（电力系统及其自动化专业论文）牵引网离线过电压分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec h i n a sr a i l w a y , t h er a i l w a yw i l lb e d e v e l o p e dt ob ee l e c t r i f i e d ，a n dt h el o c o m o t i v ew i l lr a i ls w i f t w h e nt h ee l e c t r i c a l l o c o m o t i v eb i n sa th i g hs p e e d ，as e r i e so fp e r i o d i c a la n dn o n - p e r i o d i c a lv i b r a t i o nw i l l h a p p e ni nt h ep a n t o g r a p ha n dc o n t a c t - l i n es y s t e m t h i sv i b r a t i o nw h i c hi sr e l a t e d w i mf r e q u e n c yw i l lc h a n g et h ep r e s s u r eb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc o n t a c t - l i n e a st h e p r e s s u r eb e c o m em o r ea n dm o r el i t t l e ，t h ep a n t o g r a p hw i l ld e v i a t e df r o mt h e c o n t a c t - l i n e t h e nt h ee l e c t r i ca r cw i l l a p p e a rb e t w e e nt h ep a n t o g r a p ha n d c o n t a c t - l i n ea n dt h ee l e c t r i ca l ew i l li n d u c et h eb a dc u r r e n tt r a n s m i s s i o ni nt h e c o n t a c t - l i n es y s t e m f i n a l l y , t h i sb a dc i r c u m s t a n c ew i l ld e s t r o yt h en o r m a lo p e r a t i o n o ft h el o c o m o t i v e a tf i r s t ，t h i s p a p e r s u m m a r i z e st h e c o r r e 1 a t i v e c i r c u m s t a n c e sa b o u tt h e d e v i a t i o nb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc o n t a c t - l i n ei nt h eh i g hs p e e dr u n n i n go ft h e e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h ee l e c t r i ca r cw h i c hh a p p e n e da tt h e m o m e n tt h a tt h ec o n t a c t - l i n ea n dt h ep a n t o g r a p hs e p a r a t e df r o me a c ho t h e r f i n a l l y , b yc h o o s i n gt h et r a c t i o nt r a n s f o r m e rc o n t a c t - l i n ea n dl o c o m o t i v ea st h es t u d ys u b j e c t a n dt h e nu s i n gt h em a t l a b ss i m u l i n km o d e la n dp s bm o d e lt oc o n s t i t u t et h e c o r r e l a t i v em o d e la n da r cm o d e l i na d d i t i o n ，i ta n a l y s e st h ee l e c t r i c a lc o u r s eo f s e p a r a t i o nb e t w e e np a n t o g r a p ha n do v e r h e a dc o n t a c t - l i n e i nt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m , t h et r a n s f o r m e r , p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r , r e a c t o ra n dl o c o m o t i v eb e l o n gt oi n d u c t i v ee q u i p m e r i t h o w e v e r , t h es h u n tc a p a c i t o r i nt h et r a c t i o ns u b s t a t i o na n dt h en o - l o a do v e r h e a dc o n t a c t - l i n eb e l o n gt oc a p a c i t i v e e q u i p m e n t i nt h er u n n i n go f t h el o c o m o t i v e ，t h ei n d u c t i v ea n dc a p a c i t i v ee q u i p m e n t w i l lc o n s t i t u t er e s o n a n c ec i r c u i t i ng e n e r a lw a y , t h er e s o n a n c ew o n th a p p e ni nt h e c i r c u i t b u tw h e nt h ec o n t a c t - l i n ea n dp a n t o g r a p hs e p a r a t e df r o me a c ho t h e r , t h e c i r c u i tw i l lp r o b a b l yc h a n g ef r o mo n es t a t et oo t h e rs t a t e i fs o m eo t h e re x p l o s i o n o c c u r r e di nt h ec o u r s eo fc h a n g e ，t h er e s o n a n c ew i l lh a p p e ni nt h ec i r c u i t s u b s e q u e n t l y , h i g hv o l t a g eo rh i 曲c u r r e n tw i l la p p e a ri nt h ec i r c u i t t h i sh a r m f u l c i r c u m s t a n c ew i l ln o to n l yd e s t r o yt h en o r m a lo p e r a t i o no fl o c o m o t i v e ，b u ta l s o p r o d u c ed a m a g et ot h ea l le l e c t r i c a le q u i p m e n t so ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m c o n s e q u e n t l y , a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h s p e e dr a i l w a y , t h a t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k i n do fa c c i d e n tw i l la f f e c tt h ee f f i c i e n c yo ft h el o c o m o t i v e so p e r a t i o n k e yw o r d s ：o v e r - v o l t a g e ，c o n t a c t - l i n e ，p a n t o g r a p h ，s e p a r a t i o n ，e l e c t r i ca r c 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 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者躲弓鸥啖指导柳签名：即- 。i 醐：砷，醐：1 虬 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。 学位论文作者签名：弓呜 日期：加7 立、3f ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着国家中长期铁路网规划与中长期铁路网调整规划的相继实施， 我国的铁路运输将迎来前所未有的发展。规划中明确指出了我国将建设客运 专线及城际铁路达到1 6 万公里以上，客车速度的目标值达到每小时2 0 0 公里 及以上【l 】。由于投入运营的电力机车的运行速度越来越高，相应地在电力机车 的高速运行中引发的绝缘事故也就越来越频繁的显现了出来，从而将严重影 响我国电气化铁路的正常运营与发展。对于电气化铁路的牵引供电系统来说， 电力机车需要通过其顶部的受电弓与接触导线的滑动接触来获取机车运行所 需要的电能，接触网不仅是牵引供电系统的主要供电设备，并且还是一种较 薄弱的供电装置，受电弓与接触导线的接触状态将直接影响电力机车的取流 质量，从而影响着电力机车的正常运行。