陳翔

（南京地鐵運營有限責任公司　江蘇　南京　210012）

淺談弓網電弧對車載電氣設備的影響

陳翔

（南京地鐵運營有限責任公司江蘇南京210012）

本文通過研究弓網電弧對車載電氣設備的影響的分析，希望對提高電氣化鐵路運行的安全性和可靠性具有一定的參考意義。

軌道交通；弓網電?。浑姎庠O備；問題與措施

1　弓網電弧特性

母弓，現主要為單臂單層受電弓，德國為單臂弓。弓網電弧產生機理。

在理想的運行狀態(tài)下，可以將弓網電弧看作一種時短時連的開關，閉合時受電弓將接觸網和車載電氣傳動系統(tǒng)連接起來，斷開時，這時整個牽引傳動系統(tǒng)處于一種不正常的運行狀態(tài)。牽引供電基本結構如圖1（a）所示。電流從牽引變壓器的二次側接入接觸網，再通過受電弓流入車載變壓器的二次側，在通過一系列車載電氣設備流入鋼軌，從而形成回路。當受電弓與接觸網分離時，其等效電路圖如圖1（b）所示。在圖1（b）中，各參數含義如下：

圖1　牽引供電基本結構圖

R：牽引回路的總電阻；

L1：地面牽引變壓器等效電感與牽引電流有關接觸網電感和鋼軌電感之和；

L2：車載牽引變壓器的等效電感，用開關K的斷開等效弓網分離的狀態(tài)；

K：電路開關；

i：回路電流。

從等效回路可以看出，當回路中有電流i的時候，如果斷開開關K，則整個回路中的電流由i變?yōu)榱恪?/p>

當次過程越段，電路中的過電壓越大，在生產實踐中，過電壓的大小主要受到線路分布電容和電流變化率的影響。當線路有分布電容時，電感就會在電弧處產生過電壓，磁場能變成電能，因為分布電容相比電感很小，所以電弧處的過電壓是很大。當電流變化率很大時，就會在電弧處產生很大的過電壓，由于電弧處實際就是一個有一定絕緣強度的氣隙，當過電壓很大時，氣隙就會被擊穿，氣隙電阻迅速減小，電流變化率亦會降低，當電流變化率很小時，電弧處的過電壓就會很小，氣隙就不會被再次擊穿，氣隙電阻增大。所以說電流從i變化到零的過程就是弓網電弧燃燒的過程，電弧消耗了電路中的大部分磁場能。弓網電弧的產生是一個復雜的物理過程，也是一個動態(tài)過程，不僅取決于電壓和電流、滑板和接觸線材料，還與機車運行速度、取流量、環(huán)境氣候及氣壓有關。

2　弓網電弧特征及危害

弓網電弧在受電弓和接觸線離線時產生的，所以相比開關電弧弓網電弧在相對高速運動時，有許多其它特征。

（1）列車高速運行中產生電弧時，受電弓和接觸網之間具有切向單向相對滑動、法向快速隨機振動的特性，使得弓網電弧的電弧長度，弧根運動等外部形態(tài)比較復雜。

（2）弓網電弧產生后，會消耗兩部分能量，一部分是電源供給的能量；另一部分是電路中的磁場能量。兩者能量比例關系需要根據電路的結構確定。

（3）弓網電弧消耗的能量大部分耗散在接觸線和受電弓滑板上，而由于接觸線和受電弓滑板中不含專門的觸頭材料，所以弓網電弧能量對接觸網和受電弓危害很大。

影響弓網電弧能量大小的因素有牽引供電系統(tǒng)電路結構、負載特性、電流和電壓大小、相對位移、大氣情況、機車運行速度等。

弓網電弧有三方面的危害：

（1）對接觸導線和受電弓滑板的侵蝕和磨耗

弓網電弧對接觸導線和受電弓滑板的侵蝕表現為加速氧化、熔融、蒸發(fā)等，侵蝕和磨耗輕則影響弓網穩(wěn)定受流，損壞接觸導線和受電弓滑板，增加維修工作量；重則導致接觸線斷裂，造成機車運行事故。

（2）產生過電壓

當弓網電弧產生時，牽引網和高速動車的電氣傳動系統(tǒng)通過電弧連接在一起，在接觸網和受電弓之間的電弧上有壓降，當電弧消失后，如果高速動車還處于離線狀態(tài)，則導致電路中的電流發(fā)生突變，產生過電壓。過電壓在接觸網上傳播，會給整個牽引網的絕緣帶來威脅；過電壓沿著受電弓進入機車內部，可能對機車電氣設備、電力電子器件造成損壞，對高速動車的安全運行產生嚴重的影響。

（3）產生高頻噪聲

電弧產生時向周圍發(fā)射高頻噪聲，對機車沿線的通訊信號和無線電信號造成很大的干擾，嚴重時會導致通訊間斷和無線電信號失效等現象。另外，高頻噪聲還對機車的控制信號有影響，是機車安全運行的隱患。

3　弓網電弧對車載電氣設備的影響

弓網電弧將會導致過電壓、直流分量和諧波的產生。過電壓對機車電氣設備、電力電子器件造成損壞；直流分量通過車載電氣回路注入車載牽引變壓器，將會引起變壓器直流偏磁。諧波也可能對列車的控制系統(tǒng)造成干擾，嚴重影響高速列車的運行安全性。

3.1弓網電弧仿真

本文針對弓網電弧對車載電氣設備的影響展開研究，首先就需要分析弓網電弧在電力列車高速運動下電流和電壓波形變化。

為了客觀真實的觀察和測量弓網電弧的物理特征（電壓和電流波形），分別從仿真和實驗中通過做弓網電弧放電的實驗得到弓網電弧的電壓和電流波形，用MATLAB/Simulink仿真分析了弓網電弧產生過程中的電壓、電流的時間特性。

3.2弓網電弧模擬實驗

接觸網是由固定在絕緣盤上閉合接觸線組成的，通過計算機控制裝置設定變頻器的調速，從而控制轉輪的轉速，帶動接觸導線的運動，實現了接觸導線和受電弓之間的相對運動。受電弓部分的升降是采用PLC控制，控制受電弓的升降高度，滑板在x、y、z三個方向上移動，保證了接觸導線在受電弓上做之字形運動。完全模擬高速列車弓網之間的實際相對運動。

3.3弓網電弧過電壓對變壓器的影響

電力系統(tǒng)在特定條件下所出現的超過工作電壓的異常電壓升高。屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現象。電工設備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運行。

4　結語

弓網電弧在機車的運行中會產生諧波，過電壓和直流分量，它們嚴重影響了高速列車的安全運行，規(guī)律如下：

（1）弓網電弧產生的諧波隨著列車速度的增加，負載阻抗的增加而增加，諧波將會導致車載電氣設備效率降低，對鐵路信號系統(tǒng)產生干擾，引發(fā)誤操作，嚴重危害高速列車的運行安全。

（2）弓網電弧在自身消失的時候導致電源電流畸變，產生過電壓，本文仿真試驗中的過電壓是63.6kV，是電源電流的2.3倍，過電壓將會擊穿牽引變壓器和變流器絕緣設備，導致損壞，對高速列車安全運行產生嚴重影響。

（3）弓網電弧產生的直流分量進入牽引變壓器后，當所加直流量達到50A時磁感應強度增加率大幅度減少，到200A時變壓器磁感應強度趨于穩(wěn)定，說明變壓器鐵芯己經嚴重過飽和。其結果是加劇鐵芯磁通密度的飽和程度，從而引起噪聲、過熱和振動等問題。

U264.3+4

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2015-5-23