（电力系统及其自动化专业论文）弓网电弧模拟系统的研制和试验研究.pdf

a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a ya n dt h es u p p o r t f r o mr e l a t e dn a t i o n a lp o l i c i e s ，g r e a tr a i l w a ys p e e d i n ga n dc o n s t r u c t i o nh a v eb e e ni n r a p i dd e v e l o p m e n td o m e s t i c a l l y h o w e v e r , t h eh i g h e rt h el o c o m o t i v es p e e di s t h e m o r eu n s t a b l et h ep a n t o g r a p h - c a t e n a r yr e l a t i o n s h i p i s ，a n dt h em o r es e r i o t i st h e o f f l i n es i t u a t i o ni s p a n t o g r a p h c a t e n a r ya r cc r e a t e db yt r a n s i e n to f f i i n ew o u l d e r o d e c o n t a c tl i n ea n dp a n t o g r a p h ，g e n e r a t eo v e r v o l t a g ea n dh i 曲一f r e q u e n c yn o i s e ，a n d l o w e rq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y , p o s i n gag r e a tt h r e a tt ot h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n o fe l e c t r i f i e dr a i l w a y t h e r e f o r e ，i th a sas i g n i f i c a n tm e a n i n gt oc h a n g et h e q u a l i t yo f p o w e rs u p p l yo fe l e c t r i f i e d r a i l w a y , r e d u c i n gt h ee r o s i o nt oc o n t a c tl i n ea n d p a n t o g r a p ha n de n h a n c i n gt h eo p e r a t i o ns a f e t yo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yb y i n v e s t i g a t i n g p a n t o g r a p h 。c a t e n a r y 赳c si m p a c ta n di n h i b i t o r ym e a s u r e so ne l e c t r i f i e dr a i l w a y , w h i c hw o u l da l s op r o v i d et h e o r e t i c a l s u p p o r tt ot h er a p i dd e v e l o p m e n to f r a i l w a y w i t hp a n t o g r a p h 。c a t e n a r ya r ca st h e o b j e c to fs t u d y , t h i st h e s i sd e s i g n sa p a n t o g r a p h 。c a t e n a r ya r cs i m u l a t i o ns y s t e m ，o fw h i c h 也ec o n t a c tn e tp a r ti s c o m p o s e db yc l o s ec o n t a c tl i n e sf i x e di nt h ei n s u l a t i n gd i s ca n di sd r i v e nb ya r e d u c i n gm o t o r t h er o t a t i o no ft h er e d u c i n gm o t o rd r i v e st h ec o n t a c tl i n et or o t a t e s i m u l a t i n gt h et a n g e n t i a lm o t i o nb e t w e e np a n t o g r a p ha n dt h ec o n t a c tn e t t h e p a n t o g r a p hp a r ti sd r i v e nb yas t e p p e rm o t o rw i t ham c u c o n t r o l l i n gi t sr o t