因此，受电弓与牵引网的关系( 即弓 网关系) 对整个电气化铁路的正常运营就起着非常重要的作用。电力机车高速 运行时受电弓与接触线将很难获得连续稳定的接触，从而弓网系统将很难获 得连续稳定的受流，而机车受电弓与接触导线在接触状态较差时又将会出现 很多问题。受电弓与接触网接触不良时就会发生弓网分离这种被称为“离线 的不良状态。离线过程中产生的电弧和火花既会直接烧伤或熔化受电弓的滑 板和接触线的表面，又会造成瞬时过电压，其后果会使机车的工作电流时断 时续、时大时小，并可能造成电力机车长时间断电或引起主要设备的绝缘损 坏，严重影响供电安全和铁路运输生产秩序。所以，电力牵引中的弓网关系 是一个不可忽视的问题。从电力机车的实际运行中可以看出，弓网关系是目 前制约我国高速铁路发展的重要瓶颈之一【2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 1 电气化铁路牵引供电系统示意图 图1 1 所示为电气化铁路牵引供电系统示意刚3 1 。从图中可以看出，电力 机车通过其顶部的受电弓与接触导线间的滑动接触来获取机车动力设备及其 它用电设备正常运行所需要的电流。受电弓与接触线间连续不间断的滑动接 触是保证机车连续稳定受流的必要条件之一。对高速运行的电力机车来说， 受电弓与接触线将很难获得稳定的滑动接触。当接触状态恶化时将会产生许 多问题，其中主要就有受电弓与接触线间电弧的产生、受电弓滑板和接触线 的过度磨损以及接触悬挂部分与固定部分的摆动等，尤其是当机车在高速行 驶时，这些不良运行情况将会变得更加严重。 电力机车低速运行时，由于受电弓滑板与接触线的接触比较平稳，通常 受电弓能够获得稳定的电流，但是当电力机车高速运行时，由于受电弓的垂 直振动加剧，使得接触线的抬升量加大，受电弓和接触线均会发生与自身特 性相关的振动，因此不可避免地就会产生受电弓和接触线机械分离的现象， 从而导致弓网系统受流质量发生严重恶化。由文献 4 】可知当列车运行在较低 速度时，受电弓与接触线能保持良好的接触，此时弓网系统的受流情况也比 较良好，但随着列车速度的逐步提高，弓网系统受流质量将急剧恶化。 在我国，高速运行的机车均设计为电力牵引，弓网系统稳定可靠的受流 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 就成为了电力机车高速运行所必须解决的重要问题之一。机车在高速运行中 需要由牵引变电站通过馈电线、接触网经受电弓获取电能，这种受流方式只 能依靠受电弓在接触网导线上滑动接触获取电流。因此，保持受电弓与接触 网导线良好的滑动接触以使列车能够连续稳定地获得电流是电力机车高速运 行的必备条件之一。由于接触网导线自身的不平滑、敷设的不平顺以及弓网 系统的振动，会使得受电弓与接触网导线发生瞬时脱离的现象，我们称这种 现象为“离线 ，一般用离线率即受电弓离线时间与整个运行时间的比来表示 【5 】。受电弓与接触线脱离不仅会使机车受流质量恶化，同时还会使受电弓与接 触线间产生电弧、增加噪声、影响沿线通信线路、电蚀接触网导线和受电弓 滑板，从而降低接触网导线与受电弓滑板的使用寿命。因此，在电力机车高 速运行中受电弓与接触线保持良好的滑动接触是高速列车弓网系统受流所必 须要解决的问题之一。为保证受流质量，接触网导线的波动速度至少要大于 1 4 倍的列车速度【4 】。这是由于接触网导线是柔性悬链线，它在受电弓的抬 升力作用下，导线会发生变形而产生波动，这种波动会沿接触网导线方向传 递。因此，对于高速铁路的接触悬挂来说，其质量要求也较高，总的来说主 要有以下三点：第一，具有能够传递强大的牵引电流的能力；第二，沿跨距 内，接触线对钢轨轨面的高度相对保持一致，受电弓沿接触线的运行轨迹基 本呈水平状态；第三，在受电弓的抬升力作用下，甚至在双弓或冲击力的作 用下，接触悬挂不发生较大振幅的振动。总之，高速铁路的接触网在基本结 构、基本参数及线材材质等各方面都有特殊的要求。 1 2 受电弓离线的研究现状 目前，世界各国运行时速在2 0 0 公里以上的高速列车，绝大多数都是采 用电力牵引。由于采用电力牵引时，电力机车的功率较大，有强大的电力系 统作为能量来源，一般获取电能不受限制，因而能高速行驶。我国进入2 1 世 纪后，正在建设的客运专线和高速铁路无一例外地也是采用电力牵引6 1 。目前， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 世界各国都在开展电力机车高速运行的研究，对弓网系统主要包括两方面工 作。一方面对接触网受电弓系统( 弓网系统) 进行计算机仿真研究，探讨最 佳的高速受流方式，另一方面在试验线上架设不同形式、不同结构的链式悬 挂进行弓网系统的受流试验1 7 】。 弓网系统在电气化铁道的运行中的特殊地位及其关系的复杂性，早已引 起了国内外学者的普遍关注，弓网关系也是铁路运输领域内的一个十分热门 的课题。采用电力牵引后，机车的运行除受轮轨关系的影响外，还与机车通 过受电弓从接触网上获取电流( 受流) 的过程有关。特别是在高速和重载运行 时，弓网关系也与轮轨关系一样成为电力机车运行的另一重要制约因素，并 且日益引起了人们的重视。弓网关系的核心是受流，受流质量是高速电气化 铁路需要解决的关键问题之一，一般主要是对影响受流质量的波动传播速度、 接触力和接触线的动态高差、接触线动态抬升量、静态特性等因素进行分析。 