古曉東，張慧潔，陳唐龍，徐曉鐘

0 引言

隨著國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展，接觸線燒傷斷線事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅了電氣化鐵道牽引供電設(shè)備的安全運行。接觸線燒傷情況較為復(fù)雜，國內(nèi)外的研究都較少涉及，多集中在分析引起燒傷的故障原因方面，而對接觸線的被侵蝕程度缺乏了解。

近年來，國際上較大型的面向工程界的通用數(shù)值模擬軟件不斷問世并被陸續(xù)引入國內(nèi)，如ANSYS、MARC 等，受到了工程界的普遍歡迎和重視。ANSYS 是一個融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場于一體的大型通用有限元分析軟件[1]，廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。它具有強大的前后處理功能，能夠取得很好的計算效果。本文利用ANSYS對故障時接觸線的燒傷情況進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，對接觸線的被侵蝕程度取得了很好的計算結(jié)果，從而為接觸網(wǎng)的運營維護(hù)提供了可靠的依據(jù)，對保證電氣化鐵道牽引供電設(shè)備的安全運行有重要作用。

1 接觸線燒傷分析

牽引供電系統(tǒng)在正常情況下通過接觸網(wǎng)向電力機(jī)車提供電能，電力機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)上獲取電能驅(qū)動行駛，形成一個統(tǒng)一的整體[2]。

為保證弓網(wǎng)受流良好，接觸線的材質(zhì)類型主要有純銅接觸線、銅銀合金接觸線、銅鎂合金接觸線等[3]，其兩端的補償張力約為10～25 kN。高溫時接觸線金屬會出現(xiàn)軟化，在張力的作用下接觸線便有可能被拉斷而造成事故。造成接觸線局部高溫的原因基本可以歸為2 類：一類是由于材質(zhì)和作用力的影響，接觸線和受電弓之間存在一定的接觸電阻，當(dāng)流過大電流且長時間持續(xù)時將產(chǎn)生高溫；另一類是由于弓網(wǎng)間電弧的作用而引起的高溫。

1.1 大電流情況分析

大電流一般是由接觸網(wǎng)短路引起的，分為金屬性短路和非金屬性短路2 種。其中金屬性短路造成的短路電流較大，中高速鐵路上往往可達(dá)3 000 A以上。如果短路電流流過接觸電阻，則弓網(wǎng)接觸處易產(chǎn)生高溫，接觸線受熱傳導(dǎo)的作用發(fā)生溫度變化可能引起燒傷。現(xiàn)利用ANSYS 有限元分析軟件的瞬態(tài)熱分析功能對機(jī)車靜止短路時接觸線的溫度變化進(jìn)行近似仿真。

ANSYS 進(jìn)行熱分析的基本原理就是根據(jù)能量平衡原理求解一定邊界條件和初始條件下的熱平衡方程。在機(jī)車靜止短路時接觸線的溫度變化過程中，系統(tǒng)濕度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能均隨時間明顯變化，其能量平衡方程可表示為[4]

式中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)，對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點溫度向量；為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；{Q(t)}為節(jié)點熱流率向量隨時間變化，包括熱生成。

用ANSYS 進(jìn)行熱分析的一般步驟：①建立實體模型；②施加載荷計算；③確定分析選項并求解；④后處理。本文以目前廣泛使用的CTHA-120 銅銀接觸線為分析對象，設(shè)其橫截面為圓形，截面半徑r 為6.18 mm，電阻率ρ為0.017 77 ? · mm2/m，熱導(dǎo)率為400 W/(m ·℃)，密度為9 016 kg/m3，比熱容為300 J/(kg ·℃)。綜合各種因素，取弓網(wǎng)接觸面積為1 mm2，由于熱傳導(dǎo)過程時間很短，熱量還來不及散失到接觸部分以外的空間，故可假定所有的邊都是絕熱的，取環(huán)境初始溫度為20℃。選取接觸線中心到接觸面這一部分進(jìn)行分析建模。選取SOLID70 三維六面體單元進(jìn)行有限元分析，建立有限元模型并劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

