（电力系统及其自动化专业论文）受电弓——接触网系统电接触特性研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 能维持滑板与接触线之间的电气联系，保证电气列车取流的持续性，这种特性 对移动接触能量的传输至关重要。 弓网系统电火花和电弧现象的产生原因有多种，不同情况下的电弧对弓网 系统材料的影响也不相同。依据热传导理论建立弓网系统电弧烧蚀模型，将接 触线被电弧侵蚀的热过程计算归结为具有第二类边界条件的常热流快速加热半 无限大物体的强瞬态热传导问题的求解，并分别在静止电弧和运动电弧两种热 流输入情况下，对接触线的热过程进行的仿真结果表明，静止电弧和运动电弧 对接触线的电气侵蚀程度不同，静止电弧在极短的时间内就能引起接触线表面 熔化，不同速度的运动电弧对接触线表面的侵蚀程度不同，电气列车运行速度 越高，电弧对接触线表面的侵蚀程度越轻微。 常采用测量与接触电阻密切相关的动态接触压力、燃弧率及定位点处接触 线的抬升量等参数对弓网系统接触质量的优劣进行间接评价，利用滑板和接触 线的磨耗量对弓网系统的运行寿命进行评价。 关键词接触网；受电弓；电接触；电弧 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cc o n t a c to fp a n t o g r a p ha n do v e r h e a dc o n t a c tl i n e s y s t e m ( o c s ) s t u d i e st h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp h e n o m e n a o c c u r r i n gi nt h ec u 仃e mt r a n s m i s s i o n b e t w e e no c sa n dp a n t o g r a p h ，w h i c hi n c l u d e st h ep r o b l e m sa n dp h e n o m e n ac a u s e d b ys t a t i cc o n t a c t ，s l i d i n gc o n t a c t ，o p e n c l o s ec o n t a c ta n de t c t h ep a p e rd e s c r i b e st h et h e r m a lc o n d u c t i o np r o c e s su n d e rt h e s et h r e e t y p e so f c o n t a c t ，w h i c hf a l l si n t of o u ra s p e c t s t h ef i r s to n ei sa b o u tt h es t a t i ct e s tr e s u i t so f t h ec o r r e l a t i o na m o n g t e m p e r a t u r er i s eo ft h ec o n t a c tw i r e ，c o n t a c tf o r c ea n dc u n e n t c o l l e c t i o n t h es e c o n do n ec o n c e n t r a t e so nt h e t h e o r i e sr e l a t e dt ot h ec o n t a c t r e s i s t a n c e ，c o n t a c tt e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lm a t c h ，a n dw e a r t h et h i r do n eg i v e sa d e t a i lp r e s e n t a t i o na b o u tt h ec a u s e sa n de f f e c t so fa r c i n g t h el a s t o n es u m m 撕z e s t h e r e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cc o n t a c ta n dt h em e t h o d st oe v a l u a t et h ec o n t a c t p e r f o r m a n c e t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei st h eb a s i cp a r a m e t e ro ft h ee l e c t r i cc o n t a c to fo c sa n d p a n t o g r a p h ，w h i c hi ss u b j e c t e dt ot h ec o m b i n a t i o no fc o n t a c tm a t e r i a l so fc o n t a c t w i r ea n dp a n t o g r a p hc o l l e c t o rs t r i p ，c o n t a c tf o r c e ，c o n t a c tt y p e ，c o n t a c ts u r f a c ea 1 1 d e t c t h ec u r r e n t si nas t a t i o n a r yv e h i c l eh a v et ob eh e l db e l o wt h ep e r m i s s i b l el i m i t s t h et e s t so ft h ec o r r e l a t i o na m o n gt e m p e r a t u r er i s e ，c o n t a c t f o r c ea n dc u r r e n t c o l l e c t i o nv a l u eb e t w e e np a n t o g r a p hc o l l e c t o rs t r i p sa n d r i g i dc o n d u c t o rh a v eb e e n m a d eu n d e rs t a t i cc o n t a c t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni s n o t s e n s i t i v et ot h ec o n t a c tf o r c ew h e ni t i sb e t w e e n6 0 - , - 12 0 n e l e c t r i c c o n t a c t p e r f o r m a n c ew i l ln o tb ec h a n g e dg r e a t l yo n l yt h r o u g hc h a n g i n gt h ec o n t a c tf o r c e t h es t a t i cc u r r e n tc o l l e c t i o nv a l u eo fp a n t o g r a p h ，p e r c e n t a g eo fa r c i n go fo c s a n dt h ec o m b i n a t i o no fc o n t a c tm a t e r i a l so fc o n t a c tw i r ea n dp a n t o g r a p hc o l l e c t o r s t r i pa r et h es k yp a r a m e t e r st ot h es t a t i cc o n t a c tf o r c e t h es i m u l a t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i o np r o c e s sc a u s e db yt h ec u r r e n to fo c s ， w h e nt r a i ns t a r ta n ds h o r tc i r c u i to c c u r s ，s h o w st h a tt h en o r m a ls t a r t i n gc u r r e n t sw i l l n o td e c r e a s et h eo p e r a t i o n r e l i a b i l i t yb u ts h o r t - c i r c u i tc u r r e n t sm a yl e a ds e r i o u s d a m a g et ot h ec o n t a c tw i r ea tt h ec o n t a c t p o i n t t h ew e a rf o r m e db yt h e s l i d i n gc o n t a c tb e t w e e ns t r i pa n dc o n t a c tw i r ei s 第页西南交通大学博士研究生学位论文 c l a s s i f i e da sm e c h a n i c a l ，c h e m i c a la n de l e c t r i c a lw e a r m e c h a n i c a lw e a rc a nb e d i v i d e di n t of e l t ，g r a n u l ea n df a t i g u ew e a r i nm o s tc a s e s ，w h e nt h em e c h a n i c a lc o n t a c tb e t w e e np a n t o g r a p ha n do c si sl o s t ， t h ec u r r e n ta n dv o l t a g eb e t w e e ns t r i pa n dt h ec o n t a c tw i r ea r eh i g h e rt h a nt h o s e n e c e s s a r yt og e n e r a t ea r c i n g ，a le so c c u r si n i t i a l l y a na r c i n ge