普速列车通过绝缘锚段关节的电弧拉断距离仿真研究

李鲲鹏,靳守杰,赵云云,周昱涵,杨泽锋

(1.西南交通大学电气工程学院,成都 610031； 2.广州地铁设计研究院股份有限公司,广州 510010； 3.广州地铁集团有限公司,广州 510330)

引言

铁路是国民经济的大动脉，随着我国经济的快速发展，电气化铁路扮演着越来越重要的角色。为了实现同相电气隔离，需要设置电分段使列车受电弓能够正常通过。然而根据今年来的事故统计，列车在通过电分段绝缘锚段关节时由于分段之间存在较大的电压差，经常出现长时燃弧的情况，如图1、图2所示，造成接触网线索烧蚀甚至断线，严重威胁列车安全稳定运行[1]。且受绝缘锚段关节特殊位置的影响，列车在通过绝缘锚段关节时行驶速度很慢，造成电弧燃烧剧烈且难以熄灭，对列车弓网系统危害极大。

图1 绝缘锚段关节

图2 列车过绝缘锚段关节燃弧

电弧是一种高温的电离气体，温度可达5 000 K以上[2-5]，远远高于弓网系统材料如接触网线索、受电弓等的熔沸点，可以在短时间内使弓网系统因发生材料转移和损失而造成严重的烧蚀破坏，因此需要对列车通过同相供电绝缘锚段关节时电弧的维持能力展开深入的研究。

目前国内外研究学者针对电弧的维持能力通过实验或仿真的手段展开了大量研究，文献[6]通过保持电极长度，改变电极张角，发现张角越大，电弧沿电极的滑动距离越小，电极引导电弧滑动的作用无法得到充分发挥，导致滑动弧放电等离子体的尺寸减小。文献[7]基于磁流体动力学(MHD)理论，利用COMSOL Multiphysics软件建立了二维多段微孔结构中电弧的MHD模型，并仿真分析了该结构中电弧的运动特性及该结构的灭弧性能。文献[8]指出加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭，减轻降弓对弓网材料的烧蚀。文献[9]运用流体力学软件FLUENT对管道内自膨胀气流截断电弧的微观过程进行了模拟仿真，发现工频续流电弧在暂态发展初期就将受到自膨胀灭弧气流的深度抑制，在电弧还未发展成熟且能量较小时会被自膨胀气流熄灭。文献[10]研究了分断速度、差异外施横向磁场对弧根演变规律的影响，发现当分断速度较小时，阳极弧根运动至引弧片时会出现停滞现象，该停滞现象随着分断速度的增大而消失，并且燃弧时间缩短。文献[11]研究了纵向磁场中触头材料和直径对中频真空电弧特性的影响，发现对直径相同的触头，CuCr50合金触头的开断能力强于纯Cu和Cu-W-WC合金；随着触头直径的增大，电弧电压减小，电弧扩散均匀且更稳定，灭弧室的开断能力更强。王巨丰等[12]对高速气流耦合电弧过程仿真，研究结果表明：多断口灭弧防雷间隙能够在0.3 ms内完全熄灭电弧，并且气流能够切断后续工频电弧通道能量补给，阻止电弧重燃。文献[13]建立了气吹灭弧的三维数值分析模型，研究发现气流对电弧的熄灭效果要优于外施磁场效果。文献[14]基于链式电弧模型，发现气流越强，电流过零后介质强度恢复越快，越利于熄弧。文献[15]提出了一种新型的气流灭弧防雷间隙，指出在气流作用下相对于传统防雷间隙更利于熄弧。文献[16]基于仿真模拟和实验结果，证明了高速气流对于熄灭直流电弧的有效性。文献[17]分析研究了气流场与电磁场耦合下电弧状态参数与熄灭时间的关系，得出气流会显著影响电弧熄灭的结论。

以上研究结果均表明气流大小对电弧维持能力影响很大，但都是基于相对静止电极的研究，在列车通过绝缘锚段关节时两电极相对移动情况下气流对电弧维持能力如何影响尚不清楚，且列车以何种速度通过绝缘锚段关节能够使电弧快速地熄灭也是亟待解决的问题。考虑到普速列车最快运行时速为180 km，因此本文基于磁流体动力学模型，利用动网格技术，列车分别以较慢速度18 km/h和较快速度108,144,180 km/h等不同的车速通过绝缘锚段关节的情况，分析了不同强度的列车走行风对电弧极限拉断距离的影响。

