王澤 于曉英 宋夢(mèng)杰

摘要：通過設(shè)計(jì)弓網(wǎng)電弧光譜實(shí)驗(yàn)，模擬DC 1 500 V條件下的城軌弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，利用光譜儀測(cè)量電弧光譜數(shù)據(jù)，選取電弧光譜中5條Cu I的分立線狀特征譜線，采用玻爾茲曼圖方法得到相同條件下6組電弧的平均溫度為5 962.20 K，符合電弧等離子體的溫度特征.文中研究方法及結(jié)論對(duì)城軌弓網(wǎng)電弧溫度的在線監(jiān)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；弓網(wǎng)燃?。坏入x子體溫度；光譜測(cè)溫

中圖分類號(hào)：U 225.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-988Ⅹ（2023）04-0050-04

城市軌道交通運(yùn)行環(huán)境特殊，承載能力強(qiáng)，是一種便捷、環(huán)保的交通方式，具有較高的運(yùn)輸效率［1］.當(dāng)前國(guó)家對(duì)城軌交通建設(shè)做出了中長(zhǎng)期規(guī)劃，預(yù)計(jì)到 2025年末，我國(guó)城市軌道交通線路總長(zhǎng)將超過10 000 km，2030年末，接近15 000 km.

城軌列車獲取動(dòng)力的直接來源是弓網(wǎng)系統(tǒng)［2］.通過剛性接觸線與受電弓之間的持續(xù)摩擦接觸獲取電能，微觀條件下二者之間只有部分點(diǎn)的接觸［3］.城軌列車高速行駛時(shí)，弓網(wǎng)短暫離線現(xiàn)象不可避免，離線間隙氣體被高壓擊穿，即發(fā)生弓網(wǎng)燃弧，電弧等離子體伴隨的劇烈高溫會(huì)侵蝕接觸線、受電弓滑板，導(dǎo)致弓、線接觸面微觀形態(tài)發(fā)生變化，最終降低設(shè)備使用壽命，影響機(jī)車受流質(zhì)量［4-5］.

目前，針對(duì)電弧等離子體溫度的研究主要集中于開關(guān)電弧及交流弓網(wǎng)電弧領(lǐng)域，而廣泛應(yīng)用于城市軌道交通的直流弓網(wǎng)電弧的相關(guān)研究成果相對(duì)較少［6-7］.直流弓網(wǎng)電弧持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、燃弧率高、燃燒穩(wěn)定，高溫等離子體會(huì)對(duì)弓網(wǎng)造成一定的影響［7］.因此，很有必要開展直流弓網(wǎng)電弧等離子體溫度的研究.

電弧等離子診斷技術(shù)主要有接觸式和非接觸式兩種.屬于非接觸式診斷的發(fā)射光譜法由于不會(huì)對(duì)電弧等離子體的熱輻射產(chǎn)生影響、診斷原理簡(jiǎn)單、儀器操作簡(jiǎn)單，在等離子體參數(shù)診斷中得到了廣泛應(yīng)用［8］.胡怡等［9］利用光譜診斷技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，受電弓下落時(shí)，間隙距離增加致使電弧溫度下降，牽引電流增大，電弧溫度增大.刑立成等［10］以銅元素光譜為主要特征譜，利用玻爾茲曼繪圖法，對(duì)測(cè)得的弓網(wǎng)電弧光譜分析后計(jì)算得到電弧激發(fā)溫度.Zheng等［11］利用弓網(wǎng)電弧溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，基于原子發(fā)射光譜法測(cè)溫原理，通過兩條特定的特征譜線來計(jì)算電弧溫度.上述研究對(duì)象均為交流弓網(wǎng)電弧，且實(shí)驗(yàn)電流電壓較小，診斷結(jié)果無法反映工程實(shí)際情況，所用光譜儀采集效率偏低、測(cè)得數(shù)據(jù)缺乏穩(wěn)定性且采用兩條特征譜線進(jìn)行弓網(wǎng)電弧溫度計(jì)算的結(jié)果誤差較大.