n s u r e st h a tt h ec u r r e n t f l o wi s u p h e l da n di st h u so ff u n d a m e n t a li m p o r t a n c ef o re n e r g yt r a n s m i s s i o n b e t w e e nm o v i n gc o n t a c t s t h e r ea r em a n yc a u s e se s p o n s i b l ef o re l e c t r i c a ls p a r ka n da r c i n g a r c i n gf o r m e d i nd i f f e r e n ts i t u a t i o n sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so nm a t e r i a l so fo c s am o d e lo f a l e - m e l t o fo c sa n dp a n t o g r a p hi s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h e r m a lc o n d u c t i o n t h e o r y t h ec o n t a c tw i r ei sm o d e l e da sh a l f - i n f i n i t yv o l u m e ，w h i c hi su n d e rt h e s e c o n db o u n d a r yc o n d i t i o n t h ee r o d i n gp r o c e s so fc o n t a c tw i r ei ss i m u l a t e d t h r o u g hs o l v i n gt r a n s i e n tp r o c e s su n d e rs t a t i ca r c i n ga n dm o v i n ga r c i n g t h er e s u l t s h o w st h a tc o n t a c tw i r ei se r o d e dt od i f f e r e n td e g r e ew i t hs t a t i ca n dm o v i n g a r c i n g t h es u r f a c eo fc o n t a c tw i r ei sm e l ti ns h o r tt i m eu n d e rs t a t i ca r c i n g u n d e r m o v i n g a r c i n g ，t h ee r o d ed e g r e ei sr e l a t e dt ot h et r a i ns p e e d t h eh i g h e rt h et r a i ns p e e di s ， t h el o w e rt h ee r o d ed e g r e ei s t h ep a r a m e t e r sw h i c ha r er e l a t e dt oc o n t a c tr e s i s t a n c es u c ha sd y n a m i cc o n t a c t f o r c e ，p e r c e n t a g eo fa r c i n g ，a n dc o n t a c tw i r eu p l i f ta tt h es u p p o r ta l eo f t e nm e a s u r e d t oe v a l u a t ec o n t a c tp e r f o r m a n c ei n d i r e c t l y t h ew e a ro fs t r i pa n dc o n t a c tw i r ei s o f t e nu s e dt oe v a l u a t et h eo p e r a t i o nl i f eo fp c s k e yw o r d s ：o v e r h e a dc o n t a c tl i n e ；p a n t o g r a p h ；e l e c t r i cc o n t a c t ；a r c i n g 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 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位敝储躲黑铭钦艚掷虢砰刚i 钦 日期：加口尸昂f 朗，r f a日期：硼7 ，艿 i 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。 本学位论文首次利用电接触及热传导等基础理论对弓网系统的电气作用进 行综合性表述与研究，主要创新点表现为： 1 首次对受电弓与接触网系统的静态电接触特性进行了全面的分析，在受 电弓与接触网相对静止状态下，对滑板与刚性接触网之间的接触温升接触 压力取流量关系进行了试验研究。