弓网系统受流的动态特性基本上根据离线、接触导线的抬升量和应力这三点 来评价【s l 。目前，国内外对电力机车运行中受电弓离线方面的研究，大多都只 是针对受电弓离线检测装置以及优化弓网系统方面进行研究，很少有对受电 弓离线后的一系列电气过程进行过详细的分析研究。国内外对于电力机车的 电磁暂态过程缺乏较深入的研究，大多都只是对电力机车电磁暂态引起的过 电压，过电流进行定性分析，很少进行定量分析，其主要原因是由于牵引网 和电力机车内部分布着大量的电感、电容元件，而且参数经常变化，加之受 电弓离线时具有一定的随机性，因此很难建立精确的数学模型用于进行定量 分析。 下面将分别对受电弓离线时刻电弧产生原因、电弧的危害以及防护措施 进行简要概述。 1 2 1 受电弓离线时电弧的产生原因 目前，国内外对弓网间电弧的产生原因作了相关的研究，总结起来主要 有以下几个方面的原因： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 、弓网间的接触压力较小 弓网间的接触压力与接触线的高度变化、悬挂特性、线路状态以及运行 速度等多种因素有关。由于每个跨距内各点的接触压力不同，常常以接触压 力的平均值来评定。该值以接近静态力为最好，压力太大就会使受电弓的滑 板与接触导线磨耗加剧；压力太小受电弓容易发生离线，由此而产生的灼热 电弧将烧伤接触导线和受电弓滑板。受电弓的接触力变化与受电弓的接触线 波动速度和振幅成正比。 2 、接触线的抬高值相差较大 我国既有电气化铁路接触网多为无预留弛度的悬挂方式【9 】。在正常情况 下，接触线应为水平状态，但在实际运行过程中，接触线在受电弓接触压力 作用下，受电弓在跨距中间部位时对导线的抬高量较大，在悬挂点处因定位 器的重量及其弹性的关系，升高值偏小。整个跨距内的接触网弹性不均匀， 高速行车时受电弓离线、拉弧现象比较明显。在这种情况下，虽然接触线是 无弛度的，但因弹性不均匀，受电弓滑板的运行轨迹是一个波浪式的曲线。 实际运行表明，在跨距较大时，跨距中部位置摩擦阻力较大，接触线磨耗也 较严重。在小跨距时，因悬挂点增多，使全线摩擦阻力加大，磨耗也会增加。 当运行速度提高时，这种磨耗更为明显。 3 、受电弓滑板的振动幅度大 ， 受电弓滑板的振动幅度是指受电弓滑板在一个跨距内振动的幅度，即上 下振动的范围。一般用振幅的2 倍来表示【l o 】： 即：2 e = 日一一日曲 ( 1 - 1 ) 式中： 日一：一个跨距内受电弓滑板的最大高度； 日曲：一个跨距内受电弓滑板的最小高度。 由公式( 1 - 1 ) 可知，2 e 越小，受电弓的运动轨迹越平滑，弓网系统受流 质量就越好。这个振动幅度不但与受电弓本身设计有关，而且还与接触网的 悬挂状态有关，接触网定位点与跨中的弹性差异对它有直接影响。电力机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 运行时，接触网实际的接触线抬高值与静态值不一样。动态时，由于作用在 受电弓上的空气动力的影响，使接触压力增加，随之动态抬高值也要增加， 并且该值越大，受电弓滑板的振动幅度也就越大。 4 、列车速度的提高 当列车运行速度达到1 0 0k m h 以上时，受电弓自身就要产生垂直方向的 加速度，从而引起接触悬挂的振动，使受电弓与接触导线的良好接触状态遭 到破坏，以致滑板不能很好地追随接触线的振动轨迹。从试验和运行中，可 以观察出周期性的离线次数大大增加，离线时间也较长，达到0 1s 左右。 5 、接触导线不平顺 在接触导线悬挂不平顺处和接触导线高度变化较大处，受电弓受到导线 不平顺缺陷扰动后，弓网产生剧烈的振动，可能造成受电弓离线并在受电弓 与接触线间产生电弧。造成接触线不平顺的原因主要有两个方面：一方面是 由于接触线施工放线时操作不当，造成接触线底面不平顺( 硬弯) ；另一方面就 是接触线出厂时本身存在不平顺等。一般情况下，不平顺幅值越大，拉弧也 就越严重。 6 、接触导线材质的影响 接触线内部材料组织应做到颗粒细小、分布均匀，使得接触线的刚度均 匀。如果接触线内部存在孔洞，颗粒过大或分布不均，在有工作张力后，接 触线的刚度会出现不均匀，受电弓滑板在沿导线底面摩擦时，容易受到小的 冲击，形成小的拉弧。 7 、吊弦间隔的接触线高低不平 接触网相邻吊弦点的接触线高度应一致。在接触线有坡度要求时，吊弦 点的接触线高度应均匀变化。如果坡度较大，则容易产生拉弧现象。 8 、接触导线的硬点较大 接触导线的大硬弯、接头线夹、定位线夹、中心锚接线夹以及分段绝缘 器等大质量零部件处和导线接触表面附着的煤烟、冰雪等都会造成硬点下的 拉弧，接触导线波状磨耗也会引起连续小拉弧。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 综上所述，引起弓网受流过程中出现连续火花的原因很多，解决这一系 列问题是一项涉及到多学科的系统工程，如弓网受流技术、摩擦学、金属材 料科学、高电压技术、振动测量技术等。随着我国高速铁路的发展，在高速 接触网悬挂各项参数的选择和接触导线的选型上，迫切需要预防和解决弓网 系统受流过程中产生电弧现象这一问题。 1 2 2 受电弓离线产生电弧的危害 在电力机车弓网系统的受流过程中，受电弓与接触线分离时会在受电弓 与接触线间产生电弧现象。