a r y m o v e m e n t , a n dt h em o v e m e n ti sc h a n g e di n t ol i n e a rm o t i o nv i ab a l ls c r e wt om a k e i tt o u c ho rs e p a r a t ef r o mt h ec o n t a c tl i n e t h i st h e s i sa l s od e s i g n sa p a n t o g r a p h c a t e n a r ya r cd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m f i r s t , p a n t o g r a p h - c a t e n a r ya r cv o l t a g ea n dc u r r e n ta r ec o n v e r t e di n t o v o l t a g es i g n a l s t h r o u g has e n s o r ，a f t e rw h i c ht h e s es i g n a l sw i l lb ec o n v e r t e di n t oo n e ss u i t a b l ef o r a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o nb ym e a n so fas i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h e na n a l o g s i g n a l sw i l lb et u r n e di n t od i g i t a ls i g n a l sv i aa dc o n v e r t e ru n d e rt h ec o n 仃o lo fm e m c u f i n a l l y , t h em c uw i l lu p l o a dt h ed a t at ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g h c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sa n dd a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i t s i na d d i t i o n ，t h i st h e s i ss e t su pap a n t o g r a p h c a t e n a r ya r ce x p e r i m e n t a ls y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 b ym a k i n gu s eo ft h ep a n t o g r a p h - c a t e n a r ya r cs i m u l a t i o ns y s t e ma n dd a t ac o l l e c t i o n s y s t e m t h er e s e a r c h e rf i r s tm a k e sa ne x p e r i m e n to nc o n t a c t i n ge l e c t r i ca r ca n d b r e a k i n ga r cu n d e rg e n e r a lc i r c u m s t a n c e sa n da n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h ef i e l d e l e c t r o ne m i s s i o na n dt h e r m a le l e c t r o ne m i s s i o no nv o l t a i ca r c ；t h e na ne x p e r i m e n t i sm a d eo nt h ep h a s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea r cv o l t a g ea n da r cc u r r e n t ；a f t e rt 1 1 a t ， t h ea u t h o re x p e r i m e n t sa n da n a l y z e so p e n i n gt r a v e l s i m p a c to na r cc u r r e n ta n d m a x i m u mb r e a k i n ga r cv o l t a g e ，t h ee f f e c to fl o a dp o w e ro nm a xa r co p e n i n gt r a v e l f i n a l l y , g e n e r a lr u l e so f p a n t o g r a p h c a t e n a r ya r c a r ei n v e s t i g a t e d a l lt h er e s e a r c ht