1 磁流体动力学模型

1.1 几何模型

建立列车受电弓通过绝缘锚段关节的几何仿真模型如图3所示，包括绝缘锚段关节和受电弓，其中绝缘锚段关节为静止状态，受电弓采用动网格技术使其保持匀速向右运动。模型区域AC段高度为50 mm，CD段宽度为400 mm，绝缘锚段关节长度EF为10 mm，高度EG为13 mm，受电弓长度KL为60 mm，高度JL为22 mm，绝缘锚段关节与受电弓之间的间距为3 mm。列车在运行过程中会受到走行风的影响产生强烈的空气动力学作用，因此整个模型上下侧与左右两侧为开放边界，与大气环境连通。

图3 几何仿真模型

图3所建立的模型中绝缘锚段关节和受电弓滑板的材料属性参数如表1所示。

表1 电极材料属性参数

1.2 网格剖分

在对仿真模型进行求解之前，需要针对具体求解的物理模型对几何模型的网格进行适当的剖分，使其满足物理场收敛和结果精度的要求。

网格剖分的疏密会直接影响求解的速度和精度，一般网格剖分越粗化，占用内存越少，求解速度越快，但相应地会牺牲求解结果的精度，使结果距离真实值相差较大；而网格剖分越细化，占用内存越多，求解的精度一般会更准确，但占用内存过大，计算过程过长，甚至难以收敛。

因此针对此模型，在网格剖分过程中，由于电极内部对计算结果几乎无影响，故对绝缘锚段关节、受电弓滑板等电极材料内部进行粗化处理。而在周围的空气域特别是电极附近产生电弧的地方需要对网格进行尤为精细的剖分，使其满足物理场收敛的需要，剖分后的结果如图4所示。

图4 网格剖分

1.3 模型假设

由于电弧燃弧过程中涉及到电场、磁场、温度场、气流场等多场耦合，物理过程非常复杂，因此有必要对其进行适当简化，假设如下。

(1)电弧在整个过程中始终处于局部热平衡的状态。

(2)忽略因电弧对弓网系统烧蚀产生的金属蒸汽的作用与电弧产生的相互作用。

(3)由于Comsol不能模拟电弧起弧和熄弧，因此认为电弧初始阶段即稳定燃烧，电弧温度低于3 000 K时熄灭。

1.4 控制方程

求解磁流体动力学方程的实质就是分别对流体动力学方程、电磁场方程以及辐射方程进行求解[18]。

(1)流体动力学方程

求解流体动力学方程需要对质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解。

质量守恒方程表示为

(1)

式中，ρ为电弧密度；t为时间；v为流体速度。

动量守恒方程[19]表示为

(2)

式中，η为动力黏度；p为压力强度；vi为速度分量；B为磁感应强度；J为电流密度。

能量守恒方程表示为

(3)

(4)

式中，λ为热导率；h为焓；Sh为能量源项；cp为比定压热容；σ为电弧等离子体的电导率；SФ为流体黏滞耗散项；J2/σ为产生的焦耳热[20]。

(2)电磁场方程

电弧等离子体的电位和电流密度可分别由式(5)、式(6)求得

·(σφ)=0

(5)

J=-σφ

(6)

电弧磁场可由式(7)、式(8)联立求得

·(A)=-μ0J

(7)

B=×A

(8)

式中，J为电流密度；φ为电位；μ0为真空磁导率；A为矢量磁势。

(3)辐射方程

通过净辐射系数法可求得电弧的辐射能量为

qrad=4πεn

(9)

式中，qrad为电弧辐射能量；εn为净辐射系数。

2 仿真结果与分析

由于列车在行驶过程中会受到走行风影响，且走行风强度较大，对弓网电弧的影响不可忽略，因此分别对列车行驶速度为18，108，144 km/h和180 km/h时通过绝缘锚段关节的燃弧过程进行仿真分析，探明不同车速情况下对电弧极限拉断距离的影响及差异。

2.1 列车通过速度18 km/h

列车以18 km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线分别如图5、图6所示，从列车经过绝缘锚段关节至两者之间横向距离为300 mm的过程中，电弧温度始终维持在6 000～10 000 K，电弧在这个过程中稳定性较强，未呈现出熄灭的趋势，且电弧整体温度较高，会对受电弓和绝缘锚段关节造成严重的烧蚀；同时电弧飘弧现象严重，电弧发展扩散范围大，容易对周围的电气设备造成威胁。

