受电弓离线过程弓网电弧电气特性研究

徐 旻,刘文正,伊金浩,李 鑫,赵潞翔,孙 成,2

(1.北京交通大学电气工程学院,北京 100044； 2.株洲中车时代半导体有限公司，湖南株洲 412001)

引言

随着我国高速铁路客运专线的持续开通以及高速铁路运行速度的进一步提升，对高速铁路牵引供电系统安全运行也提出了更高的要求。受电弓-接触网关系作为牵引供电系统重要的组成部分，对整个电气化铁路系统的正常运作起着重要的作用[1-2]。弓网关系理想的状态是弓网可靠接触稳定受流，高速列车通过受电弓从接触网稳定取流并且获得电能。由于列车运行速度提升及硬点等原因，列车在运行过程中受电弓与接触网发生离线而产生电弧，造成电力机车中牵引电机等负载的不正常工作[3]。并且弓网离线电弧会产生电气损耗，降低受电弓和接触线的使用寿命[4-5]，还对环境带来电磁干扰并会影响通信的正常工作[6-7]。因此，研究弓网离线电弧的特性，并进一步改善受流质量，是高速铁路弓网系统亟待解决的问题之一[8-9]。

目前国内外的研究团队更多的是在固定弓网间距下对弓网电弧进行研究[10-11]，研究重点集中在电弧电磁干扰、弓网电接触特性、载流摩擦磨耗、电弧侵蚀等方面[12-19]。而弓网离线电弧是在离线间距不断变化过程中形成的电弧。为了探究弓网电弧的形成原因，以及弓网间隙距离连续变化过程中形成的电弧特性，本文基于自行设计搭建的弓网离线实验系统，较为完整的模拟出受电弓与接触线从滑动接触到动态离线产生斜方向电弧的过程。并且对弓网稳态离线电弧和动态离线电弧的电气特性进行对比分析研究，为提高列车受流质量的研究提供了参考。

1 弓网离线实验系统

1.1 弓网离线实验装置

根据高速铁路弓网电弧的产生条件，在实验室中自行设计并搭建的弓网离线实验平台及其检测系统如图1所示。弓网离线实验装置实物如图2所示。

S—电源变压器；P—受电弓滑板；L、R—模拟负载电感、电阻；A—电流互感器；C—光强传感器；D—电磁铁；M—直流电机；O—接触线；T—轨道；Uo—接触线电压；Up—受电弓滑板电压；Iarc—电弧电流

图2 弓网离线实验装置

实验装置由弓网供电系统、离线动力系统及检测系统3部分构成。

供电系统由电源变压器，经接触线、受电弓滑板，再经过大功率电阻与电感串联，最后回到电源构成。由于实验室电源功率上限条件的约束，又由于电流大小是影响弓网电弧特性的主要因素，同时维持电弧燃烧所需的电压较低，所以采用了低压大电流的供电设计方案。电源电压器采用的是工频BK3000型变压器，额定功率为3 kW，变比为220∶24。

离线动力系统由直流电机与搭载着受电弓滑板的小车通过高强度涤纶线连接构成。受电弓滑板通过电磁铁固定在小车上。电磁铁由远程开关控制，当电磁铁动作时受电弓滑板迅速下降，实现弓网分离。

检测系统主要检测的物理量有电压、电流与光强信号。接触线和受电弓上的电压可以使用示波器探头直接测量。回路中的电流信号通过罗氏线圈电流互感器转换成电压信号后再经过示波器显示。光强信号经光电检测芯片OPT101测量并转换后[20]，得到的电压信号输入示波器显示。

1.2 实验条件与实验过程。

实验平台的轨道长度为2 m，小车速度为0～2.5 m/s可调。设置的最高电压为交流24 V，最大电流为120 A。通过控制，可以使弓网离线间距在0～3 mm连续可调。本实验装置中采用的是京沪高铁中使用的Cu-Mg合金接触线，受电弓滑板为CRH380A动车组中的使用浸金属碳滑板。其参数见表1～表3。

表1 实验平台接触线技术参数

表2 受电弓滑板的质量分数

表3 受电弓滑板物理参数

实验过程：研究稳态离线电弧时，保持固定的弓网间隙距离，弓网间施加电压，产生稳定燃烧的纵向弓网电弧并进行研究分析；研究动态离线电弧时，首先于弓网间施加电压，弓网静态接触受流。然后，启动直流电机，小车沿轨道上以一定的速度水平运动，受电弓与接触线滑动接触取流。当小车运动至途中某一位置时，通过远程开关使电磁铁动作，受电弓迅速下降使弓网分离，产生斜方向的电弧。最后，对电弧的各电气数据进行测量并进行研究分析。