结果表明，静态情况下的弓网接触压力 在6 0 n 1 2 0 n 范围内变化时，弓网系统的接触温升对接触压力的变化不敏感， 单纯增加或减小接触压力不能显著改变受电弓与接触网之间的静态接触温升。 2 首次对弓网系统滑动接触过程中的暂态热效应进行了研究，在电气列车 起动和内部短路两种情况下，利用热传导理论对弓网系统电流引起的接触线热 过程进行了仿真计算。结果表明，正常的起动电流不影响弓网系统的运行可靠 性，但电气列车短路电流对弓网接触点处接触线有致命的影响。 3 首次对弓网系统电弧的产生原因及其影响进行了全面阐述，依据电接触 理论对弓网系统电弧的产生原因、产生过程及影响进行了全面分析；依据热传 导理论，将接触线被电弧侵蚀的热过程计算归结为具有第二类边界条件的常热 流快速加热半无限大物体的强瞬态热传导问题的求解；在m a t l a b 环境下编制程 序，在静止电弧和运动电弧两种热流输入情况下，分别对接触线的热过程进行 了仿真计算。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。 静止电弧在极短的时间内就能引起接触线表面熔化，不同速度的运动电弧对接 触线表面的侵蚀程度不同，电气列车运行速度越高，电弧对接触线表面的侵蚀 程度越轻微。弓网系统应尽可能避免静止电弧的产生。 论文作者签名黑钞荔戈 日 期：秒年厂肘日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 接触网是沿铁路线上空架设的一条特殊形式的输电线路，主要由接触悬挂、 支持装置、支柱和基础等组成。包括接触线、吊弦、承力索和补偿器及连接零 件的接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其作用是将牵引变电所的电能输送 给电气列车口2 3 。 受电弓安装在电气列车车项，电气列车通过受电弓滑板与接触线接触取得 电能。受电弓与接触网构成的系统( 以下称弓网系统) 是电气列车的受流方式 之一，是固定设备和移动能量消耗设备( 即车辆) 之间联系的纽带。弓网系统 是在构成电气回路的同时，运行中必须保持有一定接触压力的机械装置。世界 上具有代表性的高速铁路，毫无例外地采用弓网系统受流1 。当电气列车由普 通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用显得极为重要，因为电 能传输是限制列车实现最高速度的一个因素h 1 。 在受流过程中，受电弓和接触网在机械和电气上密切相关，只要其中之一 出现问题，就会破坏正常的受流特性，甚至导致弓网事故的发生嵋1 。 在城市轨道交通及部分铁路干线长大隧道中，也使用接触轨或刚性接触网 ( 架空接触轨) 与取流靴或受电弓组成的系统向电气列车供电畸 9 1 。 弓网系统要求通过连续的、即不中断的电气和机械接触给电气列车供电， 与此同时，要使接触线和滑板的磨耗保持尽可能低的程度。因此，受电弓与接 触网的相互作用决定了弓网系统向电气列车供电的可靠性、供电质量以及运行 寿命，依赖于一定经济、技术条件下受电弓和接触网的设计、制造( 装配) 、维 护方案的确定及大量参数的选取。 弓网系统的振动特性、滑板与接触线的小接触面传输大电流及滑板与接触 线的摩擦磨损等方面的问题构成弓网系统的核心问题。 1 弓网系统的振动特性接触网既有均布质量，又有集中质量，是一个非 常复杂的振动系统。当受电弓与接触网接触并高速运行时，受电弓弹簧系统的 振动、列车车体的振动以及风力等因素均参与作用，使受电弓弓头在上下、左 右、前后三个方向产生运动n 0 | 。 接触压力连接受电弓和接触网两个机械系统，这两部分均能振荡并且具有 各种不同的质量模块、弹性系数、衰减系数和自然频率。由于接触网具有弹性， 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 在受电弓作用到接触网上时就使接触线有一定的抬升量。沿接触线锚段变化的 弹性导致受电弓周期性地上下运动，运动速度取决于受电弓作用到接触线上的 力。弓网振动以横波的形式沿接触网锚段传播，并在集中质量和吊弦处产生波 的反射，反射波与振动的主横波叠加。振动波的反射与叠加对弓网接触压力又 产生影响。 随着速度的增加，动态部件对接触压力的影响越来越大，为了保持受电弓 滑板沿着接触线移动并不间断地与接触线接触，接触压力的值必须保持在一定 范围，即动态范围。 弓网接触压力小到一定程度或完全失去时，受电弓与接触线之间会产生电 弧。相反，弓网接触压力过大会导致接触网抬升过高并带来无法接受的弓网磨 耗 1 3 3 。 2 小接触面传输大电流弓网系统将电能从牵引变电所传输到电气列车， 对于车内的辅助设施、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，电力传输都应安全可靠。 我国的电力机车型号较多，国产电力机车以韶山系列为主，如s s 。、s s 。、 s s 。、s s ，、s s 。、s s 。等，以及应用8 k 机车技术改造s s 。机车试制成功的s s 。机车； 进口电力机车主要有前苏联的6 g 、日本的6 k 、法国的8 k 等。现在又生产了代 表当前最高水平的交一直一交c r h 系列动车组。无论是何种型号的电力机车，还 是c r h 系列动车组，持续功率均不低于4 8 0 0 k w 。