高國(guó)強(qiáng), 李成坤, 魏文賦, 楊澤峰, 陳少昆,段緒偉, 朱約輝, 廖仕明, 陶桂東

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 四川 成都 611756;2.蘇州東南佳新材料股份有限公司, 江蘇 蘇州 215000;3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司, 山東 青島 266000)

0 引 言

受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱弓網(wǎng)系統(tǒng))作為列車能量供給的唯一途徑,良好的弓網(wǎng)服役性能對(duì)于保證列車安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義[1-2]。然而,由于車體振動(dòng)、軌道不平順、升降弓操作、接觸線覆冰等因素而引發(fā)的弓網(wǎng)電弧會(huì)劣化弓網(wǎng)服役性能,威脅列車安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。一方面,降弓電弧頻發(fā)使得列車車頂高壓設(shè)備以及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)頻繁遭受過(guò)電壓沖擊,并且降弓電弧產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響通信信號(hào)傳輸[4-5]。另一方面,弓網(wǎng)電弧是一種高溫等離子體,能夠在短時(shí)間內(nèi)使受電弓滑板以及接觸線熔化、氣化、飛濺,燒蝕降弓接觸面,影響弓網(wǎng)的接觸性能,劣化弓網(wǎng)之間的電能傳輸質(zhì)量[6-7]。根據(jù)降弓電弧在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,降弓電弧分為運(yùn)動(dòng)電弧與靜止電弧。運(yùn)動(dòng)電弧是電弧弧根一直在受電弓滑板與接觸線表面運(yùn)動(dòng),電弧燒蝕某一點(diǎn)的時(shí)間較短,能量注入少;而靜止電弧是電弧弧根在受電弓滑板與接觸線表面停滯,因此對(duì)于弓網(wǎng)系統(tǒng)具有較長(zhǎng)時(shí)間的燒蝕。靜止電弧對(duì)于接觸線材料的燒蝕尤為明顯,電弧燒蝕接觸線造成接觸線抗拉伸能力降低,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致接觸線斷線引發(fā)事故[8-12],接觸線斷裂圖如圖1所示。當(dāng)列車駛?cè)胝緝?nèi)時(shí),將會(huì)進(jìn)行降弓操作,產(chǎn)生的降弓電弧屬于靜止電弧。因此,研究降弓過(guò)程弓網(wǎng)電弧的特性對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際降弓操作,優(yōu)化設(shè)計(jì)接觸線,研制抗燒蝕、抗拉伸能力強(qiáng)的接觸線具有指導(dǎo)意義。

目前,針對(duì)降弓電弧已經(jīng)展開(kāi)了部分相關(guān)研究。文獻(xiàn)[13]研究了靜態(tài)升/降弓時(shí)弓網(wǎng)電弧的穩(wěn)態(tài)特性,研究了不同電流情況下的電弧溫度、接觸線溫度以及受電弓滑板溫度分布情況,發(fā)現(xiàn)受電弓滑板的磨損情況比接觸線更嚴(yán)重。文獻(xiàn)[14-15]研究了靜態(tài)升/降弓弓網(wǎng)電弧特性,分析了不同弓網(wǎng)間隙、不同接觸線廓形條件下的弓網(wǎng)電弧溫度、受電弓滑板溫度、接觸線溫度的分布情況。研究發(fā)現(xiàn),弓網(wǎng)間隙越大受電弓滑板與接觸線溫度越高,弓網(wǎng)電弧溫度變化不大。當(dāng)接觸線半徑增加到8 mm時(shí),接觸線表面溫度有一定程度的降低,繼續(xù)增加接觸線半徑,接觸線溫度變化不大。