h i st h e s i sd o e sl a y sag o o df o u n d a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n gt h e m e c h a n i s mo f p a n t o g r a p h - c a t e n a r ya r c ；a tt h es a m et i m e ，i ta l s op r o v i d e st h e o r e t i c a l s u p p o r tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a ya n dt h es a f e t yo f r a i lt r a n s p o r t k e yw o r d s ：p a n t o g r a p h - c a t e n a r ya r c ；e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；t r a c t i v ep o w e rs u p p l y s y s t e m ；l o a dc h a r a c t e r i s t i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 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。 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“4 ”) 学位论文作者签名：何仁 日期：训呈f 口 f 指导老师签名：黝 日期：纱7 r 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文创新点如下： 1 本论文设计了一套弓网电弧模拟系统。其中接触网部分由固定在绝缘圆 盘上闭合接触线构成，并用减速电机驱动。减速电机旋转带动接触网旋转，来 模拟受电弓和接触网之间的横向运动。受电弓部分采用步进电机驱动。单片机 控制步进电机转动，通过滚珠丝杠转化成直线运动，来接触或者脱离接触线。 2 本论文搭建了一套弓网电弧试验系统，试验了一般情况下的接触电弧和 分断电弧，分析了场电子发射和热电子发射对电弧的影响；然后对电弧电压和 电弧电流相位进行了试验；最后试验分析了开距对电弧电流的影响、开距对最 大分断电弧电压的影响、负载功率对最大断弧距离的影响，探讨了弓网电弧的 一般规律。得到以下结论：( 1 ) 在阻性负载下分断电弧的电弧电压随电极的开 距的增加而增加，并且和开距成近似的线性关系；( 2 ) 电弧稳态燃烧时电弧电 流基本不随开距的变化而变化，其大小只与负载大小和电源电压有关；( 3 ) 负 载功率越大，分断电弧的距离就越长；( 4 ) 接触电弧的电弧最大开距只与电极 的形状和电源的电压有关，因为电极电子的发射初期是以场致电子发射方式为 主的；( 5 ) 分离电弧的电弧最大开距不仅与电极形状有关还与电路的参数有关。 伢露勿 v 铌y 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 弓网电弧的研究意义 1 1 1 高速铁路的发展 随着我国城乡区域经济、工业化和城镇化进程的发展，全社会客货交流持 续增长，运输质量要求日益提高，运输结构发生变化，对铁路运输提出了新的 要求。为了满足日益增长的人员流动和物资流通的需要，我国大力发展高速铁 路。从1 9 9 7 年起，我国进行了六次铁路大提速，1 9 9 7 年4 月1 日，中国铁路 实施第一次提速，京广、京沪、京哈三大干线全面提速，以北京、上海、广州、 沈阳、武汉等大城市为中心，开行了最高时速达1 4 0 k m 、平均旅行时速9 0 k m 的4 0 对快速列车和6 4 列夕发朝至列车，全路客车平均旅行速度由每小时4 8 k m 提高到每小时5 5 k m 。1 9 9 8 年l o 月1 日，铁路第二次提速，以京沪、京广、京 哈三大干线为重点，进一步提高列车速度，最高运行时速达1 4 0 - 1 6 0 k m ，非 重点提速区段快速列车运行时速达1 2 0 k m ，广深线采用摆式列车最高时速达 2 0 0 k m ，其他线路具备提速的区段列车运行速度也有一定幅度的提高，全路客 车平均旅行速度达到5 1 6 k m h ，时速1 4 0 k m 的线路由2 3 9 k m 增加到1 4 5 4 k m ， 时速1 6 0 k m 的线路由2 6 8 k m 增加到4 4 5 k m 。2 0 0 0 年1 0 月2 1 日，铁路第三次 提速，提速重点集中在陇海线、兰新线、京九线和浙赣线，铁路最高速度普遍 提高到每小时1 6 0 k m ，除京九线南北纵向外，陇海、兰新、浙赣线均为东西横 向，为缩小东西部差距提供了契机。2 0 0 1 年1 1 月2 1 日，铁路第四次提速，提 速网络基本覆盖了全国主要地区，范围主要是京九线、武昌至成都( 经汉丹、 襄渝、达成线) 、京广线南段、浙赣线、沪杭线和哈大线，提速里程为4 2 5 7 k m ， 使我国提速总里程达到1 3 0 0 0 k m ，全路旅客列车平均旅行速度达到6 1 9 2 k m h ， 比2 0 0 0 年平均提高2 k m h ；平均技术速度达7 0 3 2 k m ，比2 0 0 0 年提高2 1 5 k m h ， 其中特快列车为9 2 7 6 k m h 。