姜贊，楊建明，王傳芳，賀覓知

(北京中車(chē)賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)

1 引言

電氣化鐵路受電弓與接觸網(wǎng)之間的匹配關(guān)系(簡(jiǎn)稱(chēng)弓網(wǎng)關(guān)系)是系統(tǒng)運(yùn)行的重要關(guān)系之一，同時(shí)也是現(xiàn)有列車(chē)速度重要限制因素之一[1]。對(duì)整個(gè)電氣化鐵路的正常運(yùn)作起著重要的作用，由于列車(chē)運(yùn)行速度提升及硬點(diǎn)等原因，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中受電弓與接觸網(wǎng)發(fā)生離線而產(chǎn)生電弧，造成電力機(jī)車(chē)中牽引電機(jī)等負(fù)載的不正常工作。弓網(wǎng)之間電接觸溫升過(guò)高會(huì)影響接觸網(wǎng)的機(jī)械特性和電氣特性，加速接觸網(wǎng)劣化，產(chǎn)生安全隱患。當(dāng)前電氣化鐵路由于弓網(wǎng)匹配失當(dāng)引發(fā)的受電弓磨損加劇、接觸網(wǎng)燒斷、弓網(wǎng)電弧過(guò)電壓劇烈等問(wèn)題突出[2-4]。亟需建立弓網(wǎng)電接觸模型分析弓網(wǎng)電接觸過(guò)程的溫升特性，獲得接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與列車(chē)負(fù)荷特性設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性[5]。

結(jié)合列車(chē)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，建立弓網(wǎng)電接觸模型，研究接觸網(wǎng)拉出值、列車(chē)運(yùn)行速度、運(yùn)行工況及受電弓碳滑板設(shè)計(jì)與弓網(wǎng)電接觸溫升之間的關(guān)系，計(jì)算動(dòng)力負(fù)荷條件下車(chē)輛升弓取流過(guò)程的弓網(wǎng)溫升過(guò)程，計(jì)算電力機(jī)車(chē)動(dòng)力負(fù)荷條件下弓網(wǎng)溫升過(guò)程。

2 運(yùn)行工況與建模

弓網(wǎng)系統(tǒng)中列車(chē)上方的接觸網(wǎng)和受電弓通常暴露在空氣中，弓網(wǎng)之間由于柔性接觸不良，頻繁產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧或接觸過(guò)熱，使得弓網(wǎng)系統(tǒng)成為整個(gè)供電環(huán)節(jié)中最易受損壞的地方，會(huì)引起的高速列車(chē)整體受流質(zhì)量下降，造成牽引力不足，從而影響車(chē)輛的正常運(yùn)營(yíng)。弓網(wǎng)系統(tǒng)故障主要分布在接觸網(wǎng)、受電弓和自然環(huán)境三個(gè)要素方面。近十年來(lái)，南京地鐵，深圳地鐵，岔灘至石門(mén)坎鐵路沿線頻繁出現(xiàn)弓網(wǎng)接觸不良，接觸線劣化等造成的弓網(wǎng)事故。

對(duì)于直流牽引供電系統(tǒng)，車(chē)載24臺(tái)牽引電機(jī)，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程，典型線路的負(fù)荷曲線如圖所示，列車(chē)運(yùn)行電流4080A，運(yùn)行速度30～140km/h，運(yùn)行過(guò)程的負(fù)荷特性如圖1所示。在制動(dòng)工況，運(yùn)行電流最大可達(dá)到5760A，最小速度64km/h，制動(dòng)電流最大速度約為100km/h。

圖1 列車(chē)運(yùn)行工況負(fù)荷特性

當(dāng)前電氣化鐵路采用的典型接觸線主要為AC系列接觸線和BC系列接觸線，接觸線截面尺寸如圖2所示。

圖2 電氣化鐵路接觸線典型截面圖

2.1 弓網(wǎng)電接觸模型

結(jié)合典型接觸線及受電弓材料特性與線路參數(shù)，開(kāi)展弓網(wǎng)接觸溫度計(jì)算。線路設(shè)計(jì)過(guò)程錨段間距L，此時(shí)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度為v，則運(yùn)行單位錨段需要的時(shí)間為T(mén)1，若接觸線的拉出值為L(zhǎng)1，則受電弓與接觸線的接觸速度可以表示為:

