江 麗

（湖南高速鐵路職業(yè)技術學院 鐵道機電學院，衡陽 421002）

在高速機車運行過程中，弓網關系是3大基礎關系之一[1]。隨著我國高速機車的持續(xù)開通和運動速度的逐步提升，弓網關系成為影響機車運行安全的首要因素。電力機車的接觸線幾乎沒有彈性，一般情況下會采用剛性接觸懸掛系統(tǒng)。隨著機車運行速度的提升，受電弓和接觸網的離線率會加大，增加了發(fā)生弓網電弧的概率，威脅供電系統(tǒng)的安全性。對于整個電氣化機車系統(tǒng)的正常運作來說，受電弓-接觸網關系作為牽引供電系統(tǒng)的組成部分，具有非常重要的作用。一旦接觸線的波動與受電弓的振動加劇，受電弓與接觸網之間的相互作用越來越激烈，可能會頻繁發(fā)生弓網離線，甚至出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，降低受電弓和接觸線的使用壽命，導致機車受流質量下降[2]。因此，本文將重點研究弓網電弧在受電弓離線過程中的特性。

1 弓網離線模擬試驗平臺

弓網系統(tǒng)是一個多因素交叉系統(tǒng)，具有很大的不確定性。即使在相同電路、條件、環(huán)境下試驗或仿真，弓網系統(tǒng)都可能大不相同。因此，基于自行設計搭建的弓網離線試驗平臺，從滑動接觸到動態(tài)離線，較為完整地模擬出受電弓與接觸線產生斜方向電弧的過程。

電力機車供電系統(tǒng)接觸網的電壓一般為DC 1500V[3]。由于接觸網電壓相對較低，機車牽引電流很大。實驗室中，根據電力機車弓網電弧的產生條件，自行設計并搭建了弓網離線實驗平臺和檢測系統(tǒng)。

實驗裝置由弓網供電系統(tǒng)、理想動力系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)3部分構成[4]。由于實驗室電源功率的限制，供電系統(tǒng)的設計方案采用了大功率電阻與電感串聯(lián)、低壓大電流的供電方案。電源變壓器經過接觸線和受電弓滑板后，采用了變比為220:24、額定輸出電流為250A的工頻BK3000型變壓器，再經過大功率電阻與電感串聯(lián)回到電源。這樣不但減小了電流大小的影響，還避免了電弧燃燒所需的電壓較低等問題。為了實現(xiàn)弓網分離，直流電機與搭載著受電弓滑板的小車直接構成離線動力系統(tǒng)。電磁鐵由遠程開關控制，通過電磁鐵將受電弓滑板固定在小車上。當電磁鐵動作時，受電弓滑板快速下降。檢測系統(tǒng)主要檢測電壓、電流及光強信號等物理量。示波器探頭可以直接測量接觸線和受電弓上的電壓。經過示波器，羅氏線圈電流互感器換成電壓信號后可以顯示出回路中的電流信號。光電檢測芯片OPT101用來測量光強信號并進行轉換后得到電壓信號。

2 弓網電弧在弓網離線過程中的特性

2.1 弓網電弧在穩(wěn)態(tài)離線情況下的特性

在電流120A、交流電壓24V以及弓網間隙距離d=0.3mm 的情況下，弓網間可以看到電弧燃燒劇烈，形成了約2cm長且穩(wěn)定燃燒的電弧，且電弧中心有飛濺的火花和耀眼的白光。從整個正半周期的電弧波來看，電弧大致呈現(xiàn)出“馬鞍”型，即從過零點（即碳滑板作為陰極時）開始電壓按照正弦規(guī)律上升[5]。電壓經過起弧時間后上升到燃弧尖峰電壓，此時弓網間隙形成導電通道并產生電弧，而電場強度會達到空氣的擊穿場強，從而擊穿空氣。通過燃弧時間之后，弓網間隙電壓迅速下降到穩(wěn)定燃弧電壓，最后小幅上升到熄弧電弧。隨后經過熄弧時間，弓網間隙電壓下降的電壓回到零點。而在負半周期中，接觸線為陰極，電壓波形沒有出現(xiàn)明顯的燃弧尖峰與熄弧尖峰。此外，在燃弧階段中，電弧電壓波形較為平直。這是由于陰極在負半周期中為金屬接觸線，因此二次電子容易從金屬陰極中碰撞獲得，影響離線電弧的產生，因而燃弧尖峰電壓較低，電壓波形平直。

