周夢迪 彭彥卿 莊志堅

摘 ?要： 基于Mayr電弧電路模型和Cassie電弧電路模型，考慮縱向氣流吹弧效應(yīng)，對電弧電壓梯度[U]和電弧耗散功率[P0]進行修正，建立降弓電弧電路分析模型。研究降弓速度、降弓時刻以及降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響。發(fā)現(xiàn)降弓電弧電壓呈現(xiàn)近似線性的增長關(guān)系，降弓速度越高，降弓電弧電壓增長得越快。降弓時刻對于電弧電壓的影響主要體現(xiàn)在電弧電壓出現(xiàn)的時刻差異，降弓電弧電壓的波形基本一致。不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。文中的研究對于指導(dǎo)降弓操作、減輕弓網(wǎng)材料損失具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 弓網(wǎng)電弧; 降弓電弧; 降弓速度; 降弓時刻; 電弧電流; 電弧電壓

中圖分類號： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0159?05

Abstract： The dropping pantograph arc circuit model is established based on the Mayr arc circuit model and the Cassie arc circuit model. In the model， the arc voltage gradient [U] and the dissipation power [P0] are modified， and the longitudinal flow arc blowing effect is taken into consideration. The effects of the dropping speed， the dropping time and the arc current on the arc voltage are studied. It is found that the arc voltage increases linearly with time. The higher the dropping speed is， the faster the arc voltage increases. The effect of the dropping time on arc voltage is mainly reflected in the time difference of arc voltage， and the waveform of arc voltage is basically the same. The arc voltage is basically the same under different arc current conditions. The research in this paper is of great significance for guiding the operation of dropping pantograph and reducing the loss of pantograph?catenary material.

Keywords： pantograph?catenary arc; dropping pantograph arc; dropping pantograph speed; lowering time; arc current; arc voltage

0 ?引 ?言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鐵路運輸向更高速度、更大運載量、更加安全穩(wěn)定的方向發(fā)展，以滿足人們對于運輸時效性以及運輸量的迫切需求。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為列車獲取電能的唯一途徑，對于保證列車高速、安全、穩(wěn)定運行十分重要[1?2]。然而，由于列車運行速度逐步提升導(dǎo)致振動加劇、接觸線覆冰、升降弓操作等引起受電弓滑板與接觸線分離，造成弓網(wǎng)之間的空氣間隙被擊穿而形成弓網(wǎng)電弧。弓網(wǎng)電弧不僅使車載電氣設(shè)備承受高頻振蕩過電壓，還會燒蝕受電弓滑板、接觸網(wǎng)導(dǎo)線，輕者縮短弓網(wǎng)系統(tǒng)使用壽命，重者燒斷接觸導(dǎo)線，造成重大事故[3?5]。弓網(wǎng)離線電弧嚴重制約和影響了列車提速和運行安全。

文獻[6]中根據(jù)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論建立了弓網(wǎng)電弧燒蝕模型，分別對靜態(tài)電弧和運動電弧在兩種熱流輸入的情況下接觸線的熱過程進行了仿真計算，結(jié)果表明靜態(tài)電弧比運動電弧對接觸線的電氣侵蝕程度更為嚴重。對于列車振動、接觸線覆冰導(dǎo)致的弓網(wǎng)電弧，由于列車處于運行狀態(tài)，弓網(wǎng)之間具有相對運動，電弧對于弓網(wǎng)材料的燒蝕較輕。而列車進行降弓操作時，列車處于靜態(tài)，降弓導(dǎo)致的電弧對于弓網(wǎng)材料將會產(chǎn)生更為嚴重的損傷。因此，針對降弓電弧展開研究對于指導(dǎo)降弓操作、減輕弓網(wǎng)材料損失具有重要意義。

2.3 ?降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響

為了分析降弓過程降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響，研究不同降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響。

圖5顯示了降弓過程中降弓電弧電流的變化情況。由圖可知，隨著降弓過程的進行，降弓電弧電流的幅值逐漸減小，主要原因可能是電弧逐漸增長造成回路電阻值逐漸增大，使得回路的電流逐漸降低。

不同電弧電流時的降弓電弧電壓如圖6所示。由圖6可知，不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。由電弧電壓與電流的關(guān)系可知，1～50 A范圍內(nèi)電弧電壓隨著電弧電流的增大而逐漸減小，主要是因為電弧電流增大使得電弧溫度升高，進而使得電弧電阻減小。而在電流大于50 A以后，電弧電壓基本不變。

盡管電弧電流對于電弧電壓的影響不大，但是電流的增大使得電弧的燃弧強度增強，對于弓網(wǎng)材料的威脅也會進一步加大。因此，應(yīng)當(dāng)避免大電流情況下的降弓操作。