由大连机车车辆厂设计生产的 s s j 。型交流传动电力机车，额定功率可达7 2 0 0 k w n4 | 。 以德国i c e 3 型动车组为技术平台开发的我国c r h 3 型动车组，牵引总功率 可达8 8 0 0 k w m 16 | 。 广州地铁一号线采用d c l 5 k v 架空接触网供电，每列地铁列车同时使用两 架受电弓从接触网取流，电动车组持续功率为3 6 0 0 k w ，每架受电弓的取流量可 达1 2 0 0 a 1 7 1 9 1 。 电气机车所需电流通过接触线与滑板的接触处电接触点传输，这一接 触点表现为直线与平面之间的接触，较小的接触面积是造成电能传输的主要障 碍，有时会导致弓网系统产生严重故障。在所有架空接触网设施的损坏中，有 相当比例是因为接触线和滑板两者之间不良电气接触带来的短期热效应造成 的。这种情况在车辆静止不动或缓慢移动高额取流或受电弓滑板磨损和损坏时 都有可能发生妇0 矧。 3 摩擦磨损滑板与接触线之间的磨损表现为电气磨损和机械磨损两个方 面。弓网接触压力过大时，机械磨损明显；弓网接触压力过小时，滑板与接触 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 线之间的电气磨损成分占多数旧9 | 。 接触线起到受电弓滑板接触滑道的作用，为了使滑板的机械磨损均匀及改 善弓网运行关系，接触线沿受电弓中心线以之字形或折线形状布置口0 i 。 上述弓网系统的各个核心问题之间有区别又相互联系。弓网系统的振动特 性、小接触面传输大电流及摩擦磨损共同决定着弓网系统的供电可靠性、供电 质量及运行寿命。 对弓网系统小接触面传输大电流时遇到的机械、电、热等方面的问题进行 分析、研究是本论文研究的主要重点。 到2 0 1 0 年，我国铁路的营业里程将达到9 万k m 以上，复线、电化率均达 到4 5 以上口1 | 。截止2 0 0 6 年底，中国先后有北京、天津、上海、广州、大连、 长春、武汉、深圳、重庆、南京1 0 个城市建成了轨道交通，有2 0 多条线路在 运营，里程达5 0 0 k m 口2 】。 随着电气化铁路及城市轨道交通向高速化、重载化、网络化、公交化方向 发展，对包括接触电阻、接触温升、电弧等内容的弓网系统电接触特性进行深 入研究势在必行。 对弓网系统电接触特性进行研究，有助于清醒认识弓网系统需要解决的问 题，促进弓网系统设计、施工、维护、设备制造水平的进步与提高；有助于弓 网关系及其评价理论的进一步充实、更新、补充和发展，填补电接触理论在受 电弓与接触网相互作用研究领域的空白，丰富我国受电弓与接触网系统的理论 体系。 1 2 研究现状 任何一个电系统，都必须将电流( 作为电的信号或电的能量) 从一个导体 通过导体与导体的接触处传向另一个导体。此导体与导体的接触处称为电接触， 它常常是电信号或电能传送的主要障碍。电接触理论正是研究电接触产生、维 持和消除过程中，两导体接触界面或导体与等离子体界面发生的物理化学过程 的学科。这一学科涉及电弧物理、电磁场理论、计算机仿真、微观测试技术、 电磁机构、电工材料与制造等。其研究的最终目的是在满足一定经济、技术条 件下，提高电接触的工作可靠性和工作寿命口引。 电接触理论是一门交叉学科，又是一门独立学科，有独立的理论和特殊的 研究方法，有独自的研究、教育体系，以及独立的学术组织。1 9 4 1 年，德国科 学家r h o l m 出版了电接触学科的第一部著作电接触技术物理口4 l ，标志着电 接触学科的初步形成。1 9 5 8 年，r h o l m 出版了电接触手册阳引，标志着电接触作 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 为一门独立学科的形成。 我国从2 0 世纪5 0 年代起开始电接触方面的研究工作。1 9 7 9 年5 月，在西 安交通大学王其平教授和华中理工大学程礼椿教授倡议下，正式成立了全国电 接触及电弧研究会，并定期举行学术交流。此外，西安交通大学举办过多届国 际电接触、电弧、电器及其应用国际学术会议，北京邮电大学也举办过电接触 方面的国际会议。从1 9 8 1 年开始，在重要的国际电接触会议上，均有我国电接 触方面的论文宣读或发表。1 9 8 8 年，华中理工大学程礼椿教授出版了中国第一 部关于电接触理论及应用方面的著作m 1 。 电接触理论认为，固体表面微观上均为凸凹不平，有凸峰也有凹谷，峰谷 的形状、高度、平均间距等几何参数与表面加工工艺有关。两接触组件间的接 触表现为两接触面的凸凹处在外力作用下形成的不连续斑点接触旧7 1 。 文献 3 5 认为，当电流通过接触元件时，实际上电流将集中流过那些极小 的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流线必发生收缩，使电流流过的路径增 长，有效导电面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为“收缩电阻”。如果电 流通过的导电斑点不是纯金属接触，而是存在可导电的表面膜，则还存在另一 附加电阻，称为膜电阻。这两部分电阻之和称为接触电阻。当电流通过导体与 导体的接触处时，接触电阻两端产生接触压降，并在接触电阻上产生焦耳热， 使收缩区的温度升高。导电斑点上的温度超过收缩区外导体的温度的数值称之 为斑点的“超温”。 