弓网电弧接触线温度分布仿真研究*

郭梦琪， 王智勇， 刘 帅

(辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105)

弓网电弧接触线温度分布仿真研究*

郭梦琪， 王智勇， 刘 帅

(辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105)

为了分析弓网电弧对接触网导线温升的影响，以接触线为研究对象，建立了电弧作用下弓网系统滑动摩擦副的三维有限元模型，利用COMSOL Multiphysics仿真分析，得到不同类型的接触网导线在不同环境下的温度分布特征。结果表明：相同条件下，铜镁合金、纯铜、铜锡合金接触线的温升依次升高。接触线的截面积越大温升越高。同种接触导线分别处于正常、覆冰和潮湿状态时，接触线的温升依次升高。仿真结果对选择接触线以及降低弓网电弧对接触线的热损伤具有一定参考价值。

弓网电弧； 接触线； 温度场仿真； COMSOL Multiphysics

0 引 言

受电弓—接触网系统(简称弓网系统)是电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，列车通过受电弓滑板与接触网导线间的滑动接触来获取电能。在列车运行过程中，当接触线不平顺或弓网系统振动剧烈时，造成受电弓滑板与接触网导线脱离接触，形成离线的现象称为弓网离线。分离瞬间，二者之间的电压差急剧增加，引起的气体放电现象，称为弓网电弧[1]。通常，电弧不可避免，虽然可以维持列车取流的持续性，但因为电弧温度很高，即使存在的时间很短，也会对接触材料造成一定破坏，使其局部熔化、汽化，甚至断线。因此，研究电弧高温对弓网系统的影响对机车运行可靠性和延长接触器件寿命有一定意义。

陈忠华等人[2]建立出滑板温度场的计算模型并运用ANSYS建模和计算，得出不同工况下滑板导电斑点温度的影响。马云双等人[3]建立了弓网电弧稳态燃烧的物理分析模型，采用流体分析软件Fluent得出电弧等离子体的温度场分布情况。吴积钦等人[4]建立了弓网系统电弧烧蚀模型，在Matlab环境下编程，仿真计算出在静止电弧和运动电弧两种情况下接触线的热过程。谢将剑等人[5]利用ANSYS建立接触网有限元模型，对不同覆冰厚度时的接触网的静态响应进行仿真研究。在以往的研究中，由于电弧发生时间短，铁路环境等影响因素复杂，大多采用仿真手段，已有学者对工况下滑板导电斑点温度和电弧本身的温度进行过有限元仿真研究，电弧下接触线温度的数学模型和覆冰环境下接触线的静态响应也有初步结论，尚没有在覆冰、潮湿等环境中，综合考虑流场、应力场等多场耦合条件下电弧对接触线温升的仿真研究。

本文依据实验团队自行研制的高性能滑动电接触试验机[6,7]实验得出的低速、无电弧、正常弓网环境下的实验数据，利用实验室高性能PC工作站，应用COMSOL Multi-physics 5.0这一多物理场耦合仿真软件建立了弓网系统三维有限元模型，采用其内置的焦耳热、固体力学、电磁热源等模块，高效率地实现了焦耳热、摩擦热和电弧热三种热源的耦合，研究不同运行环境、不同工况下弓网电弧对接触线耦合温度场的影响。有助于进一步深入了解电弧侵蚀接触线的热过程,且利于采取相应对策来减轻电弧对接触线造成的损害。

1 电弧作用下弓网系统模型建立

运用COMSOL软件进行有限元仿真的流程如图1。

图1 仿真实验流程

1.1 几何模型建立

仿真采用三维立体维度，以纯铜导线和浸金属碳滑板组成的摩擦副及其间隙产生的电弧为对象，建立仿真模型。高速电力机车速度可达300 km/h甚至更高，若采用直线运动则所占空间甚大且不便于查看，因此模型采用圆周运动进行模拟，如图2(a)为受电弓滑板和接触网导线的局部放大图。圆环为截面积为150 mm2的铜导线，在x-z平面做圆周运动，250 mm×10 mm×25 mm的平行六面体为滑板，沿x轴方向做平行往返运动，模拟了实际铁道中受电弓滑板和接触网导线的“之”字形运动。将离线电弧视为一热流密度为qw的点热源，作用于滑板和接触线之间。图2(b)为隐藏滑板时接触线在电弧作用下的x-y截面图。