2 0 0 4 年4 月1 8 日，铁路第五次提速，京沪、京广、 京哈等干线部分地段线路基础达到时速2 0 0 k m 的要求，直达特快列车在京广、 京沪等繁忙干线以1 6 0 k m h 的速度长距离运行，全路旅客列车平均旅行速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 6 5 7 k m h ，直达特快列车旅行速度1 2 9 2 k m h ，特快列车旅行速度9 2 8 k m h ，全 路时速1 2 0 k i n 以上的线路里程达1 6 5 0 0 k m ，其中时速1 6 0 k m 及以上提速线路 7 7 0 0 k m ，时速2 0 0 k m 的线路里程达1 9 6 0 k m 。2 0 0 7 年4 月1 8 日，铁路第六次 提速，范围包括京哈、京广、浙赣、沪杭、京沪、陇海、胶济等干线，覆盖全 国1 7 个省、直辖市，我国铁路既有线提速干线旅客列车最高运行时速达2 0 0 公里以上，京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段可达到时速2 5 0 公里， 时速2 0 0 公里及以上的国产化动车组投入使用。通过六次大提速，我国铁路由 普速时代进入高速时代。 图卜1 中长期铁路网规划图 为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩大规模，完善结构，提 高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平。在中长期铁路网规划中( 如 图1 - 1 ) ，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客 货分线，复线率和电化率均达到5 0 。规划北京一上海、北京一武汉一广州一 深圳、北京沈阳一哈尔滨( 大连) 、杭州一宁波一福州一深圳和徐州一郑州一兰 州、杭州一南昌一长沙、青岛一石家庄一太原、南京一武汉一重庆一成都等“四 纵四横”铁路快速客运通道以及环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地 区城际客运系统。可以预见，随着我国铁路建设的推进和中长期铁路网规划的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 实施，高速铁路在整个铁路运输系统乃至国民经济生活中扮演越来越重要的角 色。 1 1 2 高速铁路的弓网电弧 工程实践表明，弓网关系是目前制约我国高速电气化铁路发展的瓶颈之一， 而弓网电弧是弓网关系中需要解决的核心问题1 1 , 2 】。 在电气化铁道中，接触网是指架设在轨道上方沿线向机车( 高速动车) 提 供电能的电力传输网。受电弓是机车( 高速动车) 从接触网上获取电能的装置。 弓网电弧是指由于接触导线的不平顺、接触网的振动、受电弓弓头的振动、轨 道的不平顺等多种因素的影响，受电弓与接触导线在相对高速接触运动中分离 而产生的气体放电现象。弓网电弧的危害除了使车载电器承受高频振荡过电压 外，还会烧蚀接触导线，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。同时，在电弧的作用下，受电弓滑板会加剧磨损，缩短其使用 寿命，大大增加了维护工作量。牵引供电线路与受电弓在相对接触滑动中的分 离是产生弓网电弧的重要外部条件，为解决弓网电弧问题，高速铁路工程技术 发展较早且水平较高的国家如德国、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 3 1 德国规定高速铁路受电弓离线率控制在5 以内1 4 j 。但根据 欧洲标准，高速铁路的离线率应当在o 1 4 范围以内【4 】；这些发达国家拥有雄 厚的经济基础和精良的机械制造技术，经过高速铁路长期发展的积累，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。由于接触导线悬挂、定位等原因，牵引供电线路不可能完全消除机械“硬 点 ，受电弓在接触导线上高速滑动过程中经过上述硬点时就有可能离线产生电 弧，对接触导线硬点部位反复烧蚀。采用机械技术有可能降低受电弓在某段供 电线路上的总的离线率，但不能降低电弧对硬点部位接触导线的危害程度。由 于我国高速铁路建设起步晚，地域复杂，以及接触导线材料、制造工艺、施工 技术、检修手段等多方面的原因【5 1 ，单纯采用机械技术解决弓网电弧问题变得 非常困难；我国于2 0 0 6 年7 月在胶济线上的试验录像资料显示，当高速动车运 行速度达到2 0 0 k m h 时，弓网电弧极为严重，成为阻碍列车速度继续提高的直 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接原因 2 1 。随着我国经济社会的快速发展，高速电气化铁路将得到迅猛发展， 我国计划在“十一五”期间建设高速客运专线达9 8 0 0 k m ，其中超过3 0 0 k m h 的线路就有5 4 5 7 k m i 酬，在如此大规模的高速电气化铁路建设中只有综合利用电 气、机械技术解决弓网电弧问题，才可能达到良好的效果并取得显著的经济和 社会效益，因此研究如何运用电气技术经济有效地解决弓网电弧问题已经十分 紧迫。 