电接触按工作方式可分为三大类：固定电接触：触头在工作过程中没有 相对运动；滑动及滚动电接触：在工作过程中，触头间可以相互滑动或滚动， 但不能分离：可分合电接触：在工作过程中可以分开或闭合的接触。固定电 接触出现的主要问题是：接触电阻、接触温升和接触熔焊。滑动电接触除出现 上述问题外，还有触头之间的摩擦、润滑和磨损。可分合电接触在工作期间常 出现电火花或电弧，电弧的热等离子体与接触元件相互作用，会带来比固定电 接触和滑动电接触严重得多的问题。因此，在三种型式的电接触中，接触电阻、 接触温升和接触熔焊是电接触普遍存在的共同问题，摩擦、润滑与磨损是滑动 电接触的特殊问题；电弧放电引起的温升、熔焊和磨损在可分合电接触工作中 负担最重，因而也是最困难的问题啪1 。 文献 3 9 通过对电器触头及触头焦耳内热源的数学描述，建立了用数值分 析法研究触头静态电接触热过程的数学模型。应用数值方法，获得触头上的温 度分布、焦耳内热源的分布、触头最高温度点的升高过程与电流、接触压力及 触头材料热物理参数之间相互关系。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 文献 4 0 认为，在大气中开断电路时，如果被断开的电流超过0 2 5 - - 1 a ， 断开后加在触头上的电压超过1 2 2 0 v ，则在触头间隙中通常会产生一团温度 极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体这就是电弧。产生电弧的 最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电通 常称为火花。电弧的中间部分叫弧柱，弧柱贴近电极的部分叫弧根。弧柱具有 6 0 0 0 k 以上的温度，任何材料与之长时间接触皆将气化。弧柱向周围介质散热 的方式有传导、对流和辐射等三种。 关于电触头间发生的电弧放电及其特性，文献 4 1 一- - 4 4 认为，触头断开电 路时，如果供给触头的电压和电流超过某一最小值时将引燃电弧。电弧引燃的 过程如下：触头从正常闭合位置开始向断开的方向运动，因接触压力逐渐减小， 实际接触面和导电面的面积减小，接触电阻月相应增大，在接触面最后分离前 的一瞬间，断开的电流为，时，砌能量集中加热最后离开点的一个极小的金属 体积，使其温度迅速上升到金属的沸点而引进爆炸式气化。在间隙充满金属蒸 气的条件下，触头间形成电弧。 触头接通电路时，借助高速摄像机，通过对燃弧情况的观察得出，在闭合 过程中，有三种现象存在：随着触头间隙缩短，由于间隙的预击穿而产生放 电继而固定接触；触头闭合初期，先产生预击穿放电，并使材料蒸发，靠金 属蒸气形成稳定的液态接触并熄弧；既无金属气化又无预击穿的单纯机械闭 合。这些现象是在触头闭合过程无弹跳的情况下观察到的，如存在触头弹跳， 则现象会更加复杂h ”4 引。 文献 4 7 认为，触头材料电弧侵蚀是指电极表面电弧热力的作用使触头材 料以蒸发或液体喷溅，或固态脱落等形式引起的材料损失。电弧侵蚀是触头材 料耗损的主要形式。电弧特性及其对电极的热力作用与负载特性、电极运动速 度、开距及环境气氛有关。而触点材料对所输入电弧热力作用的响应则决定于 材料的成分、组织结构及理化性能。电弧侵蚀有两种主要形式：液态喷溅。 在电弧能量的作用下，触头表面微区熔化形成液池，液池内的金属液体在各种 力的作用下，以微小液滴的形式飞溅离开触头本体；汽化蒸发。在电弧能量 的作用下，触头表面层材料发生固液及液气相变，以蒸发的形式脱离 触头本体。 文献 4 8 将脉冲电弧侵蚀电极材料归结为具有第二类边界条件的常热流热 传导问题的求解，认为：当电弧功率密度小于某一临界值时，无论电弧作用 的时间多长，均不会对电极造成烧蚀；电极材料的抗侵蚀能力与材料的比热、 密度、熔点、材料的导热系数有关，并且材料的比热、密度越大，熔点越高， 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 其抗侵蚀能力越强。电极材料侵蚀量的大小则不但与材料的比热、密度、熔点、 材料的导热系数有关，还与材料的液化潜热和电弧的作用时间有关，两者变化 趋势并不完全一致。为了减少电极的烧蚀，要选择比热、密度、液化潜热大、 熔点高的电极材料；增大电弧与电极的作用面积，使电弧运动等可减小开关 电极的烧蚀程度。 文献 4 9 认为，电弧侵蚀触头的过程及机理极其复杂，但对触头的作用可 以简化为高能密度热量短时作用于触点表面层的过程。触头材料电弧的热一力 作用及以后的物理冶金过程主要为快速加热( 软化) 相变( 熔化、汽化) 流动凝固等几个阶段。与单相均质触头材料相比，多组元触头材料因 其成分和组织结构的多元化使其加热与冷却过程及流体力学特性呈现完全不同 的结果。 电气列车通过受电弓滑板与接触线的较小接触面取得牵引及其它设施所需 的电功率，在功率传递的过程中，滑板与接触线接触过渡区中会产生一系列的 机械现象、电现象、热现象、化学现象等。依据电接触理论，对滑板与接触线 之间的各种现象进行研究，解决受电弓与接触网相互作用中存在的问题，保证 弓网系统在一定的经济、技术条件下向电气列车可靠、优质供电，这方面的研 究成果在国内外的文献中也有报道。 1 2 1 国外研究现状 电气化铁路使用纯铜( 电解铜e c u ) 和铜合金( 铜银合金、铜锡合金、铜 镉合金、铜镁合金等) 作为接触线的主要材料，这也决定了接触网成本比较高。 