图2 电弧下弓网系统物理模型

1.2 固体传热模型基础与方程

根据传热学理论，传热模块方程如下

(1)

导线旋转线速度较大，选择外部强制对流形式，传热过程热通量方程为

(2)

q0=h·(Text-T)

(3)

滑板和导线是热接触对模型，其中，滑板接触面是源边界，导线接触面是目标边界。热接触对方程组如下

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中masp为表面粗糙平均斜率；σasp为表面粗糙平均高度，m；Hc为微硬度，Pa；p为接触压力，N；hg为气隙传导率，W/(m2·℃)。

材料热扩散方程为

(9)

式中 ε为表面发射率，其数值取于材料；Tamb为环境温度，℃。

在电弧的作用下，接触线和滑板遵循热力学基本定律，接触线内部的温度分布可以认为是第二类边界条件的固定热流快速加热半无限大物体的强瞬态热传导问题。电弧的热流密度通常在5×1010～10×1010W/m2之间[8]。材料参数参见表1。

表1 滑板与导线的参数

电弧作用下的电力机车弓网系统涉及多个物理场，包括温度场、电场、流场，其中包含了COMSOL传热模块中的焦耳热、固体力学模块和多体动力学模块。为简化数学处理，假设：电弧作用于弓网系统时，材料的物相和物理参数变化忽略不计；电弧作用时，弓网系统视为半无限大物体；滑板与接触线之间的热分配状态稳定，换热系数恒定。

1.3 初始条件设置

系统遵循能量守恒定律。初始温度为15 ℃；接触线旋转线速度为300 km/h，对滑板一端施加一个200 A电流，接触压力设为60 N。选取最不利情况对弓网系统进行仿真，即电弧点热源热流密度为qw=1011W/m2。按照文献[9]的测定结果，设置电弧的热流功率为1 200 W，电弧持续时间为15 ms。

1.4 模型验证

利用实验室的弓网系统实验机设置接触压力60 N，输入电流200 A时的运行情况，图3是实验和仿真温度分布的对比示意图。当温度升至稳态时，红外热像仪测得静态温度分布如图3(a)；在相同工况下进行仿真试验，得到仿真温度分布如图3(b)。二者最高温度相差13 ℃，误差满足仿真准确性的要求。造成误差的主要原因是实验室空间密闭，空气流通性差，散热缓慢。加入电弧后，接触点处的温升曲线如图4，与文献[9]中电弧加热接触线的温升曲线做了相关对比，结果相似。在0～15 ms，温度近乎线性增长，第15 ms时达1 404 ℃，与文献[10]结论相比，十分接近。仿真结果表明:本文仿真建模对弓网系统电弧侵蚀接触线的温度分析接近实际情况，从而验证了仿真模型的正确性。

第一，由于北方地区存在较多重量极大的运输型车辆，例如卡车、运煤车等，同时因该地区对于车辆超载的情况查处力度不够，导致该区域内存在部分超载货车，而车辆在转弯、刹车等作用下因急速运动对公路路面产生的压力较大，导致路面荷载力、承载力无法对车辆压力进行分散，导致路面因碾压、重力的作用下出现翻浆现象；第二，由于设计人员本身缺乏对北方地区公路的设计经验，未能考虑到翻浆现象与公路荷载力之间的关系，仍旧按照正常公路对其荷载及承载力进行设计，同时并未对该地区的车流量、重量等加以考虑，导致公路整体设计荷载力低于实际使用需求，提升翻浆现象出现的概率。

图3 实验与仿真温度分布对比

图4 接触点温度曲线

2 仿真结果分析

2.1 弓网电弧接触线的温度分布

对仿真结果进行相关分析，首先得到电弧作用下接触线的温度分布云图，如图5(a)所示。

图5 接触线温度云图和接触点温度曲线图

图5(b)是在不同的电弧持续时间下，接触线内测试点温度与其距接触面距离的关系。可以看出，当弓网接触点处出现电弧时,接触点温度上升明显，随着距接触面距离的增加，温度下降迅速，反映出在电弧的影响下接触线表面热量传递的物理行为。还可以看出,当电弧作用在接触线表面上的时间为12 ms时,接触线表面温度达到1 100 ℃,超过铜接触线的熔点。可见，在电弧作用下,接触线表面会在短时间受到损坏。

