楊志鵬，李華偉，孫忠國，李國國

0 引言

鐵路電氣化是鐵路發(fā)展的大方向，國內(nèi)正在大力推進(jìn)既有線路的電氣化改造和高速電氣化鐵路的建設(shè)，列車運(yùn)營速度已達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過弓網(wǎng)間相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引受流是電氣化鐵路關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著列車速度不斷提高，弓網(wǎng)關(guān)系越來越引起重視。弓網(wǎng)電弧參數(shù)是體現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系的一個(gè)重要特征，在實(shí)際運(yùn)營中弓網(wǎng)電弧會(huì)增加接觸線和受電弓滑板的磨耗，影響受流質(zhì)量，產(chǎn)生電磁干擾、噪聲等問題。

為了研究弓網(wǎng)電弧的特性，需要真實(shí)檢測各種數(shù)據(jù)。采用簡單的模擬裝置最大限度地模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)真實(shí)模型，可以為檢測提供真實(shí)可靠的平臺(tái)，也為進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場檢測奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 弓網(wǎng)電弧發(fā)生機(jī)理

當(dāng)空氣處于一定的電場中，其中的帶電粒子會(huì)沿著所受電場力的方向作加速運(yùn)動(dòng)，在帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，有可能與其他氣體分子發(fā)生碰撞，造成部分氣體分子電離，產(chǎn)生電子和正離子，從而進(jìn)一步導(dǎo)致電子崩的產(chǎn)生，這就是電子碰撞電離。當(dāng)空氣間隙上電壓達(dá)到一定數(shù)值后，流過間隙的電流劇增，空氣失去絕緣能力，這種由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)的變化稱為擊穿[1]。

電弧的形成主要分為4種類型[2]：

（1）當(dāng)觸頭剛分開時(shí)，產(chǎn)生很大的電場強(qiáng)度，陰極表面的電子被拉出成為弧隙間最初的自由電子。

（2）陰極表面發(fā)射出的電子和弧隙中原有的少數(shù)電子在電場作用下，不斷與其他粒子發(fā)生連續(xù)的碰撞游離，導(dǎo)致在觸頭間充滿了電子和離子，在外壓的作用下觸頭間介質(zhì)就可能導(dǎo)致被擊穿而形成電弧。

（3）電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面受熱，形成強(qiáng)烈的熱點(diǎn)，金屬不斷地發(fā)射出電子，促使熱電子發(fā)射形成電弧。

（4）在開關(guān)電器中的電弧總存在一些金屬蒸汽，而金屬蒸汽的游離溫度只在4 000℃～5 000℃，因此金屬蒸汽熱游離維持著電弧燃燒。溫度的升高，使得質(zhì)點(diǎn)碰撞能游離出電子和正離子。

弓網(wǎng)電弧主要發(fā)生在以下情況：列車經(jīng)過電氣分段，如錨段關(guān)節(jié)，分段絕緣器，電分相等；滑板或接觸線表面有異物，如污物、覆冰、積雪等；接觸線安裝不合格，出現(xiàn)連續(xù)硬點(diǎn)、硬彎、接觸線坡度超限等；惡劣天氣情況下，如濃霧、煙雨等。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生試驗(yàn)臺(tái)由三相交流電機(jī)，旋轉(zhuǎn)輪盤接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，模擬受電弓，支撐結(jié)構(gòu)，變頻器和電弧電氣主回路構(gòu)成，如圖1所示。表1給出了其中各器件的主要參數(shù)。

圖1 弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置示意圖

表1 試驗(yàn)臺(tái)器件組成及功能一覽表

三相電機(jī)額定速度為2 840 r/min。輪盤采用絕緣塑料材質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和機(jī)械強(qiáng)度要求。接觸線選擇銅合金接觸線，采用無縫銅焊接技術(shù)連接。受電弓采用螺桿一維彈簧結(jié)構(gòu)，可以任意調(diào)節(jié)高度，增加接觸壓力，并且可以模擬弓網(wǎng)間彈性震動(dòng)。電弧主回路包括調(diào)壓變壓器，負(fù)載電阻，導(dǎo)線，保護(hù)空氣開關(guān)和互感器等。

3 電弧電壓和電流的測量

3.1 波形測量

試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，試驗(yàn)?zāi)M接觸線與受電弓最高相對速度為113.04 km/h，考慮到轉(zhuǎn)差率影響，約為110 km/h。調(diào)壓變壓器試驗(yàn)最高供電電壓為80 V，對應(yīng)電氣主回路電流為8 A。

電壓互感器為電流型電壓互感器，參數(shù)為2 mA/2 mA，電流互感器參數(shù)為10 A/10 mA。測量信號(hào)傳輸線為了減少電磁干擾采用信號(hào)線雙絞纏繞并套加鐵氧體磁環(huán)的方法。為保證測量信號(hào)的原始性，使得諧波分析結(jié)果可靠，未對信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

試驗(yàn)1設(shè)置變頻器輸出頻率，使得旋轉(zhuǎn)輪盤邊緣線速度約50 km/h，調(diào)壓變壓器供電電壓為30 V。試驗(yàn)電弧照片及電壓電流波形如圖2，圖3所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續(xù)，電流值根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)計(jì)算為2.96 A。