铜或铜合金接触线是通过浇铸轧制过程将1 8 2 4 m m 直径铜材拉制而成的， 此材料连续通过数个圆形模具、接着是沟槽式模具、然后是修整模具进行控制， 将导线冷拔成最终的尺寸和外形，这就将几乎是圆形的材料微结构拉拔成长形， 最后排列为与导线拉伸方向一致的纤维状结构。晶状体结构的不均匀性增加了 剪切抗力并使材料硬化。由于铜经受了数个冷拔过程，这就增加了其变形抗力， 但同时降低了导电性和可塑性。 冷拔铜或铜合金导线的长期发热会造成其晶状体结构重新回到冷拔过程前 的结构状态。转变到稳定的晶体状微结构称之为再结晶，并伴随着丧失冷拔接 触线的全部典型物理特性。当超出再结晶温度时，微结构开始发生变化并伴随 着抗拉强度的损失。在此过程中，晶体状颗粒恢复到稳定的圆形，由冷拔形成 的微结构几乎全都转化了咖 5 制。 由于发热，铜导线抗拉强度的损失随着在高温下材料的保存持续时间、转 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 换系数及铜纯度而增加，带银的合金铜显著地延缓了抗拉强度的降低n 5 | 。 文献 5 6 研究了在周期性温度变化情况下和保持在恒定温度1 0 0 - - 1 5 0 范 围情况下，发热对铜的抗拉强度损失的影响，并发现短期暴露在更高温度下时 并不影响导线的抗拉强度。文献 5 7 对同一目标物所进行的研究得出了相同的 结论。 根据环境条件和接触对象的材料，铜会形成5 - - 一2 0um 厚的一氧化铜和二氧 化铜，其中可能含有来自受电弓滑板材料的石墨混合填充物。这一层混合材料 既导电又坚硬，为滑动电接触提供了理想的工作条件。 1 9 4 0 年在德国的纽伦堡到奥格斯堡、d e s s a u 附近和西里西亚的线路上安装 了青铜和铜的含量为4 5 的铜包钢线，实践证明这些接触线( 直至接触面上的 铜被磨损时止) 与铜线具有类似的机械特性，但铜层磨损后导线的磨损速度加 快并降低了运行的可靠性晦3 | 。不过，日本仍在使用铜包钢线啼。 由于铝表面有一层不导电的坚硬的氧化层，每次在受电弓滑板经过时必须 磨掉氧化层，在能量传输中产生磨损和连续燃弧。因此，铝不适合用作接触线 材料。 钢、铜合金、碳( 石墨) 和金属碳已经用作滑板材料嘞1 。这些材料与接触 线的相互作用原理有明显的不同。碳和石墨带来光滑的表面，没有任何粗糙成 分磨损接触线。铜和钢形成一种粗糙的表面类似于一把细锉，这种粗糙程度起 到的研磨作用会使接触线和滑板均迅速磨损。 金属滑板引起的接触线的磨损率几乎是碳滑板的1 0 倍哺9 | 。使用金属滑板的 目的是担心敏感的、易碎的碳滑板可能会在机械碰撞条件下破碎。 金属滑板比碳滑板要重得多，会对受电弓的动态特性产生不利影响，对弓 网接触压力的动态范围有负作用。由于直流系统电压低，电气列车取流量大， 直流电气化铁路常采用金属滑板响0 l 。 如果碳滑板和金属滑板在同一接触线上混合运行，会形成不同的接触线表 面结构，这样的选择是不明智的，会使接触线和碳滑板的磨损率明显加剧。出 于这种原因，适合欧洲高速铁路的互操作性技术规范规定了用碳作受电弓滑板 材料n 3 1 。 电气列车不从接触网取流时，接触线和滑板的磨损只有机械磨损，当两者 间的电流增大到一定程度时，电气磨损成分开始起作用，并使磨损率提高。弓 线接触压力的提高，使机械磨损成分肯定增加，并成为主要磨损。这意味着， 为保证接触网的最佳性能，尽可能实现均匀的弓网接触压力十分重要阳。 对于弓网系统的滑动接触，滑板与接触线之间是机械接触，实际的接触面 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 非常小，且其位置很快变换。当将电压施加在滑板与接触线之间时，电流流过 在机械接触面的、与各种参数有关的一系列电接触点。根据s h o b e r t 的研究， 接触点的数目在1 5 到2 0 之间，并且在很大程度上与表观面积大小无关。随着 负载的增加，接触点数目趋于减少。接触点电流密度在2 0 0 0 0 0 a c m 2 数量级， 这也说明一个接触点寿命是短暂的哺2 | 。 接触线和滑板两者之间的不良电接触形成的电弧会带来短期热效应，通常 采用基于接触区或单点接触的模型研究这种热效应过程。当短路发生在电气列 车中时，由于接触线和滑板的相互作用，温度分布公式不能直接估算出毁坏接 触线的时间周期，接触线加热模型将不得不补充接触线变形和破坏进程模型。 此模型模拟表明，温度达到4 0 0 5 0 0 、即使时间不足1 s ，铜材料也会开始再 结晶6 3 3 。 文献 6 4 表明，俄罗斯电气化铁路大部分的接触线故障是由于接触线与受 电弓相互作用时的热侵蚀造成的。位于电气列车受电弓上方的接触线由于热作 用而毁坏的数量在1 9 9 1 年为5 6 ，其中约3 0 与工作状况和事故状况下在接触 线、以及受流元件里经历的过程有关。这种情况下的损坏是由电气列车需要最 大电流的地方发生软化和腐蚀磨损增加造成的。在电力机车起动时的低速运行 和短路情况下表现得尤其明显。 为接触网设施设计恰当的保护措施能使接触网的热性能得到充分利用，这 本身也是使设计充分的接触网系统得到最佳运行的必要条件。德国对接触线温 度进行直接测量的热保护设备证明它是特别有效的旧5 1 。 