2.2 弓网电弧下不同类型接触线的温度分布

接触线是实现可靠供电的关键设备之一，应具备耐高温等特点。目前国外已经开通的最高时速为300 km/h以上的铁路中，德国和日本分别采用了CuMg120，CuSn170接触线，法国采用了Cu150，CuSn150，CuMg150接触线[11]。

结合表1纯铜参数和表2铜镁合金和铜锡合金参数，对仿真模型的接触线参数作出修改。在与上节相同的初始条件下，图6(a)～(d)分别为CuMg150，CuSn150，CuMg120，CuSn170接触线受到电弧后的温度分布云图。

表2 不同材料接触线参数

图6 不同类型接触线温度云图

从接触线材料角度分析，对比图5(a)、图6(a)和图6(b)，温度从高到低依次为CuMg150，Cu150，CuSn150，温度分别为1 708，1 404，1 261 ℃。可得，最高温度和材料属性有关，尤其是材料的热导率，热导率越低，温升越大，受电弧侵蚀影响越大。从接触线截面积的角度分析，对比图6(a)和图6(c)，分别是CuMg150和CuMg120，前者较后者温度高1 000 ℃；对比图6(b)和图6(d)，分别是CuSn150和CuSn170，前者温度也较后者高近1 000 ℃。为了进一步验证截面积对温升的影响，在仿真中改变接触线半径进行分析。

图7(a)表示接触线点温度与接触线表面距电弧发生处距离、接触线半径的关系，虽然温度分布规律相似，但接触线半径对最高温度，即电弧发生点处的温度影响较大。图7(b)显示了在受到不同能量的电弧侵蚀时，接触线半径与接触线最高温度近乎呈线性关系。由此可以推出，接触线截面积越小，温升越大，接触线受到的损害越严重。

图7 接触点温度曲线与接触线半径的关系

2.3 特殊环境中弓网电弧接触线的温度分布

由于弓网直接暴露在多变自然环境中，会受到恶劣环境的直接影响。当受电弓滑板和接触线表面附有冰雪、雨水或其它异物时，滑板与接触线容易出现离线情况，从而将导致电火花的发生，甚至引起电弧现象。

图8为接触线与滑板之间有覆冰的情况，接触线表面加设一个覆冰层，列车通过覆冰处时，滑板和接触线的相对滑动会使覆冰的厚度有所减小，导致接触网覆冰一般为扁平状，这里假设覆在接触网线的冰层形状为新月形，计算时通常将接触线的覆冰厚度 折算成同一时刻接触线的覆冰厚度的50 %[12]，如图8(a)所示，以此为例建立弓网系统有限元模型。冰的热导率为2.22 W/(m·℃)，比热容为2 100 J/(kg·℃)，覆冰运行时的初始温度按-5 ℃计算。

图8 接触线覆冰热传导示意图

接触线端部覆冰情况下，受到弓网电弧作用下的温度分布云图如图8(b)所示，由温度分布可以看出，接触线表面最高温度高达1 562 ℃，相比电弧作用在表面没有覆冰的接触线，温度大概升高200 ℃，所以，可以得出电弧对覆冰下的接触导线侵蚀更加严重。

以下雨或潮湿天气的接触线为例，建立接触线有限元模型。在接触线和滑板的表面均设置一层水分子膜，其中水的比热容为4 200 J/(kg·℃)，导热系数为0.62 W/(m·℃)，下雨或潮湿时的初始温度按15 ℃计算。

弓网电弧作用下的接触线表面潮湿情况下的温度云图如图9(a)所示，在电弧能量、燃弧时间相同的前提下，表面潮湿的接触线最高温度高于接触线底部覆冰的最高温度，高达2 124 ℃。图9(b)是电弧发生后1 s接触线的温度分布云图，很快就恢复了正常温升，可见温度下降的十分迅速。