综上所述，现有技术主要通过提高接触网和受电弓的运动、接触性能来降 低离线率，如何采用电气技术降低弓网电弧的强度和危害，目前还未见报道。 本论文将从弓网电弧的电气特性入手，通过弓网电弧模拟系统和数据采集系统 搭建弓网电弧试验系统，研究弓网电弧的特性，分析弓网电弧的规律。为我国 电气化铁路向更高速度发展奠定坚实的理论基础。 1 2 弓网电弧的研究现状 高速铁路弓网电弧是一个复杂的研究对象，与电磁场、热场、气流场、等 离子体等运动变化相关。到目前为止，还很少见到对弓网电弧问题专门研究报 道，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和分析、能量 分布、对触头材料的侵蚀和载流摩擦磨损等方面。 1 2 1 电弧模型 电弧模型的研究起步较早，二十世纪三十年代的c a s s i e 和四十年代的m a y r 提出两个著名的电弧数学模型【_ 7 8 】，这两个模型均以能量守衡方程为基础。二 十世纪七十年代建立了开关电弧的一维模型1 9 - 1 3 】，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。 二十世纪八十年代电弧模型由一维模型发展n - - 维模型【悼1 6 】，但是这些二维模 型对断路器的灭弧室结构都做了简化，对散热方式只是考虑了对流和辐射的影 响。二十世纪九十年代电弧模型的研究重点转向实际断路器灭弧室的数值模拟 【l7 ，博j ，开始考虑电磁力、湍流、气体粘滞等断路器灭弧室实际因素的影响。在 电弧模型研究的发展过程中，研究人员主要是通过研究断路器灭弧室内气流场 来了解电弧的性质，j p n o v a k 和gm e u n i e r 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。在确定电弧运动速度时，gm e u n i e r 借助于激 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 波理论计算获得，j en o v a k 则根据经验数据拟合得到【1 9 2 0 l 。而i ch o r i n o u c h i 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， 电弧片断的个体运动决定了电弧链的整体运动。 我国在开关电弧模型方面也取得了很大进展。王尔智的研究小组提出了使 用等效电阻网格法建立电弧的模型，使用“电流管”的概念来描述电弧中的电 荷运动【2 1 】；荣命哲等人采用磁流体理论建立了低压断路器电弧的三维电弧仿真 模型，计算了电弧弧柱收缩、等离子体喷流和电弧形态等现象【硐；张晋等研究 了低压断路器灭弧室内磁驱电弧的链式电弧数学模型1 2 3 1 ；宫继全等研究了电弧 螺旋不稳定性的影响因素【2 4 l 。 电弧模型涉及气流场、热场、等离子体、电磁场等多个学科领域，问题本 身非常复杂。高速电气化铁路弓网电弧还具有自身的特殊性：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，因而电弧模型的建立还需要考虑更多的因素。 1 2 2 电弧能量 电弧能量大小是电极腐蚀的重要因素。国外的研究中，n b j e m m a 等人在 电接触研究中指出：随着负载的不同，电接触中电弧的能量会发生很大的变化， 电感负载下电接触中电弧的能量是灯负载下电弧能量的1 0 0 倍左右1 2 5 。2 7 】，同时 探讨了负载因素对电弧能量大小的影响。k o j ik a t o 等人在研究浸金属碳滑板和 铜接触线的载流摩擦中把电弧划分为初始状态和稳定状态两个阶段，这两个阶 段电弧能量与电极侵蚀量分别满足指数关系【2 引。j s w i n g l e r 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，辐射传输过程中是电弧能量损失 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【2 9 。b o r k o w s k i 认为电弧能量是通过电弧侧面损失的，能量损失的多少和电 弧的几何尺寸密切相关，并给出了电弧能量输入到电极表面的计算公式【3 0 】。国 内的研究中，丁秉钧在测量断路器电弧侵蚀速率中使用电弧的电量来表征电弧 的能量特征p ，指出了电量因素对电弧能量大小的影响。何俊佳探讨了电压和 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【3 2 1 ，同时阐释了电压和电流因素对电弧能量大小产生的影 响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 弓网电弧能量大小的影响因素，除上述因素外还包括牵引供电系统拓扑结 构、负载的性质、电器元件的参数、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。 123 电弧侵蚀 电弧侵蚀分为喷溅侵蚀和蒸发气化侵蚀两种，而喷溅侵蚀是主要的侵蚀方 式。喷溅是指在大电流条件下，触头表面发生熔化，液态金属以小液滴的形式 从触头间飞溅出去的现象，它是电弧在热、力作用下发生的严重的烧蚀行为 3 3 , 3 4 1 0 这种侵蚀受机械( 分断次数、分断时刻、分断速度、触头尺寸、触头间 距和形状) 、材料( 材料的物理化学性质参数、热力学参数、材料制备方法等) 、 电路( 电弧电流电压、电路的负载特性) 和环境因素( 有无气吹和外加磁场、 外界的压力变化) 的影响口”。