电弧可以维持电流的连续性，使电力机车供电不 中断，但电弧也会造成滑板和导线磨耗加大。滑板磨耗量和离线电弧能量( 电 流平方离线率走行时间) 成正比。当离线间距过大或者电流过小，则弓网 间的电弧将不能维持，此时不仅会造成弓网系统受流中断，导致机车丧失牵 引力和制动力，甚至更严重者会使电力机车颠覆【l0 1 。拉弧是电气化铁道电力 机车正常牵引供电中的一种十分有害的现象，它会对电力机车的正常运行造 成以下多方面的危害【】： 1 、造成电力机车的不稳定运行 受电弓与接触线的机械脱离时会使得电力机车运行所需的电能时断时 续，导致列车运行过程中不正常的减速和加速，增加了旅途中的不舒适感。 2 、引起接触线和受电弓滑板异常磨损 在受电弓离线瞬间，由于电弧的高温熔蚀作用，使得接触线和滑板的接 触面粗糙不平，造成两者的磨耗速度大大加快，最终导致它们的工作寿命缩 短。由于滑板磨耗量和离线电弧能量成正比，当离线过大或电流太小，使弓 网间的电弧不能维持时，还会造成供电中断，使机车丧失牵引力或制动力。 接触线振动变形增大后，接触线的机械疲劳加剧，严重时还会造成断线。 3 、产生无线电杂音干扰 在拉弧瞬间，牵引电流的波形急剧变化，其中含有许多高次谐波，对邻 近无线电通讯线路将造成有害的干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 、使牵引电动机整流条件恶化 当滑板与接触线分离后再接触的瞬间，会有冲击电流流入牵引电动机， 增大整流子的片间电位差，造成整流条件恶化，引起火花，甚至还会引起环 火。对牵引电动机产生严重的危害。 5 、由于接触导线的波状磨耗，加剧了受电弓与接触线间电弧的产生。 1 2 3 受电弓离线电弧的预防措施 受电弓与接触线分离时所产生的电弧是制约电气化铁路提速的关键因素 之一。随着铁路运输量的不断增加和列车运行速度的不断提高，预防弓网系 统中受电弓离线时的拉弧现象应从以下几个方面入手】： 1 、提高接触网波动传播速度 为了尽量提高接触网的波动传播速度，在接触网的设计中，在导线材料 容许的范围内，加大接触线的补偿张力。一般均采用抗高温软化性能好、质 量轻、导电率高以及综合拉断力大的合金导线。 2 、接触线安装时应预留驰度 在安装接触线时，需要预留一定的弛度，使受电弓的运行轨迹趋于水平 状态。在高速状态下，接触线的预留弛度为跨距值的0 5 。 3 、采用高性能受电弓 改善受电弓的随动性，使受电弓轻量化，并采用缓冲阻尼装置，以改善 受电弓的共振特性等。 4 、改进接触网结构 采用直斜腕臂并加防风管，腕臂结构采用较为稳定的三角形结构；站场 接触网应采用硬横跨立柱式结构，尽量减小刮风产生的横向附加力，以保证 结构的稳定性。 为克服绝缘棒式分相运行中出现的拉弧等问题，电分相应采用由两个绝 缘四跨锚段关节和一段中性段组成的七跨式或九跨式锚段关节结构。 5 、减少接触网弹性的不均匀性 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 应尽量采用强度高、质量轻的接触网零部件，采用带限位装置的轻型合 金定位器。 6 、保证接触线坡度 为了保证接触线的坡度，在运营检修中，应严格遵照逐吊弦高差不超过 1 0 毫米和每跨距导线高差不超过5 0 毫米的要求执行。对超标处所要及时维 修处理，保证导线坡度符合要求。在施工中应采用具有一定载流能力、使用 寿命长、安装调整能一次到位的铜合金整体式吊弦。 7 、严格生产、施工、检修工艺 在研制和生产接触线时，除注重抗拉强度和导电率等参数外，应保证导 线摩擦面的平直度。在接触网施工过程中，要严格按照施工工艺和程序操作， 特别是在接触导线放线中，应采用恒张力放线车，防止导线扭曲和折弯。在 接触网调整过程中，精确计算各吊弦的长度，安装位置要符合设计要求，严 禁施工人员踩踏接触导线。检修单位应使用接触网巡检车强化动态检测，尤 其是弓网间接触压力和离线状况的检测，并使用多功能接触网检测仪对导线 进行静态检测，及时掌握弓网设备的相关信息。 8 、建立群防机制 充分利用弓网检测仪及时掌握弓网运行情况，一旦发现问题，要及时分 析，及时采取措施，把问题消灭在萌芽状态。通过采用七跨或九跨式绝缘锚 段关节型电分相装置与车载自动切换的过分相装置相配合，机车过分相时自 动切断机车主断路器，克服绝缘棒式分相在运行中存在拉弧的问题。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 本文针对电气化铁道牵引供电系统中的受电弓与接触线分离时所产生的 电弧及受电弓离线后的一系列电气过程进行分析，建立了牵引供电回路与电 弧的相关仿真模块并对受电弓与接触线在不同情况下的分离过程进行了仿 真。鉴于国内试验条件的局限和数据的缺乏，这种受电弓离线所产的电弧与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 过电压虽然引起了相关设计人员与工程人员的重视，但至今仍没有对其进行 较为深入的定量分析研究。 本论文主要做了两方面的工作：一方面对受电弓离线后在受电弓与接触 线间产生的电弧进行了概述，对电弧产生的原因、本质、危害以及防治措施 进行了概述。另一方面建立了牵引供电系统受电弓脱离接触线时的电气过程 的相关简化模型及电弧仿真模块，为牵引供电系统中受电弓与接触线分离后 所产生过电压的仿真提供了手段，并为今后进一步的分析研究奠定了基础。 