图9 下雨或潮湿天气接触线温度云图

比较接触线正常、表面覆冰、表面潮湿三种情况。电弧发生瞬间，接触线温度分布相类似，且均随发生点距离下降迅速。比较最高温度，依次是正常环境低于底部覆冰，低于表面潮湿。原因是纯铜、冰、水的热导率依次减小，导致热量传输慢，散热性能差。但在实际中，水的体积小，会在高温电弧产生时瞬间蒸发，在外界坏境的作用下热量流失快，而冰通常有0～20 mm厚度，导致接触线表面不平顺，大大增加了离线率，可见覆冰对接触线的危害更大。因此，应当采取相关措施来减少冰雪对弓网的影响，及时对接触线采取融冰措施，从而减少电弧的侵蚀。或者对滑板表面定期整形，更大程度的减小电弧发生率，增加行车的安全性。

3 结 论

1)静止电弧在很短时间内就能导致接触线上升到较高温度,温度可达到接触面材料熔点，所以，从材料保护角度，弓网系统应尽量避免静止电弧的产生。

2)接触线类型与受到电弧侵蚀时的最高温度关系密切，材质热导率低，接触线截面积小，都是导致温升高的原因。可见，铜镁合金在这方面较铜锡合金更耐受电弧侵蚀；适当增加接触线截面积可以减小材料表面的电气损害。

3)接触线覆冰、运行环境潮湿都会给列车运行带来不利影响。针对极短时间内的电弧导致的温升来说，雨天或潮湿环境更不利。但列车高速运行时，接触线表面的不平顺会增大离线电弧发生概率，综合考虑，接触线覆冰对弓网系统的危害较雨天或潮湿环境更严重。

[1] 刘宝轩,陈唐龙.基于弓网电弧检测系统的电弧电流分析[J].传感器与微系统,2014,33(3):15-18.

[2] 陈忠华,康立乾.弓网系统受流摩擦下滑板温度分析与计算[J].高压电器,2012,48(5):1-5.

[3] 马云双,高国强.高速列车弓网电弧温度场特性仿真研究[J].高电压技术,2015,41(11):3597-3603.

[4] 吴积钦,钱清泉.弓网系统电弧侵蚀接触线时的热分析[J].铁道学报，2008,30(3):31-33.

[5] 谢将剑,王 毅.覆冰接触网的有限元仿真及其小比例模型试验[J].中国电机工程学报，2013,33(31):185-192.

[6] Wang Zhiyong,Guo Fengyi.Research on current carring wear characteristics of friction pair in pantograph catenary system[C]∥Proceedings of the 59th IEEE Holm Conference on Electrical Contact, Newport(RI),USA,2013:92-96.

[7] 郭凤仪,张艳立.弓网电弧实验系统与辐射噪声实验研究[J].电工电能新技术,2015,34(12): 49-53.

[8] 王万岗,吴广宁,高国强.高速铁路弓网电弧试验系统[J].铁道学报,2012,32(4):23-27.

[9] 王 鑫.受电弓接触网系统电弧放电机理研究[D].成都：西南交通大学,2011.

[10] 姜任秋.热传导、质扩散与动量传递中的瞬态冲击效应[M].北京:科学出版社,1997:80-87.

[11] 倪世展.高速电气化铁路用接触导线的研究现状及发展趋势[J].热加工工艺,2013,42(24): 18-21.

[12] 中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005．

Simulation study on contact wire temperature distribution under pantograph arc conditions*

GUO Meng-qi, WANG Zhi-yong, LIU Shuai

(Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

In order to analyze effect of pantograph arc on temperature distribution of contact wire,a three-dimensional finite element simulation model for friction pair in pantograph and catenary system is established with COMSOL Multiphysics software.The temperature distribution characteristics under different contact wire and different environment conditions are obtained.Result shows that temperature of copper and magnesium alloy wire,pure copper wire and copper and tin alloy wire increases in turn under the same conditions.The larger the cross-section of contact wire,the higher the temperature is.The temperature of contact wire operated respectively under normal,ice coating and wet condition increases in turn.Simulation results can be a reference for the choice of contact wire and reducing arc erosion.

pantograph arc; contact wire; temperature field simulation； COMSOL Multiphysics

2016—05—18

辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目(LZ2014024)；辽宁工程技术大学第五批生产技术问题创新研究基金项目(20160054T)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0014—04

TM 501

A

1000—9787(2017)06—0014—04

郭梦琪(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为电器理论新技术。