城轨弓网电弧持续时间及强度与电弧温度的关系研究

于晓英，宋梦杰，王 泽，刘成宝，王煜琦

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070；2.大秦铁路股份有限公司科学技术研究所，山西 太原 030013；3.乌鲁木齐铁路局哈密机务段，新疆 哈密 839099)

随着我国城镇化的快速推进，城市交通拥堵越加严重，人们对日常交通运输要求提高.城市轨道交通因其具有专用线路、速度快、站点多、安全稳定等优点得到了迅速发展，覆盖城市越来越多[1].国家对城轨交通建设做出了中长期规划，预计到 2025年末，我国城市轨道交通线路总长将超过1万km，到2030年末，接近1.5万km.

城轨列车能够快速、稳定运行的主要原因之一是具有持续、稳定的电能来源.机车车顶的受电弓弹性升起时，其顶部碳滑板与接触线间保持一定的压力，紧密接触，接通牵引变电所、接触网、列车、回流线回路，持续取流[2].但是在列车运行过程中，由于接触线硬点、滑板夹杂异物、轮轨不平顺等因素，会导致弓网压力瞬间减小，受电弓与接触线分离.弓网离线瞬间，若加在滑板与接触线间的电压大于截止临界起弧电压时，弓网间空气间隙被击穿，产生电弧，此时电弧在电气上连接滑板与接触线，成为供电回路中最薄弱的环节[3].作为一种高温等离子体，弓网电弧会产生很高的能量，作用于滑板及接触线材料表面，使材料表面温度瞬时升高，发生熔化、气化、喷溅等现象，进而加速滑板及接触线的老化、缩短弓网材料的服役寿命[4-6].

目前，针对电弧温度的研究成果主要集中在开关电弧领域，针对弓网电弧温度的研究相对较少[7].Zheng等[8]利用弓网电弧温度在线监测装置，基于原子发射光谱法测温原理，通过两条特定的电弧谱线来计算电弧温度；邢立成[9]采用Boltzman作图法，通过实验测得弓网电弧的光谱信息，进而计算电弧通道的温度，他们研究发现电弧温度随电弧持续时间增大；王君鹏[10]发现弓网系统在正向电源激励下，燃弧时间长，弓网电弧温度高于负向电源激励情况.

文中应用红外相机和基于日盲区的弓网电弧检测系统在车顶获取实验数据，探究弓网电弧温度与其持续时间的关系、温度与电弧强度的关系，及温度的变化规律.

1 弓网电弧的温度及日盲区特性

1.1 弓网温度特性

弓网电弧发生时，伴随着弧声，弧光及高温等物理现象，高温是电弧发生时重要的物理特性之一[9].电弧持续时间短暂，电弧发生期间内，碳滑板与接触线之间的空气间隙被击穿，间隙中的带电粒子在外加场强的作用下不断被加速获得动能，加速后的带电粒子会持续地与中性分子碰撞，加剧中性分子的振荡运动，中性分子也获得了动能，随着碰撞次数的不断增加，电弧的温度也会急剧上升，等离子体温度可迅速升高[11].电弧的温度由间隙中气体的平均平动动能决定[12]，其微观表达式为

(1)

其中，Ek为气体分子运动的平均平动动能；Ekx,Eky,Ekz分别为x,y,z3个自由度上的粒子动能；kB为玻耳兹常数，一般取kB=1.380649 10-23J·K-1；T为相应粒子具有的热力学温度(K)；m为粒子质量；v为离子运动的均方根速度(m·s-1).

由(1)式可知，弓网电弧的热力学温度主要取决于粒子动能，而影响离子动能的主要是加速电压，因此，电弧温度的主要影响因素有接触网电流电压、弓网间隙气压、弓网接触材料的蒸气游离电位等.而以上因素均会影响到弓网电弧的持续时间及强度.

1.2 弓网电弧的日盲区特性

弓网电弧是一种气体放电现象，放电过程中，会伴随发光，即弧光[13].弓网电弧的弧光光谱中包含紫外线部分，其中280±5 nm波段紫外线可做为弓网电弧强度检测特征量[14-15]，主要原因有：① 该波段光信号属日盲区，可以不受阳光干扰；② 该波段在电弧光谱中呈现小波峰，易于检测；③ 该波段在电弧光谱中占有一定比例，随电弧光谱强度正向变化.因此，将(280±5)nm特征波段紫外光作为检测对象，可以准确反映弓网电弧的强弱.

