者就由阴极本身发射的，因此电弧阴极所发生 的物理过程对电弧影响较大。电弧阴极的过程与辉光放电不同，从辉光放电变到电弧放 电时，阴极电位降显著地降低，阴极电流密度剧烈地增加。由于阴极过程具有热电子发 射和场电子发射双重特性，电弧又可以分为热阴极电弧和冷阴极电弧，热阴极电弧是指 电弧的阴极能够加热到发射热电子所需的温度而产生的电弧。冷阴极电弧则指，在电弧 放电时阴极上没有任何一点被加热到发射热电子所需的温度。所有低沸点金属的电弧阴 极均属于冷阴极电弧。但难熔金属也可能作为冷阴极，在一定的条件下，对于难熔金属 来说，冷阴极电弧可转变为热阴极电弧。 图2 - 1 所示为各种气体的冷阴极电弧在产生过程中的静伏安特性，电源采用直流电 源，整个试验装置放于一个低气压( 大约1 3 3 p a ) 放电管内( 直径为l o a m 、电极距离为 几个a m ) 。当加于气体间隙两端的电压从很小数值逐渐加到一定数值时，就发生气体放电 现象。从图中可以看出，辉光放电时电流较小，只有1 0 叶a 到1 a ，而电压却很高，4 0 0 v 左右，当电流达到i o a 左右时，两极间只需要很低的端电压( 大概1 2 v 左右) 就可以产 生电弧；然而如果电路中电流很小( 通常低于i o a ) ，即使端电压很高，也几乎不可能有 电弧的产生；正常情况下，随着电流的缓慢增加，电弧由辉光放电逐渐转变到电弧，然 而如果在在这个过程中，电流突然间增大到i o a 左右，无论当前处于哪个阶段的放电形 式，均会极快地转变为电弧放电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 j 姗 咖 伽 蝴 抛 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 按照触头分开和闭合过程中触头材料转移的方向，可以将电弧分为阳极电弧和阴极 电弧两种形式。前者是以阳极蒸发为主，后者是以阴极蒸发为主。根据所发生的电弧形 式，还可以大致地确定触头材料的损耗和转移方向。 按照电弧的作用，最重要的有焊接电弧、电炉电弧、高强度碳弧、汞弧以及在开断 电器中所发生的开短电弧。 按照电弧电流的性质，可分为直流电弧和交流电弧。 按照电弧电流的频率，可分为工频( 5 0 娟0 h z ) 、中频( 1 0 0 _ 5 0 0 h z ) 和高频( 5 0 0 h z 以上至1 0 0 0 0 h z ) 电弧。此外还可按照阳极现象、阳极结构等分类。 2 1 3 电弧的相关应用 随着科学技术和工业的发展，很多研究者根据各个领域的应用需要，对电弧展开了 研究，下面列举了相关的特殊应用理论，是我们研究弓网电弧宝贵资源。 1 、电弧焊接：在电弧焊接过程中，棒和板都是电极的结构布置，其中棒是电焊条， 板是工件。棒电极，不管它是阳极还是阴极，均对电弧起主要的影响，因为电流流向工 件，引起纵向电磁力，该磁力使材料从电焊条向工件转移。在焊接电弧中阴极和阳极现 象，特别是阴极现象是非常重要的。除少数特殊情况外，在直流钨一惰性气体保护焊中 钨电极总是负的，而金属一惰性气体保护焊中金属电极极性是正的。在进行电弧焊接时， 最不希望有阴极斑点的运动，因为这使方向失去控制，所以现在用作棒电极的材料大部 分采用钨，或者在钨棒端上的尖点和用敷钍或敷锆的钨棒来免除阴极斑点运动。且当棒 电极是阳极时，斑点产生的力是轴向和有规则的，所以当棒电极为正时，焊接过程中金 属转移一般比较容易控制。借此，得出当弓网电弧产生时，不同电极材料对材料转移影 响。 2 、电弧炉：近年来电弧炉的应用日益增加，并制造更大容量的设备，有一部分钢是 用电弧炉生产的。电弧发生扎起垂直的石墨电极( 在4 0 m w 电弧炉中石墨直径为6 1 0 m m ) 和钢之间，开始时，钢材料处于固态，然后在电弧的作用下，就成为了液态。