另外，電弧電流也會伴隨著電弧的形成而出現(xiàn)，且在電弧穩(wěn)定燃燒時達到最大值。在電弧電壓達到燃弧尖峰電壓時，電弧電流迅速上升；電壓達到熄弧電壓時會出現(xiàn)周期性的“零休”現(xiàn)象，使得電流提前到達零點[5]。光強信號與電流信號則是同步周期性出現(xiàn)。由于負半周期中，弓網間隙電壓能更早達到燃弧尖峰電壓，因此正半周期的燃弧時間小于負半周期，且燃弧持續(xù)時間長。電弧在穩(wěn)定燃弧階段主要以熱電子發(fā)射的方式維持，因此正半周期的電流大于負半周期，而正半周期的穩(wěn)定燃弧電壓則小于負半周期。

弓網離線電弧屬于交流電弧，弓網間隙的等離子體密度和介電強度隨著電源的電壓電流周期性變化。受弓網陰陽兩極材料不同的影響，在負半周期中，電弧穩(wěn)定燃燒階段的功率明顯大于正半周期。從產生、持續(xù)燃燒到熄滅過程，電弧所消耗的能量要比正半周期多12.6%。

2.2 受電弓離線過程中電弧電壓的變化特性

受電弓離線過程中，隨著時間的變化，電弧電壓與電流的波形發(fā)生變化。從弓網接觸受流到電弧重燃、熄弧，在各自半周期中，燃弧尖峰電壓隨著時間的增加而增大，使得電弧電壓波形呈現(xiàn)“馬鞍”型特征。

從接觸狀態(tài)到分離狀態(tài)，弓網電弧電壓波形可分為弓網穩(wěn)定受流、電弧產生與重燃、熄弧3個階段[6]。受流階段，由于接觸電阻的存在，弓網良好受流，弓網間隙呈現(xiàn)周期性變化，形成較小的電壓差，受電弓與接觸線滑動接觸。產生與重燃階段，受電弓滑板與接觸線間存在從面接觸到分離的過程。接觸電阻隨著接觸面積的減小而增大，使得電子在高溫下容易從陰極溢出，從而導致陰陽兩極表面局部溫度高，形成熱電子發(fā)射，而弓網間隙距離小，促使陰極形成場致發(fā)射。在高強度電場的作用下，熱電子發(fā)射和場致發(fā)射形成二次電子，發(fā)生空氣碰撞電離形成電弧。重燃階段，以場致發(fā)射為主，燃弧尖峰電壓增大，電場強度減小。熄弧階段，間隙電場強度小，弓網間隙增大，電弧熄滅，無法滿足電弧的重燃條件。

在分離過程中，隨著時間的增加和弓網間隙的增大，燃弧尖峰電弧增大，呈現(xiàn)指數(shù)級增長[7]。在起弧后的1～2個周期內，燃弧尖峰電壓緩慢增大，之后隨著時間變化，指數(shù)不斷增大，斜率較小。因此，在同等實驗條件下，由于弓網分離間隙不斷增大，電弧變長，電壓增大，導致穩(wěn)定燃弧電壓會隨著時間的增加而增大，而電流則會減小。電弧在正、負半周期燃燒時，所需的能量與陰極材料有關，與電弧形態(tài)無關。在每個燃弧周期中，電弧電阻從無窮大減小到某一極小值后又增大到無窮大。但是，在正半周期中，電弧電阻的極小值小于負半周期。同時，電弧電阻的極小值在正負半周期中會隨著時間增大。正負半周期中，隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓會減小。弓網間隙的擊穿場強決定了電弧重燃，間隙的帶電粒子密度決定了擊穿場強。電流越大，燃弧尖峰電壓越小，間隙內殘留的電子越多。

3 結語

從實驗過程可以看出，以碳滑板作為陰極時，電弧電壓波形呈現(xiàn)“馬鞍”型，整個半周期消耗的功率低，具有明顯的燃弧尖峰和熄滅尖峰，這是弓網陰陽兩極的材料不同造成的。以碳滑板作為陰極與接觸線作為陰極相比，穩(wěn)定燃弧電壓小，這是弓網陰陽兩極材料熔點與沸點不同所造成的。受熱電子發(fā)射和場致發(fā)射共同作用的影響，根據電弧電壓的變化特性，可將弓網動態(tài)離線過程分為弓網穩(wěn)定受流階段、電弧產生與重燃階段、熄弧階段3個階段。在正負半周期燃燒時，電弧隨著弓網間隙增大并沒有發(fā)生明顯變化，所需要的能量基本保持不變；隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓降低，電弧重燃次數(shù)增加，電流增大，電壓與弓網間隙距離呈指數(shù)增長的函數(shù)關系。也就是說，在低電壓情況下，弓網離線電弧發(fā)生重燃的主要影響因素是大電流。