触头被侵蚀后形貌会发生变化，主要特征有：形 成氧化物带和富银区；产生孔洞；形成网状结构；产生裂纹等( 如图1 - 2 ，图 1 3 ) 。 ( a ) 阳极( b ) 阴极 图1 2 电弧侵蚀后受电弓滑板表面形貌 图1 3 电弧侵蚀后受电弓滑板表面裂纹 电弧侵蚀会引起材料的转移，在这方面普遍被接受的理论是p s d ( p a r t i c l e s p u t t e r i n ga n d d e p o s i t i o n ) 模型和由s w i n g l e r 和m c b r i d e 改进后的p s d 模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 模型中把材料转移分为五个阶段：金属离子阶段：阴极材料转向阳极阶段；蒸 发阶段；阳极材料转向阴极阶段；大电流下的金属转移阶段m 】。 对电弧侵蚀的研究方法有以探针摄影法i ”1 为主的直接测量法和以干涉法、 激光共焦法1 3 6 1 为主的非直接测量法。直接测量法比较直观，但是无法测量小于 探针直径的“点洞”；非直接测量法测试条件要求高，但测试结果精度高，失真 小。 24 载流摩擦磨损 电气化铁路系统( 包括轻轨) 的弓网受流系统是载流摩擦磨损的一个重要 的研究方向。国外很早就开始了相关的研究，重点在载荷、速度、润滑、电流 大小、电弧等物理条件和电学条件下，对电场中受电弓滑板的摩擦学性能和接 触行为的影响 3 8 , 3 9 j 。国内也在浸金属碳滑板、碳纤维滑板、复合材料滑板等方 面进行积极的研究，取得了一定的进展。这些研究认为：在载流摩擦中，电因 素的介入对摩擦磨损有重要的影响，其中电场、电流以及电弧的作用都将极大 的改变受电弓滑板的摩擦学性能1 4 0 。载流条件下摩擦副在摩擦过程中的热量主 要来自三个方面：电弧热、摩擦热和电流在摩擦面上产生的焦耳热。电流越大， 电弧热和焦耳热就越大，受电弓滑板表面温度越高，引起导线和滑板的塑性变 形，摩擦表面需要克服塑性变形所做的功变大，磨损更加严重1 4 1 o 电弧导致的磨粒磨损会在摩擦副表面产生氧化形成硬质点，硬质点在磨损 过程中剥落，再加上电弧飞溅形成的微小颗粒，成为第三相( 磨粒) 【4 。 ( a ) 表面形貌( b ) 气孔放大图 图1 4 磨损的接触网导线 电弧还会导致电弧熔化和侵蚀。当摩擦接触断开时，导线和滑板之间会产 生电弧而侵蚀滑板和导线。电弧产生时在电弧放电周围温度极高，会引起滑板 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 和导线中低熔点元素发生熔化和蒸发，在随后的凝固过程中形成气孔和球形粒 子。摩擦表面会因电弧放电而产生电蚀坑、表面氧化膜和气孔等【4 3 】( 如图1 _ 4 ) 。 1 3 本文研究的主要内容 本论文以弓网电弧为研究对象，研制了基于电气化铁路牵引供电系统的弓 网电弧模拟系统和基于电弧电压和电弧电流的数据采集系统，并在此基础上设 计了弓网电弧试验系统，对弓网电弧的一般规律进行了研究。 本论文主要进行了以下工作： 1 通过减速电机驱动的接触网模块和步进电机驱动的受电弓模块，研制了 一套适合于电气化铁路牵引供电系统的弓网电弧模拟系统。 2 通过传感器模块、信号调理模块、通讯模块、数据传输模块、单片机及 a d 转换模块，研制了一套基于电弧电压和电弧电流的弓网电弧数据采集系统。 3 通过弓网电弧模拟系统和数据采集系统，设计了弓网电弧试验系统。利 用试验系统研究了接触电弧和分断电弧的关系，电弧电压和电弧电流的相位关 系，开距对电弧电流的影响、开距对最大分断电弧电压的影响、负载功率对最 大断弧距离的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章弓网电弧理论基础及特性 2 1 电弧理论基础 2 1 1 电弧的基本概念 1 电弧的定义 电弧是气体放电的一种形式。气体放电在性质上和外表上是各种各样的， 因此，要从气体放电的形式来说明电弧的定义。 在正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加 上足够大的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象就称为放电。放电现 象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙 两端的电压等因素有关。 2 电弧的组成部分 电弧可分为三个区域：阴极电位降区域、弧柱( 电弧正柱) 和阳极电位降 区域。电弧的两个电极，阴极和阳极也可认为是电弧的组成部分。 电弧阴极区域的变化过程对电弧的发生和物理过程有重要的意义，同时这 也是电弧与其它放电形式的主要区别。电弧的发生与阴极强烈的电子发射有关。 曾长期认为电弧仅仅是由热阴极放电而形成的，但实际上存在着冷阴极。对于 冷阴极而言，阴极的高温是电弧产生的后果而不是实现电弧的条件。 电弧的阳极基本上只是接受从弧柱中来的电子，除极少的例子外，阳极没 有发射正离子的能力，故阳极本质上未能参加电弧放电的基本过程。只有高强 度碳弧是由阳极过程所决定的。 在电弧的正柱( 即弧柱) 中是高温的、已游离了的气体，充满着带电的粒 子，在弧柱中始终进行着游离和去游离过程。 