王澤 于曉英 宋夢杰

摘要：通過設計弓網電弧光譜實驗，模擬DC 1 500 V條件下的城軌弓網燃弧現象，利用光譜儀測量電弧光譜數據，選取電弧光譜中5條Cu I的分立線狀特征譜線，采用玻爾茲曼圖方法得到相同條件下6組電弧的平均溫度為5 962.20 K，符合電弧等離子體的溫度特征.文中研究方法及結論對城軌弓網電弧溫度的在線監(jiān)測具有一定的指導意義.

關鍵詞：城市軌道交通；弓網燃?。坏入x子體溫度；光譜測溫

中圖分類號：U 225.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-988Ⅹ（2023）04-0050-04

城市軌道交通運行環(huán)境特殊，承載能力強，是一種便捷、環(huán)保的交通方式，具有較高的運輸效率［1］.當前國家對城軌交通建設做出了中長期規(guī)劃，預計到 2025年末，我國城市軌道交通線路總長將超過10 000 km，2030年末，接近15 000 km.

城軌列車獲取動力的直接來源是弓網系統(tǒng)［2］.通過剛性接觸線與受電弓之間的持續(xù)摩擦接觸獲取電能，微觀條件下二者之間只有部分點的接觸［3］.城軌列車高速行駛時，弓網短暫離線現象不可避免，離線間隙氣體被高壓擊穿，即發(fā)生弓網燃弧，電弧等離子體伴隨的劇烈高溫會侵蝕接觸線、受電弓滑板，導致弓、線接觸面微觀形態(tài)發(fā)生變化，最終降低設備使用壽命，影響機車受流質量［4-5］.

目前，針對電弧等離子體溫度的研究主要集中于開關電弧及交流弓網電弧領域，而廣泛應用于城市軌道交通的直流弓網電弧的相關研究成果相對較少［6-7］.直流弓網電弧持續(xù)時間長、燃弧率高、燃燒穩(wěn)定，高溫等離子體會對弓網造成一定的影響［7］.因此，很有必要開展直流弓網電弧等離子體溫度的研究.

電弧等離子診斷技術主要有接觸式和非接觸式兩種.屬于非接觸式診斷的發(fā)射光譜法由于不會對電弧等離子體的熱輻射產生影響、診斷原理簡單、儀器操作簡單，在等離子體參數診斷中得到了廣泛應用［8］.胡怡等［9］利用光譜診斷技術研究發(fā)現，受電弓下落時，間隙距離增加致使電弧溫度下降，牽引電流增大，電弧溫度增大.刑立成等［10］以銅元素光譜為主要特征譜，利用玻爾茲曼繪圖法，對測得的弓網電弧光譜分析后計算得到電弧激發(fā)溫度.Zheng等［11］利用弓網電弧溫度在線監(jiān)測裝置，基于原子發(fā)射光譜法測溫原理，通過兩條特定的特征譜線來計算電弧溫度.上述研究對象均為交流弓網電弧，且實驗電流電壓較小，診斷結果無法反映工程實際情況，所用光譜儀采集效率偏低、測得數據缺乏穩(wěn)定性且采用兩條特征譜線進行弓網電弧溫度計算的結果誤差較大.

文中通過設計充分接近現實工況的弓網燃弧實驗，產生DC 1 500 V供電的直流弓網電弧，利用8通道光譜儀對準電弧發(fā)生位置高效測取原子發(fā)射光譜.選取多條原子譜線，在NIST數據庫中查詢對應原子躍遷參數，應用多譜線斜率法計算城軌弓網電弧等離子體溫度，為進一步研究電弧離子體內部變化過程提供理論依據及數據支持.

1 原理部分

1.1 電弧等離子體溫度特性

等離子體是除固、液、氣三種存在形式外的第四種物質形態(tài)，具有高密度、高溫度特性，作為多種粒子的集合體，其整體對外顯電中性［12］.電弧等離子體內部粒子發(fā)生碰撞后，總能量趨于平衡，此時，其主要特性不再是密度，而是溫度［13］.本文研究的弓網電弧等離子體是一種熱等離子體.弓網燃弧時，盡管氣體在間隙內不能完全電離，但粒子之間存在著劇烈的撞擊和能量交換，此時等離子體呈現高度的電離狀態(tài)，其中主要粒子的溫度即電子、正離子、中性粒子的溫度約相等，也就是所謂的“局部熱平衡（LTE）”狀態(tài).當體系達到熱平衡時，電子溫度就可以反映等離子體溫度［14］.特定溫度下，等離子體內電子與離子的劇烈碰撞會持續(xù)將光波發(fā)射出去，其中包含許多特征譜線.文中對等離子體電子溫度進行診斷，并以此來反映城軌弓網環(huán)境下的電弧等離子體的溫度特性.

1.2 發(fā)射光譜法測溫原理

發(fā)射光譜法測量等離子體的激發(fā)溫度通常采用原子光譜，文中采用誤差相對較小的“斜率法”來診斷電弧等離子體溫度.