图5 列车以18 km/h通过时的电弧发展特性

图6 列车以18 km/h通过时的电弧温度变化曲线

2.2 列车通过速度108 km/h

列车以速度108 km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线如图7、图8所示，可以发现与列车通过速度为18 km/h时相比，虽然电弧在绝缘锚段关节与受电弓横向距离300 mm的范围内仍然没有熄灭，但是电弧温度大大降低，整体维持在4 000～6 000 K，对弓网系统的烧蚀破坏程度大大降低，且稳定性的下降让电弧在后续过程中的维持能力降低，电弧熄灭后重燃几率也得到了减小。

图7 列车以108 km/h通过时的电弧发展特性

图8 列车以108 km/h通过时的电弧温度变化曲线

2.3 列车通过速度144 km/h

列车以速度144 km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线分别如图9、图10所示，电弧在绝缘锚段关节与受电弓横向距离300 mm的范围内燃弧强度与列车速度108 km/h时相比有所降低，整体温度维持在3 500～5 000 K，电弧接近熄灭的状态。

图9 列车以144 km/h通过时的电弧发展特性

图10 列车以144 km/h通过时的电弧温度变化曲线

2.4 列车通过速度180 km/h

列车以180 km/h通过时的电弧发展特性和电弧温度变化曲线分别如图11、图12所示，当列车通过绝缘锚段关节的速度为180 km/h时，电弧温度几乎持续下降，最终在绝缘锚段关节与受电弓之间的横向距离为75 mm时温度降低至约3 000 K左右，电弧在整个过程中维持时间极短，且来不及形成稳定燃弧的状态就因无法继续维持而熄灭，对弓网系统造成的损伤忽略不计。

图11 列车以180 km/h通过时的电弧发展特性

图12 列车以180 km/h通过时的电弧温度变化曲线

3 结论

列车在通过绝缘锚段关节时燃弧剧烈，然而难以通过实验的方式复现线路实际燃弧情况，如电弧温度高达几千至上万度，难以准确测量其温度变化情况，此外，电弧存在的时间为毫秒级，亦难以通过在车顶设置高速相机拍摄完整的燃弧发展过程，同时现场故障实验还会影响到列车的正常运营。因此，本文针对建立的普速列车受电弓通过绝缘锚段关节的仿真模型，基于动网格技术模拟受电弓与滑板的相对移动过程，分析了列车以不同车速匀速通过绝缘锚段关节时产生电弧后电弧的发展扩散情况及其维持能力差异。通过对仿真结果的分析，得出结论如下。

(1)列车风对弓网电弧的维持能力影响巨大，列车在以18 km/h的速度匀速通过绝缘锚段关节时，电弧整体温度维持在6 000～10 000 K，在受电弓与绝缘锚段关节间距300 mm的范围内难以熄灭；当列车通过速度为108 km/h时，电弧整体温度维持在4 000～6 000 K，电弧稳定性相较列车通过速度18 km/h时有明显下降；当列车通过速度为144 km/h时，电弧温度及燃弧强度相比108 km/h时都有所降低；当列车通过速度为180 km/h时，电弧温度几乎持续下降，到1.6 ms绝缘锚段关节与受电弓之间的横向距离为75 mm时温度降低至3 000 K，电弧无法继续维持而熄灭。以较快车速通过绝缘锚段关节可以使电弧更快熄灭。

(2)列车风会影响电弧的稳定性，车速以108 km/h以上较快速度通过时，由于气流的冷却作用，电弧整体温度幅值水平降低，下降幅度大于8 000 K，且电弧温度振荡频率和幅度随气流增大而增强，后续熄灭后重燃的几率降低，如以18 km/h的车速通过时，电弧温度在6 500～10 000 K之间波动，此时电弧稳定性强，始终处于燃弧状态；以108 km/h的车速通过时，电弧温度仅有两次突升重燃的情况，其余阶段温度均处于4 000～6 000 K的不稳定状态；以144 km/h的车速通过时，电弧温度处于3 500～5 000 K，且不存在温度突升的情况，此时电弧稳定性极弱，趋于熄灭；以180 km/h的车速通过时，电弧在1.6 ms时即熄灭。

(3)车速低于108 km/h时，由于电弧受到气流的影响相对较小，其发展范围大，会向四周大面积飘动，飘弧严重，容易对周围电气设备造成损伤和破坏，而在大于108 km/h的高车速情况下，电弧的发展方向受到气流的主导作用几乎呈一条直线，作用范围变小，较难影响到周围电气设备。