电弧是一个非常复杂的物理过程与电气过程，它受到电介质特性、电弧 电压、气候条件等诸多因素的影响，是一个时变的非线性的动态过程【i2 1 。要 精确地描述电弧的动态行为是相当困难的，因此建立电弧的精确模型也是不 现实的。在工程中只有进行一定的近似简化，建立一个基本能够反应电弧动 态特性的工程模型。为了对受电弓离线产生电弧的过程进行计算机仿真分析， 需要知道电弧的伏安特性。建立模型的基本思想是把电弧看作一个“黑箱”， 不是从电弧内部的基本物理过程去研究电弧的特性，而是从研究电弧的外部 特性入手，在假定电弧的某些内部特性参数后，确定相对于外部电路特性的 电弧伏安特性【”】。 本文以d j 2 型交流传动电力机车进行了相关的等值电气参数计算。d j 2 型交流传动客运电力机车是我国第一台具有自主知识产权的商用型交流传动 电力机车。主要用于既有干线客运牵引和高速专线牵引，并能覆盖普速、快 速、高速区段的通用型客运电力机车。它具有粘着性好、恒功率范围宽、轴 功率大、功率因数及效率高、谐波干扰小、维修率低、节省电能和运营费用 等优点。机车持续功率为4 8 0 0 k w ，最大速度为2 0 0 k m h ，车长为2 1 7 6 1 6n u n ， 轴式为b o b o ，电流制为单相工频交流制。文中对牵引变压器、接触网以及 电力机车的相关等值电气参数进行了计算，并在此基础上运用m a t l a b 中的 s i m u l i n k 模块与p s b 模块对受电弓与接触线分离时在不同拉弧情况下的一 系列电气过程进行了仿真分析。 本文所研究的课题由于现场实验条件的限制，在进行研究分析时主要采 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 用的是计算机仿真分析的方法，计算机仿真分析法是建立在数学模型的基础 上的，可以通过反复试验来获取多组实验数据，其优点是投入少，见效快， 且可仿真各种离线情况下的电气过程，缺点是数学模型的建立存在一定的近 似与简化处理，其结果只具有一定的近似性，而不具有完整的精确性，但仍 不失为研究受电弓与接触线分离过程的主要途径和方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第二章受电弓离线及电弧产生原理 随着我国电力机车运行速度的日益提高，牵引供电系统中接触网设备的 电气烧伤事故越来越频繁，已引起铁路相关运营检修部门的重视，其主要特 点为事故之前难以发现，并且一旦发生事故时其危害较大，会严重影响电力 机车的正常运行【1 4 】。 2 1 弓网系统 铁路作为一种地面轨道交通，对国民经济的发展起着极其重要的作用。 由于其运输能力大、费用低、污染小、可全天候运行等特点，适应了科学发 展的需要，必然将成为我国运输的主力。在蒸汽牵引和内燃牵引的时代，机 车作为牵引的动力，其车轮在钢轨上作旋转运动，使列车前进或后退。这时 两条钢轨越平整，路基越稳定，线路的曲线半径越大、坡度越小，对列车的 运行就越有利，这是由车轮与轨道间的关系决定的，通常把这种关系称为轮 轨关系。列车在普通速度和中等速度的运行条件下，只要有良好的线路配合， 解决好轮轨关系，就能达到令人满意的运行效果。但在高速运行时，除轮轨 关系外，还要解决一个重要的问题就是弓网关系。列车的运行除受轮轨关系 的影响外，还与列车通过受电弓从接触网上获取电流( 受流) 的过程有关。 特别是在高速和重载运行时，弓网关系也与轮轨关系一样，成为列车运行的 另一制约因素，并且日益引起了相关研究人员的重视。接触网受电弓( 弓 网) 系统要求通过连续的不间断的电气和机械接触给牵引机车供电，与此同 时要使接触线与滑板的磨耗保持尽可能低的程度。 弓网系统中接触线与受电弓的相互作用决定了牵引供电的可靠性和供电 质量。其相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及各自相应的一系列参 数。当电力机车由普通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 就显得极为重要，因为受电弓与接触线之间可靠的电能传输是实现电力机车 高速运行的必备要素之一。接触网和受电弓在高速运行中形成了一对动态振 动系统，两个子系统相互激励，各自又有自己的固有振动参数。当弓网振动 不匹配、接触压力为零时，受电弓滑板与接触导线就会发生机械性的分离。 电气化铁道的牵引供电系统主要由牵引变电所( 包括分区亭、开闭所、 a t 所) 、牵引网( 包括馈电线、接触网、钢轨和回流线) 、电力机车三部分组 成。图2 1 所示为电气化铁道牵引供电系统示意图。 牵 1 1 0 ，2 2 0 k v 电力系统 11 0 ，2 2 0 k v 电力系统 所 图2 1 电气化铁道牵引供电系统示意图 我国电气化铁路的供电制式采用的是2 5 k v 工频单相交流制。电气化铁路 的牵引供电系统由分布在铁路沿线的牵引变电所及沿铁路架设的牵引网组 成。而接触网又是牵引网中的主要设备之一，也是牵引供电系统中比较薄弱 的环节，它担负着把牵引变电所变换后的电能输送给电力机车使用的任务， 其安装质量和工作状态将直接影响着铁路的运输能力。接触网是一种特殊形 式的供电线路，作为铁路电气化的主要组成部分，由于其线长点多，在受电 弓和风、霜、雨、雪、冰的作用下，一直处于动态变化之中。