浅谈弓网电弧对车载电气设备的影响

陈翔

（南京地铁运营有限责任公司　江苏　南京　210012）

浅谈弓网电弧对车载电气设备的影响

陈翔

（南京地铁运营有限责任公司江苏南京210012）

本文通过研究弓网电弧对车载电气设备的影响的分析，希望对提高电气化铁路运行的安全性和可靠性具有一定的参考意义。

轨道交通；弓网电弧；电气设备；问题与措施

1　弓网电弧特性

母弓，现主要为单臂单层受电弓，德国为单臂弓。弓网电弧产生机理。

在理想的运行状态下，可以将弓网电弧看作一种时短时连的开关，闭合时受电弓将接触网和车载电气传动系统连接起来，断开时，这时整个牵引传动系统处于一种不正常的运行状态。牵引供电基本结构如图1（a）所示。电流从牵引变压器的二次侧接入接触网，再通过受电弓流入车载变压器的二次侧，在通过一系列车载电气设备流入钢轨，从而形成回路。当受电弓与接触网分离时，其等效电路图如图1（b）所示。在图1（b）中，各参数含义如下：

图1　牵引供电基本结构图

R：牵引回路的总电阻；

L1：地面牵引变压器等效电感与牵引电流有关接触网电感和钢轨电感之和；

L2：车载牵引变压器的等效电感，用开关K的断开等效弓网分离的状态；

K：电路开关；

i：回路电流。

从等效回路可以看出，当回路中有电流i的时候，如果断开开关K，则整个回路中的电流由i变为零。

当次过程越段，电路中的过电压越大，在生产实践中，过电压的大小主要受到线路分布电容和电流变化率的影响。当线路有分布电容时，电感就会在电弧处产生过电压，磁场能变成电能，因为分布电容相比电感很小，所以电弧处的过电压是很大。当电流变化率很大时，就会在电弧处产生很大的过电压，由于电弧处实际就是一个有一定绝缘强度的气隙，当过电压很大时，气隙就会被击穿，气隙电阻迅速减小，电流变化率亦会降低，当电流变化率很小时，电弧处的过电压就会很小，气隙就不会被再次击穿，气隙电阻增大。所以说电流从i变化到零的过程就是弓网电弧燃烧的过程，电弧消耗了电路中的大部分磁场能。弓网电弧的产生是一个复杂的物理过程，也是一个动态过程，不仅取决于电压和电流、滑板和接触线材料，还与机车运行速度、取流量、环境气候及气压有关。

2　弓网电弧特征及危害

弓网电弧在受电弓和接触线离线时产生的，所以相比开关电弧弓网电弧在相对高速运动时，有许多其它特征。

（1）列车高速运行中产生电弧时，受电弓和接触网之间具有切向单向相对滑动、法向快速随机振动的特性，使得弓网电弧的电弧长度，弧根运动等外部形态比较复杂。

（2）弓网电弧产生后，会消耗两部分能量，一部分是电源供给的能量；另一部分是电路中的磁场能量。两者能量比例关系需要根据电路的结构确定。

（3）弓网电弧消耗的能量大部分耗散在接触线和受电弓滑板上，而由于接触线和受电弓滑板中不含专门的触头材料，所以弓网电弧能量对接触网和受电弓危害很大。

影响弓网电弧能量大小的因素有牵引供电系统电路结构、负载特性、电流和电压大小、相对位移、大气情况、机车运行速度等。

弓网电弧有三方面的危害：

（1）对接触导线和受电弓滑板的侵蚀和磨耗

弓网电弧对接触导线和受电弓滑板的侵蚀表现为加速氧化、熔融、蒸发等，侵蚀和磨耗轻则影响弓网稳定受流，损坏接触导线和受电弓滑板，增加维修工作量；重则导致接触线断裂，造成机车运行事故。

（2）产生过电压

当弓网电弧产生时，牵引网和高速动车的电气传动系统通过电弧连接在一起，在接触网和受电弓之间的电弧上有压降，当电弧消失后，如果高速动车还处于离线状态，则导致电路中的电流发生突变，产生过电压。过电压在接触网上传播，会给整个牵引网的绝缘带来威胁；过电压沿着受电弓进入机车内部，可能对机车电气设备、电力电子器件造成损坏，对高速动车的安全运行产生严重的影响。

（3）产生高频噪声

电弧产生时向周围发射高频噪声，对机车沿线的通讯信号和无线电信号造成很大的干扰，严重时会导致通讯间断和无线电信号失效等现象。另外，高频噪声还对机车的控制信号有影响，是机车安全运行的隐患。

3　弓网电弧对车载电气设备的影响

弓网电弧将会导致过电压、直流分量和谐波的产生。过电压对机车电气设备、电力电子器件造成损坏；直流分量通过车载电气回路注入车载牵引变压器，将会引起变压器直流偏磁。谐波也可能对列车的控制系统造成干扰，严重影响高速列车的运行安全性。

3.1弓网电弧仿真

本文针对弓网电弧对车载电气设备的影响展开研究，首先就需要分析弓网电弧在电力列车高速运动下电流和电压波形变化。

为了客观真实的观察和测量弓网电弧的物理特征（电压和电流波形），分别从仿真和实验中通过做弓网电弧放电的实验得到弓网电弧的电压和电流波形，用MATLAB/Simulink仿真分析了弓网电弧产生过程中的电压、电流的时间特性。

3.2弓网电弧模拟实验

接触网是由固定在绝缘盘上闭合接触线组成的，通过计算机控制装置设定变频器的调速，从而控制转轮的转速，带动接触导线的运动，实现了接触导线和受电弓之间的相对运动。受电弓部分的升降是采用PLC控制，控制受电弓的升降高度，滑板在x、y、z三个方向上移动，保证了接触导线在受电弓上做之字形运动。完全模拟高速列车弓网之间的实际相对运动。

3.3弓网电弧过电压对变压器的影响

电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。

4　结语

弓网电弧在机车的运行中会产生谐波，过电压和直流分量，它们严重影响了高速列车的安全运行，规律如下：

（1）弓网电弧产生的谐波随着列车速度的增加，负载阻抗的增加而增加，谐波将会导致车载电气设备效率降低，对铁路信号系统产生干扰，引发误操作，严重危害高速列车的运行安全。

（2）弓网电弧在自身消失的时候导致电源电流畸变，产生过电压，本文仿真试验中的过电压是63.6kV，是电源电流的2.3倍，过电压将会击穿牵引变压器和变流器绝缘设备，导致损坏，对高速列车安全运行产生严重影响。

（3）弓网电弧产生的直流分量进入牵引变压器后，当所加直流量达到50A时磁感应强度增加率大幅度减少，到200A时变压器磁感应强度趋于稳定，说明变压器铁芯己经严重过饱和。其结果是加剧铁芯磁通密度的饱和程度，从而引起噪声、过热和振动等问题。

U264.3+4

A

1673-0038（2015）23-0302-02

2015-5-23