文中通過設(shè)計(jì)充分接近現(xiàn)實(shí)工況的弓網(wǎng)燃弧實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生DC 1 500 V供電的直流弓網(wǎng)電弧，利用8通道光譜儀對(duì)準(zhǔn)電弧發(fā)生位置高效測(cè)取原子發(fā)射光譜.選取多條原子譜線，在NIST數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢對(duì)應(yīng)原子躍遷參數(shù)，應(yīng)用多譜線斜率法計(jì)算城軌弓網(wǎng)電弧等離子體溫度，為進(jìn)一步研究電弧離子體內(nèi)部變化過程提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持.

1 原理部分

1.1 電弧等離子體溫度特性

等離子體是除固、液、氣三種存在形式外的第四種物質(zhì)形態(tài)，具有高密度、高溫度特性，作為多種粒子的集合體，其整體對(duì)外顯電中性［12］.電弧等離子體內(nèi)部粒子發(fā)生碰撞后，總能量趨于平衡，此時(shí)，其主要特性不再是密度，而是溫度［13］.本文研究的弓網(wǎng)電弧等離子體是一種熱等離子體.弓網(wǎng)燃弧時(shí)，盡管氣體在間隙內(nèi)不能完全電離，但粒子之間存在著劇烈的撞擊和能量交換，此時(shí)等離子體呈現(xiàn)高度的電離狀態(tài)，其中主要粒子的溫度即電子、正離子、中性粒子的溫度約相等，也就是所謂的“局部熱平衡（LTE）”狀態(tài).當(dāng)體系達(dá)到熱平衡時(shí)，電子溫度就可以反映等離子體溫度［14］.特定溫度下，等離子體內(nèi)電子與離子的劇烈碰撞會(huì)持續(xù)將光波發(fā)射出去，其中包含許多特征譜線.文中對(duì)等離子體電子溫度進(jìn)行診斷，并以此來反映城軌弓網(wǎng)環(huán)境下的電弧等離子體的溫度特性.

1.2 發(fā)射光譜法測(cè)溫原理

發(fā)射光譜法測(cè)量等離子體的激發(fā)溫度通常采用原子光譜，文中采用誤差相對(duì)較小的“斜率法”來診斷電弧等離子體溫度.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

當(dāng)兩個(gè)不同電位的導(dǎo)體相距較近時(shí)會(huì)形成較大場(chǎng)強(qiáng)，該數(shù)值大于一定值時(shí)，導(dǎo)體間隙中的空氣會(huì)被擊穿，產(chǎn)生電弧等離子體并伴隨發(fā)光現(xiàn)象.根據(jù)以上電弧發(fā)生機(jī)理，本文設(shè)計(jì)了一種能還原現(xiàn)場(chǎng)情況的弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

本實(shí)驗(yàn)所用電極材料與城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)情況一致.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及作用如表1所示，試驗(yàn)所用碳滑板材料的規(guī)格參數(shù)如表2所示.

根據(jù)圖1完成實(shí)驗(yàn)電路搭建.安裝軟銅線在高壓發(fā)生器高壓端，將接觸線用線夾緊固并進(jìn)行軟銅線的長(zhǎng)度和位置調(diào)節(jié)，避免其位置因晃動(dòng)而發(fā)生變化.調(diào)整軟銅線的長(zhǎng)度之前，先完成碳滑條接地，然后將接觸線和碳滑條與高壓控制臺(tái)相連接，調(diào)整維持二者與地面的水平關(guān)系，調(diào)整夾具保持最少10 mm的間距.對(duì)光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，按照實(shí)驗(yàn)要求水平放置于預(yù)先確定的位置，對(duì)準(zhǔn)電弧發(fā)生點(diǎn).本試驗(yàn)采用調(diào)壓器對(duì)1 500 V直流電壓進(jìn)行控制.首先使用變壓器提升電壓，然后利用整流器使高壓輸出為1 500 V.設(shè)備固定后，在暗室環(huán)境下開啟高壓發(fā)生器，緩慢將高壓端有效電壓調(diào)至DC 1 500 V，觀察接觸線與碳滑條之間是否出現(xiàn)電弧.若弧光未出現(xiàn)，將電壓歸零，關(guān)閉電源后調(diào)整二者距離，再次接通電源時(shí)若出現(xiàn)弓網(wǎng)電弧，記錄此時(shí)接觸線與碳滑條之間的距離，完成光譜數(shù)據(jù)采集.