若此時(shí)接觸線界面與受電弓接觸長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，則受電弓與接觸線在等效發(fā)熱面上的接觸時(shí)間可以計(jì)算為:

式中，Lc表示受電弓截面寬度。

同時(shí)結(jié)合接觸網(wǎng)和受電弓(碳滑板)尺寸，建立弓網(wǎng)關(guān)系模型如圖3所示。

圖3 弓網(wǎng)關(guān)系模型圖

3 弓網(wǎng)電接觸溫升特性

受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸溫升主要受弓網(wǎng)之間的相對(duì)速度、負(fù)荷電流、接觸面積的影響。

3.1 運(yùn)行速度與弓網(wǎng)接觸溫升

考慮露天環(huán)境溫度值20℃(293K)，線路情況，接觸線拉出值250mm，接觸線短時(shí)(10-4s級(jí))發(fā)熱情況溫度受表面散熱影響較小，外側(cè)氣流對(duì)接觸網(wǎng)散熱的影響較小。當(dāng)通流4080A時(shí)(單滑板受流454A)電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度30～140km/h時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)間溫度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。弓網(wǎng)接觸溫度超過(guò)301K。

圖4 新接觸線拉出值250mm時(shí)接觸溫度(機(jī)車(chē)時(shí)速30km)

增大運(yùn)行速度，弓網(wǎng)接觸時(shí)間變短，弓網(wǎng)接觸溫升降低，當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度為135km/h，弓網(wǎng)接觸溫度接近環(huán)境溫度。弓網(wǎng)接觸溫度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。弓網(wǎng)接觸溫度299K，低于拉出值為250mm的情況。

圖5 新接觸線拉出值250mm時(shí)接觸溫度(機(jī)車(chē)時(shí)速135km)

3.2 磨損條件下的弓網(wǎng)溫升

受電弓磨損后，弓網(wǎng)之間接觸面積增大，接觸電阻略有減小，當(dāng)接觸線磨損30%時(shí)，接觸線截面接觸尺寸由4.5mm增大到9.87mm，結(jié)合計(jì)算模型，仿真得到接觸面的溫升狀況如圖6所示。此時(shí)弓網(wǎng)之間溫度接近296K。

圖6 磨損30%接觸線拉出值250mm時(shí)接觸溫度(時(shí)速30km)

機(jī)車(chē)運(yùn)行速度增加至135km/h時(shí)，弓網(wǎng)接觸溫度291K。如圖7所示。

圖7 磨損30%接觸線拉出值250mm時(shí)接觸溫度(時(shí)速135km)

3.3 制動(dòng)工況弓網(wǎng)接觸溫升

結(jié)合圖1(b)中列車(chē)運(yùn)行過(guò)程負(fù)荷曲線，修改模型參數(shù)，獲得制動(dòng)條件下，拉出值250mm情況，總負(fù)荷電流5760A，的弓網(wǎng)接觸溫度仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。弓網(wǎng)接觸溫度達(dá)到329K。隨著列車(chē)速度升高，接觸溫度略有下降。

圖8 弓網(wǎng)接觸溫度

3.4 受電弓設(shè)計(jì)與弓網(wǎng)接觸溫升

采用BC-120線隧道條件雙弓六碳滑板及雙弓四碳滑板新接觸線拉出值250mm時(shí)的不同速度情況及制動(dòng)工況的接觸溫度。如圖9所示。

圖9 BC-120線隧道條件接觸線拉出值250mm時(shí)的不同速度情況及制動(dòng)工況的接觸溫度

電力機(jī)車(chē)在新接觸網(wǎng)與磨損30%的接觸線在不同接觸線拉出值及不同的運(yùn)行速度下發(fā)熱情況不同，隨著機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的增加，弓網(wǎng)間發(fā)熱溫度降低，接觸網(wǎng)磨損后，由于接觸面積增大，接觸電阻降低，發(fā)熱面積增大，弓網(wǎng)接觸溫度降低。結(jié)合露天環(huán)境及隧道環(huán)境的電機(jī)機(jī)車(chē)弓網(wǎng)接觸過(guò)程，獲得不同條件下的弓網(wǎng)接觸溫度，如圖10所示。