載荷包含接觸電阻產(chǎn)生的熱流密度載荷和電流流過接觸線的熱生成體載荷2 部分，熱流密度的計算方法如下：

式中，S 為接觸面面積，m2；Rc為接觸電阻，μ?；其中接觸電阻Rc由文獻(xiàn)[5]可得：

式中，F(xiàn) 為滑板與接觸線間的接觸壓力，N；m 為與接觸形式、壓力范圍和實際接觸點數(shù)有關(guān)的指數(shù)；Kc為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)。

該處可取m = 1，Kc= 100。接觸線的熱生成體載荷的計算公式為

式中，ρ為電阻率，?·mm2/m；r 為接觸線截面半徑，mm。

為比較接觸壓力和短路電流對接觸線溫升的影響，參考實際運行的情況，分別取接觸壓力70和100 N，短路電流3 000 和5 000 A 的情況進(jìn)行計算，并將計算所得的載荷施加在有限元模型上。設(shè)置分析選項為Transient 并設(shè)好各項參數(shù)后進(jìn)行求解運算，選取接觸線表面和中心兩點的溫度繪制溫度隨時間變化曲線，結(jié)果如圖2—圖5 所示（圖中上部曲線均為接觸線表面溫度，下部曲線均為接觸線中心溫度）。

圖2 接觸壓力70 N、短路電流3 000 A 時接觸線溫升隨時間變化曲線圖

由圖2 可以看出短路時接觸線表面溫度迅速升高，只需0.11 s 就達(dá)到了熔點1 000℃，而由于熱量由表面?zhèn)鬟f到接觸線中心需要一定時間，所以中心位置的溫度變化有一定的滯后效應(yīng)，并始終和表面溫度保持一定差值，盡管如此在約0.16 s 時接觸線中心溫度也達(dá)到了熔點。

圖3 接觸壓力120 N、短路電流3 000 A 時接觸線溫升隨時間變化曲線圖

圖4 接觸壓力70 N、短路電流5 000 A 時接觸線溫升隨時間變化曲線圖

圖5 接觸壓力120 N、短路電流5 000 A 時接觸線溫升隨時間變化曲線圖

由圖2 和圖3 的曲線對比可以看出，后者溫度變化曲線上升得較慢，達(dá)到熔點的時間滯后約0.09 s，原因是接觸壓力增大后，接觸電阻減小，短路時所產(chǎn)生的熱量也隨之減小，使得溫度的上升速率減緩。

對比圖2 和圖4 可以看出，后者的溫度變化曲線上升得遠(yuǎn)快于前者，接觸線表面只需0.03 s 就可達(dá)到熔點，而接觸線中心也只需0.08 s 就達(dá)到了熔點。這是因為在接觸壓力不變的情況下，短路電流增大后產(chǎn)生的熱量也隨之增大，使得溫度的上升速率加快。

對比圖2 和圖3，圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)短路電流相同時，隨著接觸壓力的增大，溫度曲線上升的速率明顯減緩。這說明增大接觸壓力對減緩短路時接觸線溫度上升速率有明顯效果。

綜合各圖可以看出，當(dāng)短路電流在3 000 A 以上時，接觸線的溫度上升極快，短時間內(nèi)即可達(dá)到熔點，如果保護(hù)裝置沒有及時動作切斷電流的話，接觸線就會被燒傷，造成其機(jī)械性能迅速下降，在張力的作用下就會被拉斷。如2009 年滬昆線發(fā)生一起機(jī)車主斷路器爆炸接地事故，變電所記錄顯示短路電流高達(dá)6 877.5 A，保護(hù)裝置來不及動作，接觸線燒傷后迅速被拉斷造成斷線事故，給鐵路正常運營帶來極大的損失。

1.2 弓網(wǎng)電弧分析

弓網(wǎng)間電弧是由于機(jī)車受流時弓網(wǎng)發(fā)生離線造成的，接觸線和受電弓滑板從正常接觸位置開始向分離的方向運動，因接觸壓力逐漸減小，實際接觸和導(dǎo)電的面積減小，接觸電阻相應(yīng)增大。在接觸面最后分離前的一瞬間，能量集中作用于最后分離的金屬上，使其溫度迅速上升到金屬的沸點而引起爆炸式的氣化。由于弓網(wǎng)離線時滑板與接觸線之間的電壓和開斷的電流均大于弓網(wǎng)系統(tǒng)的生弧電壓和生弧電流，且間隙充滿了高溫金屬蒸汽，在10-8s 以內(nèi)就形成電弧[6]。電弧的熱量很大，弓網(wǎng)拉弧時離線間隙不大且由于熱量會向周圍介質(zhì)傳遞，從而電弧熱流主要傳給了滑板和接觸線，對接觸線會造成很大的危害。