結(jié)合城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，此次弓網(wǎng)電弧光譜實(shí)驗(yàn)接近實(shí)際城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)中的燃弧現(xiàn)象.電弧的演變規(guī)律相似，因此文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)診斷電弧等離子體溫度對(duì)于實(shí)際城軌弓網(wǎng)電弧溫度診斷具有一定參考價(jià)值.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

光譜是由各種微觀粒子能量發(fā)生變化時(shí)發(fā)出的電磁波，從光譜的形態(tài)角度看，主要包括線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜［16］.

選用合適的譜線，可以極大地降低測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度［17］，文中利用光譜中的分立線狀譜線來檢測(cè)弓網(wǎng)電弧等離子體的電子激發(fā)溫度.

譜線應(yīng)當(dāng)選取同一種類的譜線，相對(duì)強(qiáng)度要較高，激發(fā)態(tài)能級(jí)的差異越大越好；其次，所選原子譜線應(yīng)不易出現(xiàn)自吸收.由于弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸導(dǎo)線的主要電極材料是銅，因此電弧等離子體中含較多激發(fā)態(tài)銅原子，燃弧時(shí)光譜中會(huì)出現(xiàn)大量銅原子的特征光譜.弓網(wǎng)電弧的輻射光譜如圖2所示.

由圖2可知， Cu I的特征譜線比其他譜線更多，因此選取Cu I的特征譜線進(jìn)行等離子體中電子溫度的計(jì)算.本文選取5條特征譜線的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其原子躍遷參數(shù)如表3所示.

根據(jù)（3）式繪制出玻爾茲曼圖，如圖3所示.圖3中5個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)選取的5條譜特征譜線，線性擬合的相關(guān)系數(shù)為0.98，說明斜率法確定的等離子體的溫度較為準(zhǔn)確［18］.本次實(shí)驗(yàn)中城軌弓網(wǎng)電弧的燃燒是隨機(jī)的，所以一次測(cè)試所得的結(jié)果具有一定局限性，為了全面反映等離子體的輻射特征，采用同一實(shí)驗(yàn)條件下的多組實(shí)驗(yàn)，在擬合度較好的情況下進(jìn)行溫度計(jì)算.本文進(jìn)行了6組試驗(yàn)，表4為斜率和等離子體溫度擬合計(jì)算結(jié)果.

以上6組擬合圖像中相關(guān)系數(shù)均大于0.75，因此擬合度較好，溫度結(jié)果較為可靠，根據(jù)表中結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管弓網(wǎng)燃弧隨機(jī)性強(qiáng)且溫度具有一定波動(dòng)性，但其波動(dòng)范圍是在百開爾文量級(jí).最終計(jì)算得到的城軌弓網(wǎng)電弧等離子體平均溫度值為5 962.20 K，說明該方法可以有效診斷城軌弓網(wǎng)電弧等離子體的溫度.

3 結(jié)束語(yǔ)

城軌弓網(wǎng)電弧等離子體產(chǎn)生的瞬間高溫加劇弓網(wǎng)系統(tǒng)的磨損，縮短其使用壽命，燒蝕加劇時(shí)會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)斷線事故，嚴(yán)重威脅城軌列車的運(yùn)行安全.本文利用發(fā)射光譜法，選擇合適的特征譜線，對(duì) Cu I的多條譜線進(jìn)行分析，獲得擬合圖像，從多組溫度計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在燃弧條件不變的情況下，城軌弓網(wǎng)電弧溫度的變化范圍在百開爾文量級(jí)，波動(dòng)范圍不大.最終計(jì)算得到模擬真實(shí)工況下的城軌弓網(wǎng)電弧等離子體的溫度為5 962.20 K，符合電弧等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)下的溫度特征.后續(xù)工作可以進(jìn)一步研究城軌弓網(wǎng)電弧等離子體的密度特性和起弧、燃弧、滅弧過程中的溫度變化以及弓網(wǎng)電弧溫度、持續(xù)時(shí)間對(duì)接觸線及受電弓滑板的微觀影響.

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（責(zé)任編輯 孫對(duì)兄）