文獻(xiàn)[3]研究了降弓過(guò)程弓網(wǎng)電弧的動(dòng)態(tài)特性,分析了不同降弓速度、不同電流情況下的電弧溫度特性、電弧電阻特性,并且發(fā)現(xiàn)了影響電弧溫度分布的旋渦,但并未考慮電弧與受電弓滑板接觸線之間的能量傳遞。實(shí)際降弓過(guò)程中,會(huì)先斷開(kāi)真空斷路器(VCB),因此回路電流低于20 A。上述研究的電流均在50 A及以上,不能反映實(shí)際降弓過(guò)程電弧、接觸線的特性。實(shí)際降弓過(guò)程處于開(kāi)放的大氣環(huán)境中,自然風(fēng)對(duì)于弓網(wǎng)電弧的影響也是一個(gè)重要的因素。文獻(xiàn)[16]基于鏈?zhǔn)诫娀∧Ｐ脱芯苛孙L(fēng)載荷作用下的高速動(dòng)車組升降弓拉弧特性,分析了不同風(fēng)速情況下的弓網(wǎng)電弧拉弧形態(tài),但是該模型僅能反映電弧的形態(tài)與力學(xué)特性。

本文針對(duì)降弓過(guò)程電弧特性展開(kāi)研究,考慮自然風(fēng)因素的影響,運(yùn)用Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件分析不同降弓速度以及不同自然風(fēng)速作用下的降弓電弧特性。

1 模型描述

1.1 降弓電弧產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)列車駛?cè)胝緝?nèi)時(shí),受電弓滑板與接觸線仍舊處于接觸狀態(tài),列車通過(guò)弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能。然后,列車會(huì)斷開(kāi)車載VCB,以免VCB閉合時(shí)大電流降弓電弧燒蝕弓網(wǎng)材料造成接觸線斷裂等事故。車載VCB斷開(kāi)后,回路整體電流低于20 A。受電弓滑板與接觸線最初接觸,隨著降弓裝置的啟動(dòng),受電弓滑板與接觸線逐漸分離,其過(guò)程相當(dāng)于開(kāi)關(guān)由“閉合”到“打開(kāi)”。當(dāng)受電弓滑板與接觸線開(kāi)始分離時(shí),弓網(wǎng)之間的接觸面積逐漸減小,接觸電阻相應(yīng)增大,接觸面的焦耳熱溫升急劇上升。在熱發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射的聯(lián)合作用下,弓網(wǎng)間隙被擊穿形成降弓電弧。

電弧形成以后,電弧的電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、氣熱場(chǎng)相互耦合,影響電弧的各項(xiàng)物性參數(shù)[17-19],降弓電弧多物理場(chǎng)耦合如圖2所示。因此,基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論建立降弓電弧多物理場(chǎng)耦合分析模型,研究降弓過(guò)程的降弓電弧特性。

1.2 幾何模型與材料

圖3所示為本文采用的弓網(wǎng)系統(tǒng)的二維仿真幾何模型。幾何模型的接觸線半徑與真實(shí)的接觸線半徑一致為6.5 mm,弓網(wǎng)之間的初始間隙為4 mm。

仿真采用的接觸線為銅錫合金接觸導(dǎo)線,受電弓滑板為銅基粉末冶金滑板,受電弓滑板與接觸線物性參數(shù)如表1所示。

表1 受電弓滑板與接觸線物性參數(shù)

1.3 物理模型與控制方程

電弧等離子體的物性參數(shù)包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、比熱、密度、動(dòng)力黏度等。電弧的物性參數(shù)是溫度的函數(shù),電弧等離子體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)。

弓網(wǎng)電弧仿真模型基于磁流體動(dòng)力學(xué)模型建立,由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及電磁場(chǎng)方程構(gòu)成。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中:ρ——密度;

v——速度矢量;

t——時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程:

(2)

式中:T——溫度;

p——壓強(qiáng);

I——單位矩陣;

μ——?jiǎng)恿︷ざ?