3 ?結(jié) ?論

本文研究了降弓電弧的電氣特性，以及降弓速度、降弓時刻和降弓電弧電流對降弓電弧電壓的影響，得出如下結(jié)論：

1） 基于Mayr電弧模型和Cassie電弧模型，將Mayr電弧模型與Cassie電弧模型進行串聯(lián)，通過修正電弧電壓梯度[U]和電弧耗散功率[P0]，建立降弓電弧電路模型。

2） 研究不同降弓速度對電弧電壓的影響，發(fā)現(xiàn)降弓電弧電壓呈現(xiàn)近似線性的增長關(guān)系。降弓速度越高，降弓電弧電壓增長得越快。通過增大降弓速度可以加快降弓電弧的熄滅速度，減輕電弧的損傷。

3） 降弓時刻對于電弧電壓的影響主要體現(xiàn)在電弧電壓出現(xiàn)的時刻差異，降弓電弧電壓的波形基本一致。降弓時刻為0°時，電弧發(fā)生在0.042 s。降弓時刻從90°變化到360°時，電弧發(fā)生時刻也從0.047 s增長到了0.062 s。降弓時刻對應(yīng)的接觸網(wǎng)電壓卻有所不同，降弓產(chǎn)生的過電壓將會嚴重威脅列車設(shè)備。因此，可以考慮采用選相降弓裝置減輕降弓過電壓的影響。

4） 不同電弧電流情況下，電弧電壓基本一致。盡管電弧電流對于電弧電壓的影響不大，但是電流的增大使得電弧的燃弧強度增強，對于弓網(wǎng)材料的威脅也會進一步加大。因此，應(yīng)當(dāng)避免大電流情況下的降弓操作。

注：本文通訊作者為彭彥卿。

參考文獻

[1] GAO G， ZHANG T， WEI W， et al. A pantograph arcing ? ? ?model for electrified railways with different speeds [J]. Procee?dings of the institution of mechanical engineers， Part F： journal of rail and rapid transit， 2017， 232（6）： 1731?1740.

[2] WEI W， WU J， GAO G， et al. Study on pantograph arcing in a laboratory simulation system by high?speed photography [J]. IEEE transactions on plasma science， 2016， 44（10）： 2438?2445.

[3] 楊志鵬，李華偉，孫忠國，等.基于弓網(wǎng)電弧模擬試驗裝置的電弧參數(shù)測量及分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2012，36（2）：111?115.

YANG Zhipeng， LI Huawei， SUN Zhongguo， et al. Electric parameters measurement and harmonics analysis for the pantograph?catenary arcing prototype [J]. Journal of Beijing Jiaotong University， 2012， 36（2）： 111?115.

[4] 李運良.弓網(wǎng)電弧對覆冰接觸網(wǎng)的影響研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

LI Yunliang. Study on the influence of pantograph?catenary arc on ice covered catenary [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017.

[5] BUCCA G， COLLINA A. Electromechanical interaction between carbon?based pantograph strip and copper contact wire： A heuristic wear model [J]. Tribology international， 2015， 92： 47?56.

[6] 吳積欽，錢清泉.弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧侵蝕接觸線時的熱分析[J].鐵道學(xué)報，2008，30（3）：31?34.

WU Jiqin， QIAN Qingquan. Thermal analysis of arc erosion of contact wire of the pantograph & catenary system [J]. Journal of the China railway society， 2008， 30（3）： 31?34.

[7] YANG Z H， ZHANG Y Z， ZHAO F， et al. Dynamic variation of arc discharge during current?carrying sliding and its effect on directional erosion [J]. Tribology international， 2016， 94： 71?76.

[8] 王英，劉志剛，范福強，等.弓網(wǎng)電弧模型及其電氣特性的研究進展[J].鐵道學(xué)報，2013，35（8）：35?43.

WANG Ying， LIU Zhigang， FAN Fuqiang， et al. Review of research development of pantograph?catenary arc model and electrical characteristics[J]. Journal of the China railway society， 2013， 35（8）： 35?43.

[9] 范福強.基于改進Habedank電弧模型的弓網(wǎng)離線過電壓研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

FAN Fuqiang. Study on separation between the pantograph and catenary based on improved Habedank arc model [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2014.

[10] 王英.弓網(wǎng)電接觸熱流和電流傳導(dǎo)及影響規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

WANG Ying. Studies on the heat distribution and current conduction of pantograph?catenary electric contact and their inf?luence laws [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.

[11] 陳旭坤.高速列車弓網(wǎng)電弧動態(tài)模型研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

CHEN Xukun. Study on the dynamic model of the pantograph?catenary arc of the high?speed train [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.

[12] 喬凱，劉文正，張堅，等.基于改進Mayr模型的弓網(wǎng)離線電弧仿真分析[J].鐵道標準設(shè)計，2018，62（5）：138?142.

QIAO Kai， LIU Wenzheng， ZHANG Jian， et al. Simulation analysis of pantograph?catenary arc based on improved Mayr model [J]. Railway standard design， 2018， 62（5）： 138?142.