2 弓网电弧温度及强度检测

2.1 弓网温度检测

弓网温度测量应用非接触式红外温度测量技术，在车辆顶部安装红外热成像仪，车辆运行过程中对弓网接触点连续拍摄，红外热成像仪输出的温度图像数据传输至计算机，利用图像处理算法，找出弓网图像中的温度异常点，记录检测位置、温度信息、保存温度图像，实现对弓网电弧温度的检测.车顶弓网位置红外图像如图1所示.

图1 车顶弓网电弧的红外图像

2.2 基于日盲区的弓网电弧强度检测

在车顶距弓网接触点4 m处，以25°倾角安装弓网电弧光学采集系统.弓网电弧光收集及转换过程如图2所示.

图2 弧光采集及转换过程

光学系统前端安装有带通滤光片，能够滤除280±5 nm特征波段以外的光线.特征波段光线经光学系统透镜组后，会聚在其末端的光纤束端面.特征波段经光纤传输到由光电倍增管为探测器的光电转换模块，光信号被转换为电信号输出，检测该电信号的持续时间及大小，即可得出弓网电弧持续时间及强度.

3 弓网电弧检测实验

为了得到城轨弓网电弧强度、电弧持续时间与温度的实测数据，将红外热成像仪与基于日盲区的弓网电弧检测系统安装在兰州轨道交通1号线一期线路列车车顶进行随车检测，完成了4次弓网电弧温度及弧光信息收集.检测条件涵盖列车运行方向(上、下行)、线路条件(地上、地下)、悬挂模式(刚性悬挂、柔性悬挂、刚柔过度悬挂)，并考虑了试验时间段(阳光影响)、列车运行速度等因素.上行检测时，列车由陈官营停车场出发，依次经过20个车站后到达东岗车辆段停车，每个车站停车时间1分钟.下行检测时，由东岗车辆段开往陈官营停车场.具体检测条件和参数如表1所示.

表1 检测条件

4次检测试验结束后，共收集整理出燃弧次数172次，每次运行检测出的燃弧次数、燃弧时长、燃弧率、最大燃弧持续时间、平均燃弧持续时间、最大燃弧强度(光电转换模块输出的电压积分值)、平均燃弧强度以及检测到的最高燃弧温度数据如表2所示.

表2 检测结果

由表2 可以看出，在4次上、下行燃弧检测过程中，均检测出弓网电弧现象.检测出弓网电弧的最大持续时间达到261 ms，用以衡量弓网电弧强度的光电转化模块输出最大电压积分值达到397 mV，而车顶红外热成像仪检测到的最高弓网电弧温度达到6 717 K.

为了得到弓网电弧的强度、持续时间与电弧温度之间的关系，对以上4次检测的所有弓网电弧数据进行分析.图3给出了弓网电弧的持续时间与检测单次电弧平均温度的关系，图4给出了弓网电弧的强度与检测单次电弧平均温度的关系.从图3 可以看出，弓网电弧的温度与持续时间有关，随电弧持续时间增加，电弧平均温度呈现升高趋势.二者变化趋势趋于线性关系.

图3 弓网电弧持续时间与平均温度的关系

从图4可以看出，弓网电弧的平均温度与基于电弧光特性检测出的光电转换模块输出的电压值与弓网电弧强度有关.电弧强度越大，即电弧燃烧越剧烈，其平均温度越高.二者变化趋势趋于线性关系.

图4 弓网电弧强度与平均温度的关系

结果表明，弓网电弧平均温度受电弧持续时间和电弧光谱辐射强度影响，均为正相关关系.主要原因为，在电弧持续时间越长、辐射强度越大的情况下，弓网间隙中的带电粒子与中性分子碰撞的速度就越快、碰撞时间越长，碰撞次数越多，进而导致弓网间隙中气体的平均平动动能越大，电弧的温度越高.

4 结束语

弓网电弧的高温特性会造成接触线和受电弓滑板损伤，可能导致接触线表面麻点甚至烧蚀、烧断，发生严重机车安全事故.经分析，弓网电弧温度受弓网材料特性、环境气压、接触线电压影响，以上3个因素又直接决定离线间隙下能否起弧、电弧的持续时间及电弧的强度.因此，文中将光学法电弧检测系统及红外热像仪安装于兰州轨道交通1号线列车进行弓网强度、持续时间、温度检测.经对检测数据分析，发现弓网电弧的温度与其持续时间和电弧强度均存在相关性，弓网电弧强度越大、持续时间越长，则其温度越高，但并不是完全线性关系.

弓网电弧起弧、燃弧、灭弧过程中的温度变化，弓网电弧温度、持续时间及强度对接触线及受电弓滑板的微观影响还需要进行深入研究.