J——電流密度;

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度。

能量守恒方程:

(3)

(4)

式中:Cp——熱容量;

k——導(dǎo)熱系數(shù);

Q——等離子體熱源;

kB——玻爾茲曼常數(shù);

e——電子電荷;

E——電場(chǎng)強(qiáng)度;

Qrad——體積輻射量。

電磁場(chǎng)方程:

·(-σφ)=0

(5)

E=-φ

(6)

×(×A)=-μJ

(7)

B=×A

(8)

J=σE

(9)

式中:σ——電導(dǎo)率;

φ——電勢(shì);

A——磁矢勢(shì)。

式(2)中的J×B為洛倫茲力項(xiàng)。式(4)中右側(cè)第一項(xiàng)為焓傳遞項(xiàng),第二項(xiàng)為焦耳熱源項(xiàng),第三項(xiàng)為輻射源項(xiàng)。

1.4 邊界條件

由于弓網(wǎng)電弧完全暴露在開(kāi)放的大氣環(huán)境中,因此空氣求解區(qū)域的外部邊界ab,bc邊界設(shè)置為壓力出口,氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。ad邊界設(shè)置為氣流入口,表示自然風(fēng)的作用。同時(shí),將ab、bc、ad邊界的溫度設(shè)置為300 K。接觸線底部設(shè)置為電流密度邊界條件,電流密度邊界條件為[20]:

(10)

式中:Jmax——與電流相關(guān)的常數(shù)。

邊界ef設(shè)置為接地極,電勢(shì)j為0。

2 仿真結(jié)果分析

仿真了降弓速度分別為0.50、0.75、1.00 m/s時(shí)的降弓電弧特性,同時(shí)由于大部分自然條件下的風(fēng)速等級(jí)為微風(fēng),因此選擇自然風(fēng)速分別為1、2、3、4、5 m/s進(jìn)行分析。模型的輸入電流與實(shí)際降弓時(shí)的電流接近,設(shè)置為20 A。仿真分析的時(shí)間為10 ms,時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 ms。

2.1 不同降弓速度下的弓網(wǎng)電弧特性

為了研究不同降弓速度條件下的降弓電弧特性,仿真研究了無(wú)風(fēng)條件下降弓速度分別為0.50、0.75、1.00 m/s時(shí)的降弓電弧特性。不同降弓速度下的降弓電弧形態(tài)特性如圖4所示。由圖4可知,隨著時(shí)間增長(zhǎng),降弓電弧弧長(zhǎng)逐漸增大。到10 ms時(shí),電弧弧長(zhǎng)分別達(dá)到9、11.5、14 mm。

降弓速度對(duì)降弓電弧最高溫度的影響變化曲線如圖5示。降弓速度對(duì)于電弧溫度的影響較小,隨著降弓速度的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K左右減小到平均12 500 K左右。最高溫度的降低將減少降弓過(guò)程電弧對(duì)弓網(wǎng)材料的注入能量,減小對(duì)弓網(wǎng)材料的侵蝕量。因此,加快降弓速度對(duì)于降低電弧溫度、減少電弧對(duì)弓網(wǎng)材料的侵蝕有一定作用。

不同降弓速度情況下的弓網(wǎng)電弧電壓如圖6所示。由圖6可知,降弓速度為0.5 m/s時(shí),電弧電壓由10.4 V增加至15.6 V;降弓速度為0.75 m/s時(shí),電弧電壓由11.9 V增加19.8 V;降弓速度為1 m/s時(shí),電弧電壓由13.8 V增加24 V。電弧電壓隨時(shí)間呈現(xiàn)近線性變化,降弓速度越大,電弧電壓的變化率越大。造成電弧電壓呈現(xiàn)近線性增大的原因主要是降弓使得電弧長(zhǎng)度線性增長(zhǎng)。