国产三相 电弧炼钢炉容量为1 0 0 t ，最大电流为3 8 6 k a 。冶金领域产生电弧的材料为碳钢，可以 借鉴其相关理论，用以分析碳铜材料的电弧。 3 、电弧用作光源。电弧可用作光谱源、可见的辐射光源和紫外线及红外线源。电弧 广泛应用于照明仪器中，在一些情况中是利用电弧的高光输出，在另一些情况中是利用 它的亮度。作为光源的电弧，有在空气中自由燃炽的碳弧和在封闭容器中的汞弧及惰性 气体中电弧，碳弧是最早应用于光源的，一般碳弧的阳极斑点温度约为3 7 0 0 0 c ，其光亮 度为1 7 0 c d m m 2 。借此可以了解电弧的温度、电辐射，为温度检测、电辐射研究提供依据。 4 、阴极射线管中电弧的抑制。当在阴极射线管中发生燃弧时，在2 0 0 - - 3 0 0 n s 内可 以达到几百a 的峰值电流，因而能持久地损坏阴极、加热器和电路元件。可以采用一些 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 方法来降低燃弧的严重性，如用改变玻璃泡的形状，改变电子枪电极的形状和表面平滑 度，用高电压改善燃弧过程来清除剩余的尘埃和场致发射点，这样可以减少燃弧的发生。 采用火花间隙冲剂放电器、在颈部区域放置金属氧化物的冲击限制电阻材料、用陶瓷电 阻器等方法可以减少燃弧造成的损害。借此可以知道，电极材料及位置关系、几何形貌 及其表面光洁度对电弧的产生、燃弧时间均有影响，为探讨弓网电弧影响因素提供参考。 5 、高速运载工具的电弧集电。目前大部分运载工具均采用滑动接触系统，而且还达 到了很好的效果。在最近2 0 年中，在更高速度和电流密度情况下采用滑动接触，取得了 很大进展，滑动接触已表明能控制足够高的功率和电流密度。但是仍然采用滑动接触进 行集电，也必然会产生很多问题，如高速铁路，随着速度的提高，离线率加剧，弓网磨 损磨耗加剧，严重影响着列车运行的安全性和稳定性。因此，在高速运载情况下，也有 人曾经提出了非接触式集电系统，然而经过一系列试验后，认为涉及电弧的非接触系统 似乎还不现实。关于高速运载工具采用电弧集电的设想还有待证明，需要对电弧做更加 广泛而深入的研究。 8 、电磁发射装置。由于在能量存储、开关转换、直线加速器、磁悬浮和大电流密度 的滑动接触等技术上有了新的进展，这些新的进展结合起来，使电磁发射装置的发展成 为可能，从而运载工具从几g 大小的弹丸范围，能够达到约l o k m s 的超音速。 目前，虽然对电弧在很多应用领域内分别进行了不同程度的研究，但研究最多的是 关于开关电器、真空等方面的电弧特性，且主要研究了电触头材料的电弧侵蚀机理，并 认为触头材料电弧侵蚀是指电极表面受电弧热流输入和电弧力作用使触头材料以蒸发或 液体喷溅、或固态脱落等形式脱离触头本体的过程。在研究电触头材料电弧侵蚀机理时， 集中在高压开关电器方面，且电极配副材料主要集中在以下几个方面：a g m e o 系( m e 包括c d 、s n 、z n 等) ；a g n i 系；a g c 系、a g w 和碳对钢。而对与我们所关心的弓网c c u 配副材料的电弧研究几乎没有，且弓网电弧产生的环境、条件也与其它应用领域不同。 下面根据相关的电弧理论和弓网摩擦副的特殊性，研究其影响因素和表征方法。 2 2 弓网电弧的影响因素 高速铁路运用的弓网是一对特殊的受流摩擦副，属于电气工程特殊设施，其特殊性 主要体现在以下几个方面： 1 、弓网相对滑动速度高：随着高速铁路的发展，列车速度越来越高，目前我国高速 列车的运行速度达到了3 8 0 k m h ，弓网相对滑动速度达到了1 0 6 m s 。