圖2 50 km/h—2.96 A試驗(yàn)電弧放電試驗(yàn)例圖

圖3 試驗(yàn)1電弧電壓和電流波形圖

試驗(yàn)2設(shè)置變頻器輸出頻率，使得旋轉(zhuǎn)輪盤線速度約80 km/h，調(diào)壓變壓器供電電壓為60 V。試驗(yàn)電弧照片及電壓電流波形如圖4，圖5所示。圖中曲線1為電弧電流波形，曲線2為電弧間隙電壓波形。由于電流波形斷續(xù)，電流值根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)計(jì)算為5.72 A。

通過2組試驗(yàn)可以看出隨著速度的增大，電流連續(xù)性變差，更加容易產(chǎn)生電弧；隨著系統(tǒng)電流的增大，電弧對外釋放光信號(hào)能量增強(qiáng)，電弧電流連續(xù)性變差，能量轉(zhuǎn)向熱能和光能形式釋放。

圖4 80 km/h—5.72 A試驗(yàn)電弧放電試驗(yàn)例圖

圖5 試驗(yàn)2電弧電壓和電流波形圖

3.2 基于LABVIEW的諧波分析

將采集數(shù)據(jù)傳輸給LABVIEW軟件，應(yīng)用軟件頻譜分析模塊對電壓電流波形進(jìn)行分析，模塊設(shè)置為Hanning窗，選用峰值幅值線性分析，結(jié)果如圖6—圖9。

（1）試驗(yàn)1。電弧電流2.96 A，模擬機(jī)車運(yùn)行速度50 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 試驗(yàn)1電流波形頻譜分析結(jié)果圖

圖7 試驗(yàn)1電壓波形頻譜分析結(jié)果圖

（2）試驗(yàn)2電弧電流5.72 A，模擬機(jī)車運(yùn)行速度80 km/h，電弧電流和電壓的諧波分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 試驗(yàn)2電流波形頻譜分析結(jié)果圖

圖9 試驗(yàn)2電壓波形頻譜分析結(jié)果圖

通過上述試驗(yàn)說明，電弧電流與電壓諧波頻段相對應(yīng)，且包含間諧波成份。系統(tǒng)電流與機(jī)車運(yùn)行速度對電弧諧波成分影響低。

4 對比研究分析

4.1 測量波形對比

文獻(xiàn)[3]對弓網(wǎng)電弧問題進(jìn)行了深入的研究，通過一套弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置，并對直流和交流系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4，5]。文獻(xiàn)[5]給出了測量電壓電流波形圖（圖略）。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一套弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生裝置，文獻(xiàn)[7]在該基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)，并給出了電弧電流波形圖（圖略）。

由于各個(gè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)情況各異，電弧電極材料不同，導(dǎo)致電弧發(fā)生的狀態(tài)并不相同，使得電弧間隙電壓、電弧電流波形不同。根據(jù)電弧理論的基本知識(shí)，電弧發(fā)生需要較大的能量，因此電弧在電壓、電流瞬時(shí)峰值處更易于發(fā)生，如圖5中第一個(gè)正向峰值處就說明了該問題。交流電弧熄滅在電壓、電流過零點(diǎn)處更易發(fā)生，圖3，圖5中可以看出電弧電流為0處，電弧間隙電壓明顯增大，表明電弧主回路已經(jīng)處于斷開狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]，[7]指出過零點(diǎn)處是電弧狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)，且電弧過零點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)存在震蕩現(xiàn)象。

4.2 諧波分析對比

文獻(xiàn)[8]、[9]對電弧諧波進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]對電弧間隙電壓，電弧電流進(jìn)行了諧波分析，主要關(guān)注于直流分量的成分，并根據(jù)試驗(yàn)建立了電弧數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[9]對電流波形進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果如圖10。

根據(jù)其測量結(jié)果與本文中的分析結(jié)果對比，結(jié)論如下：

（1）不同試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)條件不同，電弧發(fā)生狀態(tài)不同，電弧間隙電壓，電弧電流波形不同。

（2）2個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)對電壓、電流頻譜分析都顯示：電弧對電氣主回路的影響主要集中在 500 Hz以下頻段。

圖10 文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)臺(tái)電弧電流波形及頻譜分析圖

（3）文獻(xiàn)[9]分析結(jié)果顯示諧波成分主要為直流、工頻、整數(shù)倍工頻3個(gè)部分；本文分析顯示，電弧諧波成分與試驗(yàn)條件相關(guān)，包含直流、工頻以及間諧波成份，諧波構(gòu)成更加復(fù)雜。

（4）由于本文試驗(yàn)采用阻性負(fù)載，電壓、電流波形能夠?qū)?yīng)互補(bǔ)；諧波分析顯示，雖然電壓、電流波形畸變嚴(yán)重，但是主要成分仍為工頻；小于500 Hz的諧波是主要的波譜區(qū)段，且包含間諧波成份。

5 結(jié)論

本文依托弓網(wǎng)電弧模擬發(fā)生試驗(yàn)臺(tái)，對電弧間隙電壓，電弧電流進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與目前國內(nèi)外研究結(jié)果不同，并分析了其中的原因。通過LABVIEW軟件對測量的電弧間隙電壓，電弧電流諧波分析，說明了電弧諧波分布，特別是包含間諧波成份，并與國外研究成果進(jìn)行了對比，分析了相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的區(qū)別，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)分析了造成以上差異的原因。

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