2 稳态离线电弧的特性分析

在电压为交流24 V、电流为120 A、弓网间隙距离d=0.3 mm的实验条件下，进行稳态燃弧实验及电弧特性分析。

2.1 电弧放电现象及电压电流波形分析

如图3所示，在间隙距离固定为0.3 mm的情况下，弓网间形成了约2 cm长稳定燃烧的电弧。可以看到电弧燃烧剧烈，电弧中心放出耀眼的白光，伴有飞溅的火花。

图3 稳态离线电弧现象

稳定燃弧时的电弧电压、电流波形、光强信号如图4所示。

图4 弓网间隙d=0.3 mm时电弧电压、电流、光强波形

在正半周期，即碳滑板作为阴极时，电压从过零点开始，电压按正弦规律上升。经过起弧时间t1，电压上升至燃弧尖峰电压U1。此时弓网间隙的电场强度达到空气的击穿场强使得空气被击穿。弓网间隙形成导电通道并产生电弧[21]，此时弓网间隙电压迅速下降到稳定燃弧电压U2。在经过燃弧时间t2后，电压又小幅上升至熄弧电压U3。随后电压下降，经熄弧时间t3回到零点。从整个正半周期的电弧波形可以看出电弧大致呈“马鞍”形。而在负半周期时，接触线作为阴极，电压波形没有出现明显的燃弧尖峰与熄弧尖峰，电弧在燃弧阶段电压波形较为平直。

电压波形存在差异是因为阴极对离线电弧的产生有着重要的影响。在正半周期时，阴极为碳滑板，发生气体碰撞电离过程中，二次电子不容易从碳滑板中放出，因此弓网间需要的击穿电压较高，所以电压波形出现尖峰。而在负半周期时，阴极为金属接触线，从金属阴极中碰撞出二次电子较为容易，所以电压波形较为平直，燃弧尖峰电压较低。熄弧尖峰的出现是因为电弧在熄灭时，弧柱变细使得电弧电阻变大，弓网间隙压降增大导致。又由于弧柱具有热惯性的作用，在熄弧时的电弧电阻比起弧时要小，所以熄弧尖峰电压要小于燃弧尖峰电压。

电弧电流伴随电弧形成而出现。在电弧电压达到燃弧尖峰电压时电流迅速上升，在电弧稳定燃烧时达到最大值。在电压达到熄弧电压时电流提前到达零点，出现周期性的“零休”现象[22]。

光强信号与电流信号同步周期性出现，电弧发光持续时间t2在正半周期较短，说明正半周期的燃弧时间小于负半周期。这是因为在负半周期时，燃弧尖峰电压较低，弓网间隙电压能更早达到燃弧尖峰电压，所以燃弧持续时间比正半周期长。

2.2 稳定燃弧电压特性分析

由图4中可知，正半周期(以碳滑板作为阴极)的稳定燃弧电压U2小于负半周期(以接触线作为阴极)，而在电流方面前者大于后者。这是由于在稳定燃弧阶段，电弧主要是以热电子发射的方式维持。根据热发射电流密度公式[23]

(1)

式中，J0为热发射电流密度；A0为常数；k为波尔兹曼常数；Eγ为电子逸出功；T为阴极温度。

从公式(1)可以看出，阴极表面的电流密度主要由阴极表面的温度决定。而一般电弧生成时阴极温度很高，可以达到3 000 K以上。铜的熔点为1 357 K，沸点为2 835 K，碳的熔点为3 652 K，沸点为5 100 K[24]，所以铜作为阴极时极易融化与汽化。电弧无法集中在一个阴极点稳定燃烧，阴极斑点以很高的速度处于连续的无规则运动中。所以阴极点处无法形成稳定的热电子发射，电弧维持主要以场致电子发射的形式存在。而碳的熔点和沸点高，当碳作为阴极时电弧能以热电子发射和场致电子发射共同作用下稳定存在，因此弓网间电流密度很大。所以正半周期的稳定燃弧电压要小于负半周期。相应地，正半周期的电流大于负半周期。