从上面分析可知， 电弧本质是一团等离子体，列车在高速运行时，气流对电弧的影响将是至关重要的，而 处于气流中的电极位置、电极边界几何形貌等很大程度上决定了电弧受气流影响的程度。 2 、高压、强电流：电力机车和动车组所需能量均来自受电弓接触网这对摩擦副， 其对地电压高达2 7 5 k v 。目前，列车运行速度达到了1 0 6 m s ，弓网所传递的能量超过了 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 8 0 0 0 k w ，通过弓网接触点的电流超过3 2 0 a 。 3 、接触压力周期随机变化：接触导线是一种轻型弹性悬挂系统，受电弓也是一个独 立的弹性系统。弓网在做高速相对滑动时难免发生弹跳、碰撞，产生离线，导致受电弓 与接触网之间的呈周期性随机变化特性。 4 、环境条件复杂多变：弓网系统是在露天野外完成作业的，露天野外环境恶劣， 复杂多变，受冷热、雨雪、冰冻、酸雨、沙尘、空气、地域等因素所影响。 正是因为弓网间存在着这样的特殊性，使得列车在高速运行时，弓网间接触压力呈 周期性变化，或使弓网离线，从而使弓网产生电弧。由于列车运行所需能量均通过高速 滑动接触的弓网获取，所以当发生离线时，不希望列车受流因此而被中断，即不希望弓 网在离线时电弧熄灭。但是电弧对材料的摩擦磨损影响较大，对接触网线和受电弓的使 用寿命不利，从这个意义上讲，电弧同时会带来负面作用。然而，列车在高速运行过程 中，电弧是不可避免的，为此，需要研究分析影响弓网电弧的主要因素，为建立试验台 对弓网电弧试验提供设计依据。 2 2 。1 弓网相对滑动速度 我国列车的运行速度已经达到了3 8 0 k m h ，弓网相对高速滑动速度极大的影响着电 弧。弓网电弧本质是一束等离子体，两个电极发生相对高速运动时，等离子体受到极大 的风力作用，使其有被吹灭的趋势。弓网在高速运动时，将会产生很多动力学问题，如 接触线的波动速度与列车运行速度的关系，弓网共振问题，弓网离线问题等。此外，因 为电弧电流具有通过最短电流路径趋势的特点，所以电弧弧根也会随着电极的运动而移 动，形成弧根运动轨迹。对于不同电流等级、运动速度，其运动轨迹将会不同： ( 1 ) 、当弓网间隙为一固定值、相对滑动速度很低时，弧根可以沿着接触网线连续的 滑动，如图4 1 a 所示。 ( 2 ) 、如果电流很大，且相对滑动速度很低时，电弧弧根极有可能发生小距离的跳 跃，如图4 - 1 b 所示。 ( 3 ) 、而对于高速列车，相对滑动速度高，电流大，这时，电弧将会被拉长，直到 熄灭，然后会在模拟受电弓附近发生重连，产生电弧重燃，如图4 - 1 c 所示。 图4 - 1 给出了列车在运动中，发生电弧时，弧根运动有可能出现的轨迹。然而电弧 弧根发生如图4 - 1 所示的各种轨迹需要通过试验进一步证明，所对应的间隙值、滑动速 度和电弧电流还有待通过试验测试得出。 彗耍銮鎏奎兰鎏圭罂至兰：竺兰三呈：至 7 岁。多 r ：p 。埘h d e s 。r i h 。5 i 蛳。“o 阻8 ”2 “p i l 删曜 圈2 - 2 电弧弧根轨迹 不同的电流等级下，电孤移动速度随着两极相对运动速度的提升而变化的趋势也将 会是研究分析内容，特别是要比较分析在大电流与小电流情况下，电极运动速度对电弧 移动速度的影响程度。 2 22 弓网间隙 电弧长度主要取决于弓网间的间隙大小，一般来说，间隙越大，电弧的长度也就会 越长，然而如果电极两端给定了屯流、电压，电弧长度越长，受气流影响就会越大，电 弧就越不稳定，越容易熄灭。电弧的稳定燃烧可以根据其特点进行判定：在电弧平均燃 烧时间内，没有出现任何的高频电压或低频电压的振荡混叠：电弧在燃烧过程中，其强 度几乎不变。为此，可以通过检测电弧电压、电流和电弧温度来判定电弧燃烧的稳定性。 在研究电弧长度时，需要考虑以下两个方