2 實驗部分

2.1 實驗裝置及方案

當兩個不同電位的導體相距較近時會形成較大場強，該數值大于一定值時，導體間隙中的空氣會被擊穿，產生電弧等離子體并伴隨發(fā)光現象.根據以上電弧發(fā)生機理，本文設計了一種能還原現場情況的弓網電弧實驗，實驗裝置如圖1所示.

本實驗所用電極材料與城軌弓網系統(tǒng)現場情況一致.實驗設備及作用如表1所示，試驗所用碳滑板材料的規(guī)格參數如表2所示.

根據圖1完成實驗電路搭建.安裝軟銅線在高壓發(fā)生器高壓端，將接觸線用線夾緊固并進行軟銅線的長度和位置調節(jié)，避免其位置因晃動而發(fā)生變化.調整軟銅線的長度之前，先完成碳滑條接地，然后將接觸線和碳滑條與高壓控制臺相連接，調整維持二者與地面的水平關系，調整夾具保持最少10 mm的間距.對光譜儀進行校準，按照實驗要求水平放置于預先確定的位置，對準電弧發(fā)生點.本試驗采用調壓器對1 500 V直流電壓進行控制.首先使用變壓器提升電壓，然后利用整流器使高壓輸出為1 500 V.設備固定后，在暗室環(huán)境下開啟高壓發(fā)生器，緩慢將高壓端有效電壓調至DC 1 500 V，觀察接觸線與碳滑條之間是否出現電弧.若弧光未出現，將電壓歸零，關閉電源后調整二者距離，再次接通電源時若出現弓網電弧，記錄此時接觸線與碳滑條之間的距離，完成光譜數據采集.

結合城軌弓網系統(tǒng)的實際運行與實驗室實際情況，此次弓網電弧光譜實驗接近實際城軌弓網系統(tǒng)中的燃弧現象.電弧的演變規(guī)律相似，因此文中設計的實驗診斷電弧等離子體溫度對于實際城軌弓網電弧溫度診斷具有一定參考價值.

2.2 實驗結果及分析

光譜是由各種微觀粒子能量發(fā)生變化時發(fā)出的電磁波，從光譜的形態(tài)角度看，主要包括線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜［16］.

選用合適的譜線，可以極大地降低測量誤差，提高測量精度［17］，文中利用光譜中的分立線狀譜線來檢測弓網電弧等離子體的電子激發(fā)溫度.

譜線應當選取同一種類的譜線，相對強度要較高，激發(fā)態(tài)能級的差異越大越好；其次，所選原子譜線應不易出現自吸收.由于弓網系統(tǒng)接觸導線的主要電極材料是銅，因此電弧等離子體中含較多激發(fā)態(tài)銅原子，燃弧時光譜中會出現大量銅原子的特征光譜.弓網電弧的輻射光譜如圖2所示.

由圖2可知， Cu I的特征譜線比其他譜線更多，因此選取Cu I的特征譜線進行等離子體中電子溫度的計算.本文選取5條特征譜線的光譜數據進行計算，其原子躍遷參數如表3所示.

根據（3）式繪制出玻爾茲曼圖，如圖3所示.圖3中5個點對應選取的5條譜特征譜線，線性擬合的相關系數為0.98，說明斜率法確定的等離子體的溫度較為準確［18］.本次實驗中城軌弓網電弧的燃燒是隨機的，所以一次測試所得的結果具有一定局限性，為了全面反映等離子體的輻射特征，采用同一實驗條件下的多組實驗，在擬合度較好的情況下進行溫度計算.本文進行了6組試驗，表4為斜率和等離子體溫度擬合計算結果.

以上6組擬合圖像中相關系數均大于0.75，因此擬合度較好，溫度結果較為可靠，根據表中結果對比發(fā)現，盡管弓網燃弧隨機性強且溫度具有一定波動性，但其波動范圍是在百開爾文量級.最終計算得到的城軌弓網電弧等離子體平均溫度值為5 962.20 K，說明該方法可以有效診斷城軌弓網電弧等離子體的溫度.

3 結束語

城軌弓網電弧等離子體產生的瞬間高溫加劇弓網系統(tǒng)的磨損，縮短其使用壽命，燒蝕加劇時會導致弓網斷線事故，嚴重威脅城軌列車的運行安全.本文利用發(fā)射光譜法，選擇合適的特征譜線，對 Cu I的多條譜線進行分析，獲得擬合圖像，從多組溫度計算結果發(fā)現在燃弧條件不變的情況下，城軌弓網電弧溫度的變化范圍在百開爾文量級，波動范圍不大.最終計算得到模擬真實工況下的城軌弓網電弧等離子體的溫度為5 962.20 K，符合電弧等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)下的溫度特征.后續(xù)工作可以進一步研究城軌弓網電弧等離子體的密度特性和起弧、燃弧、滅弧過程中的溫度變化以及弓網電弧溫度、持續(xù)時間對接觸線及受電弓滑板的微觀影響.

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（責任編輯 孫對兄）