又因其无备用 性，故障停电将会中断行车，因此其涉及面比较广，目前已经成为发挥电力 牵引优越性的主要制约因素之一【l6 1 。接触网的主要任务就是保证对电力机车 稳定可靠地不间断地供应电能。其供电的特点主要有以下几点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 、电力机车受电弓与接触线的接触为滑动接触； 2 、受电弓为具有一定运行速度的接触触头，在达到一定速度时将会导致它与 接触线的机械分离形成离线； 3 、接触悬挂为一个弹性结构，而其弹性性能沿跨距必然具有不同程度的差异 性： 4 、受电弓在正常运行时对接触线会有一定的抬升力，在某些情况下会产生垂 直加速度； 5 、接触网为露天装置，在强风作用下会产生偏移与舞动，并且在一些情况下 会产生刮弓故障【5 1 。 对牵引供电的弓网系统来说，在机车静止状态下接触线与受电弓之间具 有良好的接触。在机车低速运行时，它近似于静止状态，一般能保证接触线 与受电弓的正常受流。但是当列车运行速度超过1 6 0k m h 时，因接触悬挂沿 跨距的弹性不均匀以及在受电弓的惯性力的影响下，会使受电弓在垂直方向 产生具有一定振幅的振动，从而使接触线与受电弓之间的接触压力产生变化。 在接触压力趋近于零值或小于零值时，会导致受电弓与接触线的滑动接触发 生破坏，从而使受电弓与接触线发生脱离，最终导致弓网系统的正常受流被 破坏，这就是弓网系统受流的不良状态。接触线与受电弓的相互作用情况是 牵引供电的供电质量与可靠性的决定因素之一。 由于接触网是一种没有备用的并且架设于铁路沿线上方的露天装置，因 此要受到沿线各种恶劣环境的影响。并且，线路上的负荷电力机车是沿 接触线移动和变化的，接触网还要经受外界自然条件变化的影响，其中风、 冰、雪和温度变化的影响尤为突出。因此，接触网的正常供电是电气化铁道 安全与可靠运营的重要前提。 电力机车受电弓与接触线滑动接触取流时，在受电弓与接触线之间我们 经常会看到时大时小的火花产生，火花就是受电弓瞬间脱离接触线后拉弧形 成的。产生火花的主要原因有接触线的高度不平顺、坡度变化大、稳定性差、 弹性不均匀、存在硬点等因素。产生的火花最终还有可能导致受电弓、承力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 索、吊弦与接触线的烧损，并同时伴随着有害电磁波的产生。由于受电弓是 在高速的运动中从接触网上取用电能，这种工作条件非常恶劣，从而电弧的 产生也是一种必然的结果。 电力机车上的受电弓和接触悬挂都是具有一定弹性的电气设备及供电装 置。当接触悬挂沿跨距的悬挂弹性不均匀，在接触线的接头线夹、定位线夹、 中心锚结线夹以及分段绝缘器等处都会造成硬点从而导致受电弓与接触线发 生分离。另外，当机车运行达到一定速度时，受电弓自身就要产生垂直方向 的加速度，从而引起接触悬挂的振动，由此使得二者的良好接触遭到破坏， 使受电弓在运行过程中不能很好地与接触线接触受流，最终导致受电弓与接 触线脱离。受电弓与接触线的分离是电力机车运行过程中一种不正常的运行 情况。国际上衡量“离线 的标准主要有三方面：( 1 ) 小离线：即受电弓与接 触线分离的时间t 1 0 0 m s ，每百公里允许出现6 次【1 4 】。也有的国家采用离线率，即离线 时间与运行总时间之比。“离线 的概念是衡量接触网受流质量的一个重要的 动态指标，“离线 概念的提出同时也为接触网与电力机车的运行状态指出了 一个工作的重点【引。 弓网系统中受电弓与接触线的机械性分离就意味着正常受流的中断，并 且还会伴随着火花电弧的产生。这种现象除对沿线通信线路产生干扰外，还 会加剧受电弓滑板与接触导线的磨耗，严重时甚至会中断接触线对电力机车 的供电。离线的原因是多方面的，但是起决定性因素的是受电弓和接触悬挂 的质量，故离线就成了衡量受流质量、受电弓及接触悬挂质量的重要指标。 列车在电气化铁路运行时，接触网、受电弓、车体及线路形成一个较为 复杂的振动系统，而接触悬挂与受电弓又构成了一个十分复杂的系统。接触 悬挂由承力索、接触导线、吊弦、定位装置、补偿装置、支撑装置及附加在 其上的各种零部件组成。受电弓由与接触导线相接触的滑板、框架、弹簧及 阻尼等部分组成。当受电弓以一定的速度、抬升力与接触导线进行滑动接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 时，抬升力及空气气流的扰动作用使得接触悬挂和受电弓发生振动。 通常在低速运行时，受电弓压力的平均值和弹性决定着接触导线的抬升 量，该抬升量与计算相符，被视为静态抬升量。但随着机车运行行速度的提 高，特别是达到1 6 0 2 0 0 k m h 及以上时，计算的抬升量开始与实际运行中的 抬升量不符，且速度越高，额外增加的抬升量也越大。这一随机车运行速度 增加而增大的抬升量被视为动态抬升量，该动态抬升量是导致接触悬挂和受 电弓被干扰振动的主要因素之一。 电力牵引的弓网关系在高速和重载运输条件下显得尤为重要。轮轨关系 和弓网关系组成了铁路线路上一个立体的大系统，列车穿行其中，要使速度 提升更高、重载运输质量更大，就应该把解决弓网间的问题与解决轮轨间的 问题视为同等重要。只有把两者关系统一解决，才能使电气化铁路成为一种 更完善、更理想的运输方式。 