電弧電壓-時(shí)間變化率dU/dt、電弧電壓-弧長(zhǎng)變化率dU/ds與降弓速度之間的關(guān)系如圖7所示。電弧電壓在降弓速度為0.50 m/s、0.75 m/s、1.00 m/s時(shí)隨時(shí)間的變化率分別為0.74 V/ms、1.13 V/ms、1.46 V/ms,電弧電壓隨弧長(zhǎng)變化量的變化率分別為1.48 V/mm、1.50 V/mm、1.46 V/mm。分析可知,單位時(shí)間的電弧電壓變化量與降弓速度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系,而單位長(zhǎng)度的電弧電壓基本一致。由于降弓過(guò)程中電弧溫度變化較小,單位弧長(zhǎng)的電弧電阻基本不變,而整體的電弧電流保持不變,因此單位弧長(zhǎng)的電弧電壓基本一致;而單位時(shí)間內(nèi),弧長(zhǎng)變化與降弓速度成正比,因此單位時(shí)間的電弧電壓變化量與降弓速度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

加快降弓速度對(duì)于電弧溫度的分布相對(duì)影響較小,然而加快降弓速度單位時(shí)間內(nèi)電弧弧柱被拉伸越長(zhǎng),電弧電壓迅速上升,維持降弓電弧燃燒所需要的功率增大。因此,加快降弓速度可以加速電弧的熄滅,減少降弓電弧對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

2.2 不同自然風(fēng)速下的弓網(wǎng)電弧特性

為了探明降弓過(guò)程自然風(fēng)對(duì)于弓網(wǎng)電弧特性的影響,研究了降弓速度為0.5 m/s時(shí),自然風(fēng)速對(duì)降弓電弧特性的影響。

為了更好地比較不同風(fēng)速下電弧形態(tài)及弧根運(yùn)動(dòng)差異,8 ms時(shí)不同自然風(fēng)速情況下的弓網(wǎng)電弧形態(tài)特性如圖8所示,自然風(fēng)速越大,電弧彎曲程度越大;到8 ms時(shí),電弧弧長(zhǎng)分別達(dá)到10.0、16.4、26.4、32.9、41.6 mm。風(fēng)速3 m/s時(shí)的降弓電弧演化特性如圖9所示。由圖9可知,隨著時(shí)間增長(zhǎng)降弓電弧弧長(zhǎng)逐漸增大,電弧弧長(zhǎng)由5.5 mm增至26.4 mm。一方面,受電弓滑板降落使得弓網(wǎng)電弧被拉長(zhǎng);另一方面,自然風(fēng)速吹拂使得降弓電弧彎曲,電弧弧長(zhǎng)進(jìn)一步增加。同時(shí),由于風(fēng)速的影響電弧弧根在受電弓滑板與接觸線表面移動(dòng)。在不同風(fēng)速的影響下,電弧弧根偏移量不同,風(fēng)速越大,電弧的偏移量越大。

自然風(fēng)速對(duì)電弧最高溫度的影響如圖10所示。由圖10可知,自然風(fēng)速對(duì)于電弧最高溫度的影響相對(duì)比降弓速度對(duì)最高溫度的影響大。風(fēng)速由1 m/s變化到5 m/s,電弧平均最高溫度由13 200 K變化至11 800 K左右,溫度差達(dá)到1 400 K。

降弓速度為0.5 m/s時(shí),不同風(fēng)速情況下的弓網(wǎng)電弧電壓如圖11所示。可以得出,風(fēng)速會(huì)使得電弧電壓相對(duì)于不考慮風(fēng)影響的情況有所增加。風(fēng)速?gòu)? m/s增加到5 m/s時(shí),8 ms時(shí)電弧電壓從19.2 V增加至113.2 V。電弧電壓增大主要是風(fēng)載荷作用使得電弧長(zhǎng)度增加,而電弧弧長(zhǎng)增加會(huì)使得電弧電壓增大。

電弧電壓-時(shí)間變化率dU/dt、電弧電壓-弧長(zhǎng)變化率dU/ds與自然風(fēng)速之間的關(guān)系如圖12所示。電弧電壓在自然風(fēng)速?gòu)? m/s變化到5 m/s時(shí)隨時(shí)間的變化率從1.95 V/ms變化到20.75 V/ms,電弧電壓隨弧長(zhǎng)變化量的變化率在2 V/mm左右。分析可知,單位時(shí)間的電弧電壓變化量與自然風(fēng)速呈現(xiàn)近似線性關(guān)系,而單位長(zhǎng)度的電弧電壓變化量近似為2 V/mm。