弧柱的一些特性如电位梯度、电导、电流密度及其分布等是属于电的特性， 而另外一些特性如温度、散出的热能、热流及其分布等是属于热的特性。因此， 电弧所有的基本特性决定于这两个互相密切联系的过程，即电的过程和热的过 程。电弧中热的过程及电弧与其周围介质之间的换热过程，对电弧的特性起很 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 大的作用，故只有考虑到电弧中热的过程才有可能建立现代的电弧理论。 电弧是气体放电，也就是电流通过气体的情况。它与通过液体或固体时的 性质不同，当电流通过气体的同时会发生一些特殊的现象和效应。在气体中欧 姆定律仅适用于少数特殊的场合。气体的导电系数不是常数，并且与外界对气 体的影响和电流强度有关，电流与电压之间的关系不是简单地成正比。因此电 弧间隙可以看作是一个非线性的导体。电弧放电还与气体中原于和分子的各种 过程有关，现象复杂而多样性。在很多情况中，只能给出现象的定性分析，还 不易给出一般的定量分析，再加上多是从近似的关系出发所得到的结论，应用 范围受到一定的限制。 3 电弧发生的条件 从实际应用电弧和防止电弧间隙击穿的观点出发，研究电弧发生的条件是 有重要意义的。下面讨论电弧发生的五种主要途径： 1 ) 电路开断时电弧的发生当触头分离时，在足够高的电压和电流下，在 触头间隙中发生电孤。过程是这样的：在触头开始分离时，作用在它们之间的 接触压力将减少，接触面积也缩小，因而接触电阻和触头中放出的热量就增加。 热量集中在很小的体积中，金属被加热到高温而熔化，在触头之间形成液态金 属桥。最后金属桥被拉开，在触头之间形成过渡的或稳定的电弧。如果这放电 是稳定的，则就是所称谓的开断电弧。放电的稳定性与很多因素有关，如在开 断前的电流、触头电路的特性、触头分离的速度等。为了使电弧点燃，某一最 低电流值是必需的。 电路开断时形成开断电弧还有另一种理论。将正在分离中的触头当作可变 电容的电容器，它经过电抗面被电路电压充电。如触头以等加速度分离，则可 求得触头间电压和电位梯度与时间的关系。触头间距离不断地增加，间隙电场 强度在某一临界距离可达最大值。这对场电子发射是完全足够的。场电子发射 与随后所发生的热电子发射共同作用而形成电弧。 2 ) 触头闭合时电弧的发生连接到电压源的两个触头闭合之前会发生电击 穿。这时可以发生通常的电弧放电。触头上电压并不是立即稳定的。电弧建立 的时间大约为1 0 s ，与发生击穿时的触头间距离无关。 知道触头闭合速度及从电弧发生到触头直接接触的时间后，可以计算放电 发生时触头间的距离和间隙的电场强度。金属表面的不均匀导致电位梯度的增 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 加。可以认为这是场电子发射起重要的作用。应该着重指出，这时完全不可能 有热电子发射的击穿，因为在触头接触之前，触头表面显然是冷的，气体介质 也是冷的。 3 ) 真空和气体间隙的击穿电弧可以在两电极间高真空的间隙中点燃。这 种电弧有时称为真空电弧。但电弧实际上并不是在绝对真空中而是在一个或两 个电极的金属蒸气中燃炽。 关子气体间隙的击穿，巴申( p a s c h e n ) 早在1 8 8 9 年就给出定律，即气体 击穿电压是气体压力与间隙距离乘积的函数。在此定律的基础上，认为气体中 游离过程仅与粒子的平均能量有关，而这能量又决定于电场梯度对气压的比值。 但在高气压和短间隙区域中，巴申定律有偏差。击穿电压小于所预料的数值， 显然这是由于某种未考虑到的电子的作用。一般认为其原因是由于阴极金属表 面的不均匀产生场电子发射。这些电子通过气体游离产生空间电荷，从而加强 阴极的电场强度，后者又引起场电子电流的增加，使在较低的电压下击穿间隙。 4 ) 从辉光放电到电弧放电的转变从辉光放电过渡到热电子电弧的过程是 完全清楚的。随着电流的增加，发生辉光放电转变到阴极电位降逐渐增高的非 正常状态，在阴极上放出的能量也就增加。如果这时阴极温度达到热电子发射 开始起显著作用的数值，则放电的击穿电压就开始下降。电流继续增加，阴极 温度随之升高，热电子电流的作用也逐渐增大。由此，电压下降到电弧放电所 具有特征的数值。 从辉光放电转变到冷阴极电弧的过程就远非如此清楚。在阴极电位降显著 增高的非正常辉光放电中，阴极表面的个别部分在强电场影响下能够发射电子， 其数量足以使阴极电位降区域中气体显著地游离。由此产生高的电荷浓度的区 域。电子比正离子更快地离开这个区域，因此形成空间电荷的增加，促使场电 子发射继续增加，最后形成电弧放电。 可以用三角形的形式来表达过渡现象的区域，辉光放电、热电子电弧及冷 阴极电弧各为三角形的一个项角。在低气压时，辉光放电过渡到热电子电弧， 在高气压( 2 0 大气压及以上) 时，过渡到冷阴极电弧。 5 ) 从火花放电到电弧放电的转变当两电极之间的间隙被击穿形成火花放 电时，就在间隙形成导电通道，开始输入能量，电流迅速上升。电流上升速度 一般决定于外部电路的参数，但是在两电极间的电容经常有某些储藏的能量被 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 迅速输入到通道中。通道强烈地被加热和扩展，并且扩展的速度在初始阶段可 以近似地看作为冲击波的传播。火花放电可以引起具有大的压力跃变的冲击波。 在某一时刻通道的半径与此时输入通道的能量有关。