肖曉斌

濟(jì)南鐵路局青島機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部

受電弓
——接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究

肖曉斌

濟(jì)南鐵路局青島機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部

近年來，弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸不良導(dǎo)致的接觸線斷線及材料燒損事故占弓網(wǎng)事故的比例逐年遞增，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的燃弧與火花現(xiàn)象，專家學(xué)者存在不同見解。隨著貨物列車重載化及旅客列車高速化的實(shí)施，一定要根據(jù)電接觸理論，進(jìn)行研究弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性，對弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中合理解釋出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和事故，提供理論依據(jù)來更好的解決這些問題。弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧雖然會(huì)產(chǎn)生電磁干擾周圍環(huán)境，但卻能確保電動(dòng)列車正常取流的連續(xù)性。

弓網(wǎng)系統(tǒng)；接觸特性；要點(diǎn)

通常在電氣列車車頂安裝受電弓，電氣列車通過接觸線與受電弓滑板接觸取得電能。以下所稱的弓網(wǎng)系統(tǒng)即是由接觸網(wǎng)與受電弓構(gòu)成的系統(tǒng)，弓網(wǎng)系統(tǒng)是電氣列車的受流方式之一，是移動(dòng)能量消耗設(shè)備和固定設(shè)備即車輛之間聯(lián)系的紐帶。在構(gòu)成電氣回路的同時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)是運(yùn)行中一定要保持存在接觸壓力的機(jī)械裝置。世界上高速鐵路具有代表性的，均是采用弓網(wǎng)系統(tǒng)受流。由普通速度提高到高速運(yùn)行時(shí)，電氣列車的接觸網(wǎng)與受電弓的相互作用就會(huì)發(fā)揮非常重要的作用，這是因?yàn)橄拗屏熊噷?shí)現(xiàn)最高速度的重要因素就是電能傳輸。

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特點(diǎn)

相對靜止不動(dòng)時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸網(wǎng)與受電弓接觸區(qū)域表現(xiàn)為接觸線圓弧面與滑板平面之間的線接觸。無論如何加工、打磨接觸部分及運(yùn)行過程中的相互磨損，從微觀上來看總是凸凹不平的，即使有很大的接觸壓力相互壓緊滑板與接觸線，實(shí)際發(fā)生真正接觸的也只有少數(shù)的點(diǎn)或小面，全部的弓網(wǎng)接觸壓力實(shí)際上就是由這些接觸的點(diǎn)或小面提供的。由于滑板表面和接觸線一般都覆蓋著一層其它種類的雜質(zhì)特別是導(dǎo)電不良的氧化膜，因而在實(shí)際小面或接觸點(diǎn)內(nèi)，只有少部分的氧化膜被摩擦或者擠壓才可以形成電的直接接觸，實(shí)際上電流只能從這些更小的接觸點(diǎn)傳輸，把實(shí)際發(fā)生機(jī)械接觸的點(diǎn)或小面稱為接觸斑點(diǎn)，接觸斑點(diǎn)中那些金屬或準(zhǔn)金屬接觸形成的更小面實(shí)際傳導(dǎo)電流的面稱為導(dǎo)電斑點(diǎn)。

2 弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻

在導(dǎo)電斑點(diǎn)附近由接觸線流向滑板的電流發(fā)生收縮，使電流流過的有效導(dǎo)電面積減小，路徑增加，因而就會(huì)存在局部的附加電阻，稱為“收縮電阻”。通過接觸區(qū)域時(shí)電流還會(huì)遇到準(zhǔn)金屬接觸，通過極薄的膜時(shí)電子還會(huì)遇到另一附加電阻，稱為“膜電阻”。在電路上這兩部分附加電阻是串聯(lián)的，構(gòu)成弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻就是收縮電阻與膜電阻相加后的總電阻。

對于弓網(wǎng)系統(tǒng)點(diǎn)狀接觸的粗糙表面，表征弓網(wǎng)電接觸特征的參數(shù)是接觸電阻，每個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻可用下式計(jì)算：

式中： Rf為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的表面膜電阻；Rc為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻；ρ1，ρ2分別為滑板材料和接觸線的電阻率；a為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑。

如果通過導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻增高或電流增大，則必然會(huì)增大接觸點(diǎn)的電壓降，收縮區(qū)內(nèi)和導(dǎo)電斑點(diǎn)的溫度也一定會(huì)相應(yīng)增高，當(dāng)溫度達(dá)到滑板材料或接觸線的熔化點(diǎn)和軟化點(diǎn)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電斑點(diǎn)及其附近的接觸線或滑板軟化和熔化。

