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        淺談弓網(wǎng)電弧對(duì)車載電氣設(shè)備的影響

        2015-10-31 09:15:28陳翔
        建材與裝飾 2015年23期
        關(guān)鍵詞:弓網(wǎng)電弓過(guò)電壓

        陳翔

        (南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210012)

        淺談弓網(wǎng)電弧對(duì)車載電氣設(shè)備的影響

        陳翔

        (南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司江蘇南京210012)

        本文通過(guò)研究弓網(wǎng)電弧對(duì)車載電氣設(shè)備的影響的分析,希望對(duì)提高電氣化鐵路運(yùn)行的安全性和可靠性具有一定的參考意義。

        軌道交通;弓網(wǎng)電??;電氣設(shè)備;問(wèn)題與措施

        1 弓網(wǎng)電弧特性

        母弓,現(xiàn)主要為單臂單層受電弓,德國(guó)為單臂弓。弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機(jī)理。

        在理想的運(yùn)行狀態(tài)下,可以將弓網(wǎng)電弧看作一種時(shí)短時(shí)連的開關(guān),閉合時(shí)受電弓將接觸網(wǎng)和車載電氣傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來(lái),斷開時(shí),這時(shí)整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)處于一種不正常的運(yùn)行狀態(tài)。牽引供電基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。電流從牽引變壓器的二次側(cè)接入接觸網(wǎng),再通過(guò)受電弓流入車載變壓器的二次側(cè),在通過(guò)一系列車載電氣設(shè)備流入鋼軌,從而形成回路。當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)分離時(shí),其等效電路圖如圖1(b)所示。在圖1(b)中,各參數(shù)含義如下:

        圖1 牽引供電基本結(jié)構(gòu)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(guān)接觸網(wǎng)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(guān)K的斷開等效弓網(wǎng)分離的狀態(tài);

        K:電路開關(guān);

        i:回路電流。

        從等效回路可以看出,當(dāng)回路中有電流i的時(shí)候,如果斷開開關(guān)K,則整個(gè)回路中的電流由i變?yōu)榱恪?/p>

        當(dāng)次過(guò)程越段,電路中的過(guò)電壓越大,在生產(chǎn)實(shí)踐中,過(guò)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(dāng)線路有分布電容時(shí),電感就會(huì)在電弧處產(chǎn)生過(guò)電壓,磁場(chǎng)能變成電能,因?yàn)榉植茧娙菹啾入姼泻苄。噪娀√幍倪^(guò)電壓是很大。當(dāng)電流變化率很大時(shí),就會(huì)在電弧處產(chǎn)生很大的過(guò)電壓,由于電弧處實(shí)際就是一個(gè)有一定絕緣強(qiáng)度的氣隙,當(dāng)過(guò)電壓很大時(shí),氣隙就會(huì)被擊穿,氣隙電阻迅速減小,電流變化率亦會(huì)降低,當(dāng)電流變化率很小時(shí),電弧處的過(guò)電壓就會(huì)很小,氣隙就不會(huì)被再次擊穿,氣隙電阻增大。所以說(shuō)電流從i變化到零的過(guò)程就是弓網(wǎng)電弧燃燒的過(guò)程,電弧消耗了電路中的大部分磁場(chǎng)能。弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程,也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,不僅取決于電壓和電流、滑板和接觸線材料,還與機(jī)車運(yùn)行速度、取流量、環(huán)境氣候及氣壓有關(guān)。

        2 弓網(wǎng)電弧特征及危害

        弓網(wǎng)電弧在受電弓和接觸線離線時(shí)產(chǎn)生的,所以相比開關(guān)電弧弓網(wǎng)電弧在相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)時(shí),有許多其它特征。

        (1)列車高速運(yùn)行中產(chǎn)生電弧時(shí),受電弓和接觸網(wǎng)之間具有切向單向相對(duì)滑動(dòng)、法向快速隨機(jī)振動(dòng)的特性,使得弓網(wǎng)電弧的電弧長(zhǎng)度,弧根運(yùn)動(dòng)等外部形態(tài)比較復(fù)雜。

        (2)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生后,會(huì)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(chǎng)能量。兩者能量比例關(guān)系需要根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)確定。

        (3)弓網(wǎng)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(wǎng)電弧能量對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓危害很大。

        影響弓網(wǎng)電弧能量大小的因素有牽引供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性、電流和電壓大小、相對(duì)位移、大氣情況、機(jī)車運(yùn)行速度等。

        弓網(wǎng)電弧有三方面的危害:

        (1)對(duì)接觸導(dǎo)線和受電弓滑板的侵蝕和磨耗

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

        (2)產(chǎn)生過(guò)電壓

        當(dāng)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生時(shí),牽引網(wǎng)和高速動(dòng)車的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電弧連接在一起,在接觸網(wǎng)和受電弓之間的電弧上有壓降,當(dāng)電弧消失后,如果高速動(dòng)車還處于離線狀態(tài),則導(dǎo)致電路中的電流發(fā)生突變,產(chǎn)生過(guò)電壓。過(guò)電壓在接觸網(wǎng)上傳播,會(huì)給整個(gè)牽引網(wǎng)的絕緣帶來(lái)威脅;過(guò)電壓沿著受電弓進(jìn)入機(jī)車內(nèi)部,可能對(duì)機(jī)車電氣設(shè)備、電力電子器件造成損壞,對(duì)高速動(dòng)車的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

        (3)產(chǎn)生高頻噪聲

        電弧產(chǎn)生時(shí)向周圍發(fā)射高頻噪聲,對(duì)機(jī)車沿線的通訊信號(hào)和無(wú)線電信號(hào)造成很大的干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通訊間斷和無(wú)線電信號(hào)失效等現(xiàn)象。另外,高頻噪聲還對(duì)機(jī)車的控制信號(hào)有影響,是機(jī)車安全運(yùn)行的隱患。

        3 弓網(wǎng)電弧對(duì)車載電氣設(shè)備的影響

        弓網(wǎng)電弧將會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓、直流分量和諧波的產(chǎn)生。過(guò)電壓對(duì)機(jī)車電氣設(shè)備、電力電子器件造成損壞;直流分量通過(guò)車載電氣回路注入車載牽引變壓器,將會(huì)引起變壓器直流偏磁。諧波也可能對(duì)列車的控制系統(tǒng)造成干擾,嚴(yán)重影響高速列車的運(yùn)行安全性。

        3.1弓網(wǎng)電弧仿真

        本文針對(duì)弓網(wǎng)電弧對(duì)車載電氣設(shè)備的影響展開研究,首先就需要分析弓網(wǎng)電弧在電力列車高速運(yùn)動(dòng)下電流和電壓波形變化。

        為了客觀真實(shí)的觀察和測(cè)量弓網(wǎng)電弧的物理特征(電壓和電流波形),分別從仿真和實(shí)驗(yàn)中通過(guò)做弓網(wǎng)電弧放電的實(shí)驗(yàn)得到弓網(wǎng)電弧的電壓和電流波形,用MATLAB/Simulink仿真分析了弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生過(guò)程中的電壓、電流的時(shí)間特性。

        3.2弓網(wǎng)電弧模擬實(shí)驗(yàn)

        接觸網(wǎng)是由固定在絕緣盤上閉合接觸線組成的,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制裝置設(shè)定變頻器的調(diào)速,從而控制轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速,帶動(dòng)接觸導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了接觸導(dǎo)線和受電弓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(gè)方向上移動(dòng),保證了接觸導(dǎo)線在受電弓上做之字形運(yùn)動(dòng)。完全模擬高速列車弓網(wǎng)之間的實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

        3.3弓網(wǎng)電弧過(guò)電壓對(duì)變壓器的影響

        電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過(guò)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(dòng)現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長(zhǎng)期耐受著工作電壓,同時(shí)還必須能夠承受一定幅度的過(guò)電壓,這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

        4 結(jié)語(yǔ)

        弓網(wǎng)電弧在機(jī)車的運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生諧波,過(guò)電壓和直流分量,它們嚴(yán)重影響了高速列車的安全運(yùn)行,規(guī)律如下:

        (1)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的諧波隨著列車速度的增加,負(fù)載阻抗的增加而增加,諧波將會(huì)導(dǎo)致車載電氣設(shè)備效率降低,對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,引發(fā)誤操作,嚴(yán)重危害高速列車的運(yùn)行安全。

        (2)弓網(wǎng)電弧在自身消失的時(shí)候?qū)е码娫措娏骰儯a(chǎn)生過(guò)電壓,本文仿真試驗(yàn)中的過(guò)電壓是63.6kV,是電源電流的2.3倍,過(guò)電壓將會(huì)擊穿牽引變壓器和變流器絕緣設(shè)備,導(dǎo)致?lián)p壞,對(duì)高速列車安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

        (3)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的直流分量進(jìn)入牽引變壓器后,當(dāng)所加直流量達(dá)到50A時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加率大幅度減少,到200A時(shí)變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,說(shuō)明變壓器鐵芯己經(jīng)嚴(yán)重過(guò)飽和。其結(jié)果是加劇鐵芯磁通密度的飽和程度,從而引起噪聲、過(guò)熱和振動(dòng)等問(wèn)題。

        U264.3+4

        A

        1673-0038(2015)23-0302-02

        2015-5-23

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