機(jī)車靜止時電弧產(chǎn)生的危害要大于機(jī)車運動時，是因為電弧位置的快速變化能在一定程度上減小電弧對接觸線的危害。本文就靜止時產(chǎn)生電弧的情況進(jìn)行分析，由于至今尚無一個完善的電弧侵蝕接觸線的物理模型用于計算接觸線的被侵蝕程度，現(xiàn)根據(jù)文獻(xiàn)[7]—[9]取電弧的熱流密度為 8×1010W/m2，忽略流過電流產(chǎn)生的熱能，利用ANSYS仿真靜止時電弧對接觸線的侵蝕情況，仍然以CTAH-120 銅銀接觸線為分析對象，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 弓網(wǎng)拉弧時接觸線溫升隨時間變化曲線圖

由圖6 可以看出，機(jī)車靜止時在電弧作用下，接觸線的表面溫度上升極快，中心位置由于熱量是由外向內(nèi)傳遞，其溫度上升有一定的滯后，但也在極短的時間內(nèi)就達(dá)到了熔點，遠(yuǎn)小于保護(hù)裝置動作需要的時間。

2 結(jié)論

由以上仿真結(jié)果分析可知，當(dāng)弓網(wǎng)接觸處流過大電流時，電流越大，持續(xù)時間越長，接觸線溫度就越高。弓網(wǎng)接觸壓力的增加能有效減緩接觸線溫度的上升速率。對于機(jī)車靜止時弓網(wǎng)拉弧的情況，由仿真可知極短的時間內(nèi)就可以燒斷接觸線。由于受電弓和接觸線都處于自然大氣的條件下，滅弧難度大，所以只能從盡量避免產(chǎn)生電弧入手來解決問題。因此解決接觸線的燒傷可采取以下措施：（1）合理選擇適當(dāng)?shù)墓W(wǎng)接觸壓力，盡可能減小弓網(wǎng)間的接觸電阻。但接觸壓力不能隨意增大否則會增加受電弓和接觸線的異常磨損，縮短其使用壽命。（2）采取有效措施避免機(jī)車絕緣被擊穿造成短路故障。機(jī)車的絕緣設(shè)計水平必須綜合考慮機(jī)車對各種作用電壓的耐受特性，同時對過電壓情況進(jìn)行治理。如可采取在車載變壓器的原邊兩端并聯(lián)RC 阻容回路等措施對過電壓進(jìn)行抑制。（3）改善接觸線的材質(zhì)。接觸線應(yīng)選取抗高溫、抗軟化性能較好的材料，這需要加強對新型合金材料的研究。（4）盡量縮短保護(hù)動作時間，同時選取動作時間快的斷路器以便及時斷開短路電流。（5）保證受電弓抬升力正常。機(jī)車靜止產(chǎn)生的電弧常發(fā)生于機(jī)車進(jìn)站后停車時，此時如果傳動風(fēng)缸壓力不足或彈簧故障時就會造成受電弓抬升力不夠，從而發(fā)生離線造成電弧。因此保證受電弓抬升力符合標(biāo)準(zhǔn)能有效避免產(chǎn)生靜止電弧。

隨著電氣化鐵道高速化、重載化不斷發(fā)展，鑒于接地短路、弓網(wǎng)拉弧等故障對弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的危害影響，對此進(jìn)行深入而精確的研究勢在必行。從以上分析可以看出，用ANSYS 軟件仿真可以直觀地看出大電流情況下和靜止時弓網(wǎng)拉弧的接觸線溫升狀況，進(jìn)行準(zhǔn)確地數(shù)值分析，從而可以得出故障接觸線的被侵蝕程度，這對牽引供電系統(tǒng)設(shè)計和運營維護(hù)提供了依據(jù)，對保證牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行有重要意義。

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