2.3 伏安特性及功率分析

在弓网间隙d=0.3 mm的条件下，电弧稳定燃烧时的电弧伏安特性曲线如图5所示。

图5 弓网间隙d=0.3 mm时的电弧伏安特性曲线

弓网离线电弧属于交流电弧。随着电源的电压、电流呈周期性变化，弓网间隙的等离子体密度和介电强度不断变化[25]，其电弧电阻也在周期性的变化。电弧电压从零点Uo开始，随着电源电压的增大而增大。在电压增大至间隙击穿电压Ua时，间隙空气碰撞电离形成导电通道，电弧电压迅速下降。此时电弧电流开始迅速上升，当电流最大时对应于稳定燃弧电压Ub，随后电流开始减小，电压小幅上升到熄弧电压Uc，此时电流进入“零休”。可以看到，电弧的伏安特性并不是关于原点对称，这是由于弓网阴阳两极的材料不同导致的。

利用P=UI计算得到，在一个周期内功率随时间的变化规律如图6所示。可以看到，在负半周期电弧稳定燃烧阶段功率明显大于正半周期。然后利用功率对时间的积分得到电弧能量分布，如图7所示。可以看到，因阴极材料不同，在负半周期电弧从产生、持续燃烧、熄灭的过程中所消耗的能量比正半周期多12.6%。

图6 稳定燃弧时电压、电流、功率的变化规律

图7 稳定燃弧时功率与能量的变化规律

3 离线过程中电弧电压变化特性分析

在电源电压为交流24 V、电流40 A的实验条件下，使小车的横向运动速度为1 m/s，弓网纵向分离平均速度为3 mm/s，进行弓网动态离线电弧实验并对电弧电压的变化进行研究。

3.1 燃弧尖峰电压变化特性分析

电弧电压与电流波形随时间的变化规律如图8所示。由图8可知，弓网离线过程是弓网从接触受流到产生电弧，之后反复发生电弧重燃直至熄弧的过程。可以看到，电弧电压波形在各自半周期内仍呈现“马鞍”形的特征，而燃弧尖峰电压随着时间增加而增大。

图8 弓网离线过程中的电弧电压、电流波形

由电弧电压波形可以看出，弓网从接触状态到分离状态的过程可分为3个阶段：弓网稳定受流阶段(P1)、电弧产生与重燃阶段(P2)、熄弧阶段(P3)。

(1)弓网稳定受流阶段，受电弓与接触线滑动接触，弓网良好受流。由于接触电阻的存在，弓网间隙形成较小的电压差，并呈现周期性变化。

(2)电弧产生与重燃阶段，即弓网间隙被反复击穿，产生电弧的过程。在首个燃弧期间内，受电弓滑板与接触线间存在从面接触到点接触再到分离的过程。随着接触面积的减小，接触电阻迅速增大，阴阳两极表面局部温度升高。在高温下，电子容易从阴极中逸出，形成热电子发射；同时弓网开始出现间隙，但是间隙距离很小使得间隙电场强度很大，阴极形成场致发射。热电子发射和场致发射形成的二次电子，在电场的作用下定向运动，间隙发生空气碰撞电离形成电弧。而之后的重燃阶段，空气击穿过程以场致发射为主。又由于间隙距离越来越大，间隙内的电场强度减小，因此燃弧尖峰电压增大。

(3)熄弧阶段，弓网间隙进一步增大使得间隙的电场强度越来越小，难以满足电弧的重燃条件而因此熄灭。

弓网在分离过程中，燃弧尖峰电弧随时间的增加而增大。若假设首次起弧的时刻为t=0.01 s时，则可得到电弧的燃弧尖峰电压随时间的变化规律及其拟合曲线如图9所示。

图9 弓网离线过程中燃弧尖峰电压变化规律

可以得出其变化的规律满足函数关系

U1=U0+AeR0t

(2)

而弓网间隙距离与弓网纵向分离速度及时间满足关系

d=vt

(3)

所以，可得到燃弧尖峰电压随弓网间隙距离的变化规律满足函数关系

(4)

式中，U1为燃弧尖峰电压；d为弓网间隙距离；v为弓网纵向运动速度；U0、A、R0均为拟合参数；拟合参数及拟合优度系数R如表4所示。

表4 拟合参数和拟合优度系数(40 A)

可以得到，燃弧尖峰电压大小随着弓网间隙距离的增大满足指数增长的关系。燃弧尖峰电压在起弧后的1～2个周期内缓慢增大，随时间的变化斜率较小，之后迅速呈指数增大。因此，在相同的条件下，若已知弓网纵向运动速度，则可通过式(4)得到在特定弓网间隙距离时的燃弧尖峰电压。