實(shí)際上，受電弓滑動(dòng)次數(shù)較少的接觸線表面或新開通的電氣化鐵路均有一層表面膜，其導(dǎo)電率較差，弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸過程中，會(huì)出現(xiàn)較明顯的電火花現(xiàn)象。隨著接觸線的表面膜受電弓滑動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸被破壞的過程，也可能被較高的電場破壞，此時(shí)的接觸電阻只剩下收縮電阻部分，即

1個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻，假設(shè)接觸線和滑板之間的導(dǎo)電斑點(diǎn)有n個(gè)，兩個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)之間的距離比a值大得多，那么多斑點(diǎn)間的收縮電阻就是一種并聯(lián)關(guān)系，弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻R為

在考慮材料的硬度定義時(shí)，認(rèn)為接觸硬度為：

式中：H為接觸線和滑板兩者中較軟材料的接觸硬度；F為弓網(wǎng)接觸力。

弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻與導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目、滑板及接觸線材料的電阻率、接觸力大小、接觸硬度有關(guān)。對弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算比較困難，通常進(jìn)行估算或通過試驗(yàn)得到。

3 弓網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)

電氣列車的滑板與接觸線在靜止?fàn)顟B(tài)下相對靜止不動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)局部區(qū)域的溫度會(huì)通過弓網(wǎng)接觸電阻的電流產(chǎn)生的焦耳熱而升高，在溫度超過一定值后滑板和接觸線尤其是接觸線機(jī)械強(qiáng)度會(huì)明顯下降。

接觸溫升與接觸電阻、導(dǎo)電斑點(diǎn)超過接觸點(diǎn)外的溫度及通過接觸點(diǎn)的電流成簡單的函數(shù)關(guān)系：

接觸材料一定時(shí)，通過接觸點(diǎn)的電流的平方與接觸溫升成正比，與接觸電阻的平方成正比。

我國電氣化鐵路的接觸線與主流滑板不是同種材料，兩種材料具有不同的熱導(dǎo)率和電阻率，兩者屬于非對稱接觸。當(dāng)接觸線和滑板分別使用碳、銅或銅合金材料時(shí)，收縮電阻的主要存在于碳滑板內(nèi)，因?yàn)閷μ紒碚f，可以近似地將導(dǎo)電斑點(diǎn)表面看成是等位和等溫的，銅或銅合金是很好的良導(dǎo)體，然而相互對稱的點(diǎn)兩半收縮區(qū)的溫度不再相等。接觸溫升比較困難，通常用通過試驗(yàn)得到或者經(jīng)驗(yàn)公式估算特定條件下的接觸溫升。

4 弓網(wǎng)系統(tǒng)中的電火花和電弧現(xiàn)象

4.1 滑動(dòng)接觸過程中的弓網(wǎng)電火花現(xiàn)象

弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸線和滑板的接觸區(qū)域是屬于機(jī)械接觸，有著非常小的實(shí)際接觸面積，滑動(dòng)接觸很快變換其位置。當(dāng)在滑板和接觸線之間施加電壓時(shí)，電流流過與各種參數(shù)有關(guān)的、在機(jī)械接觸面的一系列導(dǎo)電斑點(diǎn)。導(dǎo)電斑點(diǎn)通過電流接觸面產(chǎn)生的能量加熱，要么導(dǎo)電斑點(diǎn)錯(cuò)位后的間隙產(chǎn)生電火花，要么導(dǎo)電斑點(diǎn)的迅速升溫并被熔化或氣化而形成電火花。電火花不被熔化的、一直持續(xù)到新的導(dǎo)電斑點(diǎn)產(chǎn)生為止。這也說明接觸線與滑板接觸斑點(diǎn)的壽命是短暫的。

4.2 滑動(dòng)接觸過程中的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象

在滑動(dòng)接觸弓網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)與受電弓相互振動(dòng)，接觸網(wǎng)彈性的周期性變化及受電弓通過不規(guī)則比如接觸線安裝缺陷、接觸線不均勻抬升量、單一質(zhì)量塊、接觸線本身缺陷等地方時(shí)，使得弓網(wǎng)接觸壓力波動(dòng)加劇。當(dāng)接觸壓力逐漸下降時(shí)，接觸線和滑板的接觸面積減小，電流通過接觸電阻引起的焦耳熱隨著兩者之間的接觸電阻的增加而增加，接觸面的溫度上升。當(dāng)接觸線和滑板之間機(jī)械脫離、兩者之間的接觸壓力為零時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧現(xiàn)象也產(chǎn)生了。

[1]梅桂明，張衛(wèi)華.受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及特性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，01：20-25.

[2]吳杰，高國強(qiáng)，魏文賦，陳光雄，劉賢汭.弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸特性[J].高電壓技術(shù)，2015，11：3635-3641.