接触网在电气化铁路中是一种投资较大、事故较多的供电设备，设备质 量要求较高，在当前铁路运输极端繁忙，列车运行速度日益提高的情况下， 如何保证电力机车的安全运营与提高接触网的供电可靠性，是当前亟待解决 的问题之一。 2 2 弓网系统受流评价标准 目前，世界上大多数国家都在研究高速铁路，由于高速铁路的列车运行 速度、密度和负荷明显加大，受电弓上下振动和左右晃动加剧，接触线的抬 升量相应增大，而实现高速安全运营的关键因素之一就是弓网间的可靠供电。 高速运行的受电弓通过接触网，在受电弓的激励下接触网形成复杂的振动， 接触线的振动幅度和频率受到接触线张力、线材特性、弹性等条件制约。在 受流过程中受电弓与接触网由于机械、电气上的密切关系以及相互影响构成 了一个完整的弹性阻尼系统，任何一方出现问题都会破坏正常的受流性 能，因此有必要规范弓网系统的受流质量标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 衡量弓网系统受流质量的标准一般分为静态标准和动态标准，静态标准 主要包括静态弹性及其不均匀系数、静态抬升量和静态抬升力，动态标准包 括波动传播速度、动态接触压力及其标准偏差、动态抬升量、离线率及离线 时间等。 对德国铁路来说，弓网受流性能评价包括接触网的静态弹性及不均匀度、 离线率、动态接触压力及其标准偏差。 弹性不均匀度( u ) 规定为：r e l 0 0 为u = 6 0 5 0 、r e l 6 0 为u = 2 6 1 9 、r e 2 0 0 为u = 1 4 、r e 2 5 0 为u = 1 0 ，r e 3 3 0 为u = 8 。 接触网和受电弓间相互作用状态最终的评价标准为动态接触力及其标准 偏差，主要是控制最大、最小接触压力。最小接触压力过小将导致接触不良， 引起电弧；最大接触压力过大将造成接触网的抬升量加大、受电弓运动振幅 加大，受流状况恶化。 日本对高速铁路弓网受流系统主要从以下几方面进行评价。 ( 1 ) 接触线的波动传播速度 要想保证弓网受流系统的稳定受流必须提高接触线的波动传播速度，最 高运营速度控制在接触线波动传播速度的7 0 以下。 ( 2 ) 离线及离线率 日本对于离线及离线率标准的确定是从机车直流电机以及滑板的实际允 许耐受程度并同时兼顾受电弓噪音和无线电杂音来考虑的。其规定最大的离 线时间不应该大于2 0 0 m s ，离线率最好不超过5 、最差的情况下应不超过 2 0 。 ( 3 ) 导线的抬升量 出于对安全的考虑，其定位器为限位型，新干线允许最大抬升量为 1 8 0 m m ，考虑支持导线上浮的维修余量3 0 m m 以及风、车辆、支柱的倾斜等 产生的5 0 m m 的抬升量，规定受电弓的最大允许抬升量为1 0 0 m m 。 从以上所讨论的弓网系统受流评价标准可以看出，各国对弓网系统的良好 受流都有一个严格的评价标准，说明了弓网系统的良好受流对于电力机车的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 高速运行具有相当重要的意义，因此我们有必要对弓网系统进行更深入的研 究与探讨，尤其需要对受电弓与接触线脱离时所产生的电气过程进行更为深 入的分析。 2 3 受电弓 为了在接触导线和变压器高压绕组间建立起电的联系，在电车机车上装 设有受电弓，受电弓的作用是从接触线上获取电能并将电能传输至牵引机车。 机车开动时，受电弓的滑板沿线路上的接触导线滑动。受电弓由相互铰接的 四个轻框架组成，它的上部装有接触滑板。受电弓的框架依靠弹簧机构的作 用将滑板上举并紧压到接触导线上。当接触导线的高度变化时，受电弓框架 系统能使滑板上升或下降，因而能始终保持它紧压在接触导线上。电力机车 通常具有两个受电弓，运行时使用一个，另一个作为备用。 对于辅助设施、生活设施的固定用电与牵引车辆运行的移动用电两方面 来说，电力传输都应该保证安全性与可靠性。受电弓主要由主架、臂、弓头( 包 括滑板) 和传动装置等几部分组成。 由于受电弓在运行中相对于接触网作横向运动，而受电弓弓头必须总是 超出接触线最不利的位置，因此，受电弓与接触网相互作用的基本要求为在 运行中接触线不离开受电弓弓头的工作范围。在正常运行时，接触线与滑板 的接触滑行是最重要的。受电弓有上、下两个工作位置，这两个位置之间的 范围便是工作范围。 受电弓的滑板作为弓头的一部份，直接与接触线滑动接触取流。滑板应 具有以下特性【8 】： l 、电接触电阻要小； 2 、熔点高； 3 、导热性能良好； 4 、质量小； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 5 、抗压强度高； 6 、弹性好； 7 、与铜接触线之间的摩擦系数小。 一 滑板以与机车相同的速度与接触网导线发生摩擦，传导1 0 0 1 0 0 0 a 的电 流，同时在运行中还承受柔性冲击力。因此，受电弓滑板与接触网导线构成 一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，对两者材料的综合性能有严格的要求。 滑板磨损的形式主要是磨粒磨损、粘着磨损和电气磨损，提高滑板的耐磨性、 减磨性能可以有效地节约资源、降低维护费用，对于铁路系统的发展具有重 大的意义。 用电极碳或用粘合剂的石墨制成的碳滑板已被证明特别适用于铜接触 线。德国铁路和欧洲其它交流电气化铁道已将2 0 世纪上半世纪使用的金属受 电弓滑板更换成碳受电弓滑板。现在单相交