3.2 稳定燃弧电压的特性分析

在同等的实验条件下，检测得到的稳定燃弧电压与电流随时间的变化规律如图10所示。可以看到，稳定燃弧电压随着时间增加而增大，稳定燃弧电流减小。这是因为在弓网分离的过程中，弓网间隙不断增大使得电弧变长，需要维持电弧燃烧的电压增大。从图11所示的弓网离线过程功率的变化规律可以看出，电弧在正、负半周期燃烧时各自所需要的能量基本保持不变，且随着间隙增大并没有发生明显的变化。这说明在本实验条件下，每半周期内电弧燃烧消耗的能量多少与电弧形态没有关系，而与阴极材料有关。

图10 弓网离线过程中稳定燃弧电压及电流变化规律

图11 弓网离线过程中电压及功率变化规律

利用电弧电阻近似等于电弧电压与电流的比值的关系，计算并绘制如图12所示的电弧电阻随时间的变化规律。在每一个燃弧周期，电弧从产生到熄灭的过程中，电弧电阻从无穷大减小至某一极小值，然后又增大至无穷大。但是在正、负半周期电弧电阻的极小值各不相同，呈现如下的规律。

图12 弓网离线过程中电弧电阻变化规律

(1)在正半周期，即碳滑板作为阴极时，电弧电阻的极小值均小于负半周期。

(2)无论正负半周期，电弧电阻的极小值均随着时间而呈增大的趋势。

3.3 电流变化对电弧电压的影响

在电源电压为交流24 V，在电流大小分别为40，80，120 A的实验条件下，使接触线与受电弓动态分离，进行动态离线电弧实验并研究。检测得到正半周期(碳滑板为阴极)和负半周期(接触线为阴极)的燃弧尖峰电压随时间的变化规律如图13所示。

图13 不同电流条件下燃弧尖峰电压的变化规律

从实验结果可以看出，无论正负周期，燃弧尖峰电压的绝对值随着电流的增大而减小。电流为120 A的条件下电弧燃弧次数达到了12次，而80 A为10次，40 A为8次。电弧重燃主要由弓网间隙的击穿场强决定，而击穿场强由间隙的带电粒子密度决定。当电流越大时，间隙内残留电子越多，燃弧尖峰电压越小。

利用式(4)，对不同电流下的燃弧尖峰电压变化规律进行了拟合，得到的拟合参数和优度系数如表5所示。由表5可知，拟合优度系数R均大于0.98。并且可以看到，随着电流增大，A、R0的绝对值均略微减小。这同样是因为电流的增大使得燃弧尖峰电压随时间的变化斜率变小，电压的上升趋势缓慢。

表5 拟合参数和拟合优度系数

4 结论

本文利用弓网离线实验平台，模拟出了受电弓与接触线从滑动接触到动态离线产生电弧的过程。在不同的实验条件下，对稳态离线电弧和动态离线电弧分别进行了实验研究。并在两者实验数据对比分析的基础上，得出以下结论。

(1)在实验中发现，由于弓网阴阳两极的材料不同，以碳滑板作为阴极时整个半周期内消耗的功率低。电弧电压波形有明显的燃弧尖峰和熄灭尖峰，整体呈“马鞍”形。并且，得到的弓网电弧的伏安特性曲线是关于原点非对称的。

(2)由于弓网阴阳两极材料熔点与沸点的不同，当以碳滑板作为阴极时的稳定燃弧电压要小于接触线作为阴极时的稳定燃弧电压。相应的，在各个燃弧周期内电弧电阻的极小值也满足上述关系。

(3)在弓网动态离线过程中，根据电弧电压的变化特性，将其分为弓网稳定受流阶段、电弧产生与重燃阶段、熄弧阶段。其中，在电弧的首个燃弧周期，本文认为是由热电子发射和场致发射共同作用的结果。

(4)在弓网动态离线过程中，电弧在正、负半周期燃烧时各自所需要的能量基本保持不变，且随着间隙增大并没有发生明显变化。

(5)在弓网动态离线过程中，燃弧尖峰电压与弓网间隙距离满足呈指数增长的函数关系。燃弧尖峰电压随着电流的增大而降低，且电流越大，电弧的重燃次数增加。本文认为，在低电压情况下，大电流是影响弓网离线电弧发生重燃的重要原因。