文献 6 6 介绍了俄罗斯和独联体的其它国家使用的金属基粉末冶金滑板和 碳滑板。在电压为3 k v 的直流电气列车上的受电弓滑板要采集很大的电流 ( 1 5 0 0 a 2 8 0 0 a ) ，受电弓使用金属基粉末冶金滑板。但是，使用金属基合成材 料来制造滑板，很难明显降低接触线的磨损。这首先与滑板和接触线的两个金 属接触点在滑动摩擦时经常会相互间发生强烈的磨擦有关。此外，作为粉末冶 金的基材，铁和铜这类金属不可能抵御取流时产生的电弧的烧蚀。电压为2 5 k v 的交流电气列车车辆的受电弓取流比较小( 不到5 0 0 a ) ，受电弓使用碳滑板， 这种滑板具有与金属基粉末冶金材料完全不同的接触特性。但碳滑板的电气特 性比粉末冶金滑板差，在收集较大的直流电流时，滑板与接触线的接触点处会 产生大的电压降，并析出大量的热能，从而导致接触线发热。受电弓取流量较 大时，使用碳滑板是很危险的。 要求连续送电时弓网系统没有电压降或电流损失，这就意味着滑板与接触 线必须一直保持机械接触。如果失去机械接触，两者之间就会产生电弧。电弧 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 对环境产生影响，引起干扰并加大磨耗但却能保证电流的持续性，这对移动接 触能量传输非常重要。如果空气间隙增大，电弧熄灭，电流中断，车辆会因为 电源切断而失去牵引动力。燃弧的次数和持续的时间是评价弓网能量传输质量 的标准6 7 1 。 文献 6 8 利用g t - s n ll o m m 2 接触线和金属碳滑板作为电极进行了接触线断 线试验，以明确接触线断线特性和把握电弧的性质和行为。作者在2 年的研究 开发期间，进行了4 0 0 次以上接触线断线试验，用以前所未有的精度明确了断 线的条件。这些结果中有很多显著反映了电弧现象的物理特性，对接触线断线 现象可以进行定性解释。文献整理了根据电弧断线试验时手头留下的滑板和接 触线电弧痕迹中得知的情报。断线发生的场合，能目击到其瞬间的机会很少。 一般情况下，是从变电所残留事故电流波形、残留的接触线断头和滑板、车辆 的电弧痕迹等现象进行推断。本文献还列举了有受电弓移动时电弧断线结果； 有关未发生电弧时仅有接触电阻产生的焦耳发热产生断线可能的研究；作为下 雪时接触线断线对策而采用的有用的复合架线方式，其耐电弧特性确认试验结 果等等。本文献归纳了为考察接触线断线特性而作的用三元有限要素解析的接 触线热传导模拟。和预想相反，接触线中热导线模拟结果和试验结果非常一致， 该模型可在不作试验的情况下推断接触线的断线特性，例如为了防止接触线断 线可采用的有效手段之一的加粗接触线，以及超大电流情况下的断线特性等等 在计算机上进行模拟均成为可能。 文献 6 9 - - 7 1 认为，随着电气列车的高速化，弓网系统的摩擦磨损问题愈 加严重，对其耐磨性及其它性能的要求也越来越高。对高速铁路接触线，通常 要求导电率大、耐磨性好、耐热性好、抗拉强度高、疲劳强度高以及直线性好 等。受电弓滑板长期服役于自然环境下，且运行中由于离线等因素与接触线不 断产生电弧和冲击，对其性能有着十分苛刻的要求，即：接触电阻小、耐磨性 好、自润滑性能优良、耐冲击性好、韧性好、质量轻和价格低等。 受电弓滑板与接触线之间相对运动的接触面，微观上是凸凹不平的，可以 认为参与相互接触的只是凸出部分，除有正表面压力和相对运动时的剪切力外， 同时还要流过电流，所有这些都只靠表面凸出部分。所谓磨耗就是指凸部被破 坏成粒子而从接触面排出的现象。弓网系统的磨耗大致可分为机械磨耗、化学 磨耗和电气磨耗等3 种。机械磨耗通常又分为粘结磨耗、硬粒磨耗和疲劳磨耗。 化学磨耗又称腐蚀磨耗，即在腐蚀环境下溶解、生锈而又在滑动中加速了损耗。 弓网系统的电气磨耗包括基于电弧热和接触电阻热而附加的机械磨耗( 尤其是 粘结磨耗) 和电弧熔损等在内的各种损耗。初步估算电弧熔损仅占电弧引起的 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 磨耗的1 6 。就磨耗机理来说，可以认为金属系列滑板磨耗多数是由粘结磨耗引 起的。 1 2 2 国内研究现状 在我国，目前主要使用铜或铜合金( 铜银、铜锡、铜镁) 接触线口2 8 引，受 电弓主要使用( 铁基、铜基) 粉末冶金、碳及浸金属碳滑板阳3 8 7 l 。 滑板与接触线组成的受流系统工况极其复杂，具有周期性随机变载荷、强 电流、高电压、高速滑动、移动拉弧、环境条件复杂多变等特点，从而构成了 一对在复杂环境条件下的机械与电气磨损藕合的特殊摩擦副。同时在实际运行 中，该摩擦副还具有工况参数、材料配副和磨损历程等方面的不确定性哺8 | 。 文献 2 0 、8 9 - - 一9 1 介绍了弓网系统的部分故障情况。其中，受电弓滑板材 质选择不当使接触电阻加大或润滑不良使磨耗加大产生电腐蚀、受电弓与接触 线之间的接触压力不足或静止状态下工作电流过大而产生过高温度烧坏接触 网；接触网的电气回路不畅通、接触电阻过大，导致局部过热也是接触网线索 被烧损、以至于断线的主要原因。 文献 2 1 介绍了1 9 9 4 至1 9 9 5 两年间大秦线2 2 起铜接触线断线故障情况，作 者认为故障的直接诱因是电力机车车况不良( 如绝缘状况不良或受电弓状态不 良) 或司机操作不当，引起受电弓和接触网之间产生电弧，导致铜接触线烧蚀 断线，而且断线故障均发生在使用浸金属碳滑板机车所