圖10 不同條件下的弓網(wǎng)接觸溫度圖

電力機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，接觸線與碳滑板的接觸溫度受接觸線的磨損狀況、拉出值及環(huán)境溫度影響。新接觸線與碳滑板之間接觸電阻較大，接觸溫度較高，拉出值較小時(shí)，接觸線與受電弓接觸時(shí)間較長(zhǎng)，接觸溫度較大，隧道內(nèi)環(huán)境溫度高，在一定程度上會(huì)提高接觸線與碳滑板的接觸溫度。

3.5 動(dòng)力負(fù)荷條件下的弓網(wǎng)接觸溫升

考慮城軌列車(chē)運(yùn)行前預(yù)熱過(guò)程，施加動(dòng)力負(fù)荷電流300A，施加電流時(shí)間30min，獲得施加動(dòng)力電流負(fù)荷后的弓網(wǎng)接觸溫度如圖11所示。

圖11 施加動(dòng)力負(fù)荷電流后弓網(wǎng)接觸溫度

同時(shí)獲得BC-120和BC-150接觸線30min溫升情況，BC-120接觸線溫升略高于BC-150接觸線，30min溫升相差2K如圖12所示。

圖12 施加動(dòng)力負(fù)荷電流后弓網(wǎng)接觸升溫曲線

當(dāng)采用雙弓六碳滑板情況，動(dòng)力負(fù)荷條件下，升弓30min時(shí)弓網(wǎng)接觸溫度如圖13所示。

圖13 施加動(dòng)力負(fù)荷電流后弓網(wǎng)接觸溫度(雙弓六碳滑板，動(dòng)力負(fù)荷300A，靜弓接觸，1800s)

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)EN-50149規(guī)定與參考，當(dāng)有三受電弓九塊碳滑板時(shí)弓網(wǎng)接觸溫度低于接觸線溫度限值353K；當(dāng)有雙受電弓六塊碳滑板時(shí)，動(dòng)力負(fù)荷下弓網(wǎng)接觸溫度386K，超出耐受溫度值。

4 討論及建議

結(jié)合3.1節(jié)分析可知，機(jī)車(chē)運(yùn)行速度越高，受電弓與接觸線之間的接觸時(shí)間越短，受電弓與接觸網(wǎng)之間的弓網(wǎng)溫升越低，最高溫度301K，接觸溫升約為8℃，錨段長(zhǎng)度相同時(shí)，拉出值為250mm時(shí)，弓網(wǎng)接觸溫度較高，拉出值350mm時(shí)，接觸溫度較低，最大值299K，接觸溫升6℃；當(dāng)接觸網(wǎng)出現(xiàn)磨損時(shí)，接觸溫升降低，當(dāng)接觸線磨損30%，接觸線最大接觸溫度接近296K，約為4℃，接觸溫升不是造成磨損接觸網(wǎng)進(jìn)一步損傷的主要原因，由于接觸線磨損造成的弓網(wǎng)電弧有可能是接觸網(wǎng)損傷加劇的關(guān)鍵；當(dāng)出現(xiàn)受電弓故障需要單弓運(yùn)行時(shí)，在牽引負(fù)荷電流4080A情況，雙弓4碳滑板時(shí)弓網(wǎng)接觸溫度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升80℃，可能會(huì)影響接觸線的電氣性能和機(jī)械性能。動(dòng)力負(fù)荷條件下三弓9碳滑板情況30min內(nèi)弓網(wǎng)接觸溫升低于標(biāo)準(zhǔn)值，雙弓6碳滑板時(shí)，接觸溫升接近標(biāo)準(zhǔn)限制，不建議采用雙弓4碳滑板的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行動(dòng)力負(fù)荷的預(yù)熱。

5 結(jié)論

(1)負(fù)荷電流4080A及制動(dòng)工況5060A條件下，弓網(wǎng)接觸溫升隨列車(chē)運(yùn)行速度的增加而減小，在運(yùn)行速度為30km/h時(shí)，弓網(wǎng)接觸溫度324K，溫升51℃，對(duì)弓網(wǎng)電氣性能無(wú)影響。

(2)受電弓碳滑板數(shù)量減少，接觸溫度升高，采用單弓四碳滑板運(yùn)行時(shí)，接觸溫度超過(guò)370K，溫升87℃，超出規(guī)定限值；同時(shí)動(dòng)力負(fù)荷條件下，雙弓六碳滑板升弓30min，弓網(wǎng)接觸溫度380K，超出容許溫升。