由于初始阶段扩展的结果， 通道具有高的温度和小的气体密度，其压力与周围气体接近平衡。 4 电弧的分类 电弧放电是各种各样的，因此难以将其列入一个总的分类，通常可按照不 同的特征来分类。 按照电弧阴极的过程，电弧可分成冷阴极和热阴极的电弧。在冷阴极下， 电弧由场电子发射( 即高电场发射) 所造成，因此，有时称为场电子电弧。热 阴极的电弧是靠热电子发射形成的，所以也称为热电子电弧。 按照电弧放电在其中进行的介质种类，可分为气体中电弧和蒸气中电弧。 当电极材料是难熔的，并不参与形成气体介质时，这情况为气体中电弧。如在 电弧燃炽过程中，电极本身气化而成为放电间隙的介质，则为蒸气中电弧。 按照电弧所在处的气体或蒸气的压力大小，电弧可分为高气压电弧和低气 压电弧。所谓高气压电弧，通常是指电弧所在处的压力为大气压的数量级，而 低气压电弧则压力小于大气压，并以汞柱毫米高度表达。 按照外形的标志电弧可分成长弧和短弧。如果阴极与阳极彼此相隔很远， 则两电极的热过程并不相互影响，而且弧柱中发生的过程有主要的作用，这类 电弧称为长弧。当两电极间距离极短( 如几毫米) 时，就强烈地出现两电极的 相互热作用，并且近极区域的过程起主要的作用，这类电弧属于短弧。实际上， 长弧和短弧还可用电压来区分，较低的电压( 1 0 卜3 0 0 v ) 就可维持短弧，而 长弧就需较高的电压。 按照电弧的作用，最重要的有焊接电弧、电炉电弧、高强度硫弧、汞弧以 及在开断电器中所发生的开断电弧。 按照电弧电流的性质，可分为直流电弧和交流电弧。此外，尚可按照阳极 现象、阴极结构等分类。 2 1 2 物理特性及规律 1 电弧的伏安特性 电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系，是电弧最重要特性之一。电 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。弧柱的物理 状态不是静止的，在其中始终进行着游离和去游离过程。如果游离和去游离过 程相平衡，则弧柱处于动平衡状态而不是时间的函数。弧柱处于动平衡的工作 状态称为静态或稳态。稳态电弧( 直流稳定电弧) 的伏安持性称为静特性。当 电弧工作状态改变时，弧柱动平衡被破坏，发生过渡状态。但如果电弧中电的 过程改变得慢，热的过程来得及跟上，则电压与电流之间的关系仍和静态一样。 如果电的过程改变得很快，以致热的过程跟不上而出现热滞迟现象，这时的伏 安特性称为动特性。对处于不稳定状态的直流电弧和交流电弧，其伏安待性为 动特性。 在一系列稳定状态下，决定相应的电弧电流和电压的数值，就可得到电弧 的静特性。电弧的静特性曲线一般是下降的，其原因是当电流增加时，电弧通 道的截面增加，温度也升高，因此电弧电阻很快下降。 2 电弧的温度 电弧的温度具有普遍的意义，在电弧中可能在几个微秒的时间内达到大约 4 0 0 0 5 0 0 0 0k 的高温。电弧的燃炽和熄灭与温度有很大的关系。 这里说明一下电弧的温度是如何升高的。电场是电弧放电的电能基本来源。 在电场作用下，电子和离子得到加速和动能，因而温度上升。得到加速的电子 与中性分子撞击，由此使分子的振荡运动加强，互撞频繁而使气体的温度升高。 加速的电子也与原子撞击而使原子激发，由于受微原子撞击次数的增加，它们 的温度也上升。离子虽然也在电场中得到加速，但在温度的建立方面作用并不 大。在气体放电形成阶段，电子、受激原子和分子的温度是各不相同的，电子 的温度最高。但到电弧放电时，弧柱所有成分的温度已几乎是相等的。 3 电弧的直径 电弧的直径是电弧重要特性之一，它决定电弧中的电流密度。弧柱横截面 中电流密度的分布与温度的径向分布大致相同。电弧中的电流密度随着温度的 降低迅速地下降，所以，电流密度的曲线就尖陡得多。电弧亮度的曲线也有大 致相同的特性。可以根据电弧的亮度来估计这一直径。 在大多数情况下，电弧的形象有中间明亮的部分，即弧柱本身，以及周围 较宽广而亮度较低的外壳，即光圈。电弧中间明亮部分的直径大致相当于弧柱， 就是电弧的最大导电部分，几乎1 0 0 的电流在它中间通过。光圈是围绕着弧 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 柱、受热并已发光的气体，但它的温度还不足以显著地产生电导。显然，电弧 的直径应该理解为电弧中间明亮部分的直径。 电弧的直径沿着电弧长度并不是相等的，在离电极某一距离处有最大的直 径。 2 1 3 交流电弧特性 电弧是气体放电的一种形式，是一个电场、磁场、热场及流场变化的综合 作用过程，情况极其复杂。另外，在不同的条件下电弧在运动过程中其形态变 化较大，电弧特性也不相同。文献 4 4 ，4 5 指出：高压电路中产生的电弧，是 触头电流通过空气传导而产生的，所以又被认为是一种气体放电现象。电弧其 实是一种等离子体。其主要的外部特征有： 1 ) 是种自持放电现象，它不用很高的电压就可以持续相当长时间的稳定 燃烧而不熄灭。 2 ) 是强功率的放电现象，在开断数十千安的短路电流时，电弧的温度可达 上万摄氏度甚至更高，并且具有强辐射。 3 ) 是等离子体，质量极轻，极容易改变形状。 ( a ) 碳电极( b ) 铜电极 图2 - 1 典型的交流电弧的电压、电流示意图 交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此，其伏安 特性为动态特性1 4 6 - 5 3 j 。图2 1 是典型的交流电弧电压和电流对时间变化的曲线。 图