對(duì)比自然風(fēng)速與降弓速度對(duì)電弧的影響可知,自然風(fēng)速對(duì)于電弧長(zhǎng)度的影響比降弓速度的影響更加顯著。同時(shí),自然風(fēng)速對(duì)于電弧電壓的影響比降弓速度的影響更加明顯。因此,可以考慮在降弓過(guò)程中加裝吹弧裝置,增大降弓電弧電壓,加快降弓電弧熄滅速度。

3 仿真模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的降弓電弧圖像與本文的仿真電弧圖像進(jìn)行對(duì)比。降弓電弧圖像拍攝設(shè)置示意圖如圖13所示,其中相機(jī)用于電弧圖像的拍攝,架設(shè)于車頂?shù)雀咛?。通過(guò)調(diào)節(jié)最佳拍攝角度與位置,并且通過(guò)筆記本電腦控制相機(jī)拍攝的啟停,使整個(gè)降弓過(guò)程中,電弧圖像能夠完整清晰地被拍攝,并傳輸保存到筆記本電腦中。

試驗(yàn)與仿真降弓電弧對(duì)比圖如圖14所示。由圖14可知,實(shí)際降弓電弧并不是完全豎直拉長(zhǎng)的,實(shí)際情況下出現(xiàn)了電弧彎曲情況,說(shuō)明了考慮自然風(fēng)速影響的必要性。通過(guò)與考慮自然風(fēng)因素影響下的降弓電弧仿真圖像對(duì)比,可以看出,實(shí)際降弓電弧與仿真電弧圖像吻合度較高,驗(yàn)證了仿真模型的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論建立降弓過(guò)程電弧仿真模型,研究了不同降弓速度、不同自然風(fēng)速情況下的降弓電弧特性。通過(guò)對(duì)研究的分析,得到以下結(jié)論:

(1) 降弓速度對(duì)于降弓電弧的溫度場(chǎng)分布影響不大,隨著降弓速度的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K左右減小至平均12 600 K左右。降弓速度由0.5 m/s變化到1 m/s時(shí),電弧長(zhǎng)度10 ms時(shí)分別從9 mm變化到14 mm,電弧電壓從15.6 V變化到24 V,電弧電壓-時(shí)間變化率從0.74 V/ms變化到1.46 V/ms,電弧電壓-弧長(zhǎng)變化率處于1.5 V/mm左右。加快降弓速度可以加速降弓電弧的熄滅,減少降弓電弧對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

(2) 自然風(fēng)速對(duì)于電弧最高溫度的影響相對(duì)于降弓速度對(duì)最高溫度的影響較大,自然風(fēng)速的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K變化到11 800 K左右,溫度差達(dá)1 400 K。自然風(fēng)速由1 m/s變化到5 m/s時(shí),電弧長(zhǎng)度8 ms時(shí)分別從10 mm變化到41.6 mm,電弧電壓從19.2 V增加到113.2 V,電弧電壓-時(shí)間變化率從1.95 V/ms變化到20.75 V/ms,電弧電壓-弧長(zhǎng)變化率在2 V/mm左右?？梢钥紤]在降弓過(guò)程中加裝吹弧裝置,加快降弓電弧熄滅速度,減少降弓電弧對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

(3) 通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的拍攝和處理結(jié)果,與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)實(shí)際降弓過(guò)程電弧發(fā)生彎曲,說(shuō)明了考慮自然風(fēng)速影響的必要性。通過(guò)與考慮自然風(fēng)因素影響下的降弓電弧仿真圖像對(duì)比,可以看出,實(shí)際降弓電弧與仿真電弧圖像吻合度較高,驗(yàn)證了仿真模型的可行性。