夏天久，高 保，邵 巖

電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧磨損研究

夏天久，高 保，邵 巖

針對電弧磨損特性，研究了在不同接觸網(wǎng)拉出值情況下的接觸線電弧磨損情況，定量分析在不同拉出值情況下的接觸線磨損與滑板磨損情況。

電氣化鐵路；離線電??；磨損；拉出值

0 引言

隨著我國高速電氣化鐵路的發(fā)展和列車運(yùn)營里程的提高，對于列車運(yùn)行速度提出了越來越高的要求。然而，列車運(yùn)行速度越快，軌道運(yùn)行不平順等原因造成的弓網(wǎng)系統(tǒng)離線率也越來越高。在弓網(wǎng)離線過程中，由于弓網(wǎng)間隙上的電壓很高，會使間隙內(nèi)空氣擊穿并形成電弧。離線電弧的產(chǎn)生將會造成極高的電弧過電壓，過電壓對于列車牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，同時，列車周邊的通訊線路等也會受到很大的影響。因此，對弓網(wǎng)離線電弧的機(jī)理進(jìn)行分析，研究在不同設(shè)計條件下的電弧特性變化情況，探究電弧燒蝕對接觸線表面的電氣磨損情況具有重要的意義[1]。本文針對目前運(yùn)行著的電氣化鐵路設(shè)計過程中的拉出值情況，分析拉出值的設(shè)定對接觸線電氣磨損情況的影響。

1 列車燃弧過程分析

良好的弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是指在列車運(yùn)行過程中，接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板之間保持良好的接觸，使得接觸網(wǎng)電流持續(xù)流向列車，為列車設(shè)備取電，提供動力。然而，在列車運(yùn)行過程中，受到運(yùn)行環(huán)境的限制，弓網(wǎng)之間會出現(xiàn)頻繁的離線。在離線過程中，弓網(wǎng)間隙內(nèi)的空氣被擊穿而形成電弧。電弧的存在會保障弓網(wǎng)之間的持續(xù)受流。然后在電弧燃弧過程中，電弧內(nèi)的極高溫度會導(dǎo)致接觸線表面材料熔濺，磨損。這種磨損的存在會直接降低接觸線的使用壽命。目前，我國所采用的接觸線均為進(jìn)口接觸線，其壽命僅有20年。因此，在設(shè)計接觸線布線過程中，考慮調(diào)整接觸線拉出值的設(shè)計參數(shù)，從而降低電弧對接觸線使用壽命的破壞，具有重要的意義[2]。

2 拉出值的設(shè)計

接觸線拉出值作為接觸線布局設(shè)計的重要參數(shù)，其取值將會直接影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。從以往案例可知，目前75%的刮弓事故都是由于拉出值施工沒有按照設(shè)計值調(diào)整而造成的。然而，在接觸線拉出值的設(shè)計過程中，需要針對不同設(shè)計區(qū)段的情況進(jìn)行分析。

（1）直線區(qū)段：在該列車運(yùn)行區(qū)段，拉出值的設(shè)計值在200～250 mm的范圍內(nèi)。

（2）曲線區(qū)段：在列車的曲線設(shè)計區(qū)段，由于該段鋼軌的外側(cè)高度高于內(nèi)側(cè)高度，鋼軌向內(nèi)傾斜，因此，線路的中心位置與受電弓的中心位置不重合。此時，在曲線半徑大于1 km的區(qū)段，拉出值需要控制在0～350 mm之間。當(dāng)曲線半徑小于1 km時，拉出值不應(yīng)超過400 mm。

3 拉出值與接觸線電弧磨損的關(guān)系

為了研究在不同拉出值情況下，弓網(wǎng)電弧對于接觸線表面磨損情況的影響，本文基于Ansys流體分析軟件，建立分析模型，如圖1所示[3～5]。

圖1 基于Ansys軟件的弓網(wǎng)模型圖

Ansys軟件是一款用于計算流體的商業(yè)軟件。弓網(wǎng)電弧從物理角度分析，是指由弓網(wǎng)間隙被擊穿后形成的空氣離子組成，屬于等離子體，也是流體的一種。因此，本文采用Ansys流體計算軟件來分析計算。圖1中，1代表無限長的接觸線，2代表受電弓滑板，α 代表接觸線與滑板間的夾角，這個角度與拉出值有很大的關(guān)系。因此，在仿真過程中，通過改變拉出值的大小可以改變α 的值。接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板之間的垂直距離代表弓網(wǎng)間隙的長度，本文將其設(shè)置為4 mm。在仿真過程中，不研究電弧的產(chǎn)生過程，直接考慮在電弧穩(wěn)定燃燒時的接觸線表面磨損情況。在建模過程中，為了簡化模型，在建立接觸線和滑板的幾何體時，沒有考慮其幾何特性，如忽略匯流排長度與彎曲半徑對滑板幾何形狀的影響。

基于所建立的弓網(wǎng)系統(tǒng)的求解模型，設(shè)置如圖1所示的求解域，并劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格劃分示意圖

基于上述弓網(wǎng)系統(tǒng)模型，采用fluent后處理軟件對其進(jìn)行計算。在計算過程中，采用特定的邊界條件，即電場邊界條件和溫度場邊界條件。仿真過程中所采用的接觸線材料為銅錫合金導(dǎo)線，其材料的物性參數(shù)如表1所示。直接分析在電弧產(chǎn)生后并穩(wěn)定燃燒情況下的結(jié)果。在計算時，設(shè)置拉出值分別為200，250，300，350 mm，得出接觸線表面溫度的變化情況，如圖3所示?；灞砻孀罡邷囟鹊淖兓闆r如圖4所示。

表1 弓網(wǎng)系統(tǒng)電極材料物性參數(shù)表

圖3 不同拉出值情況下的接觸線表面溫度曲線圖

圖4 不同拉出值情況下的滑板表面溫度曲線圖

由圖3可知，隨著拉出值的不斷增大，接觸線表面溫度呈上升趨勢，即弓網(wǎng)離線電弧對接觸線表面的磨損會隨著拉出值的增大而變得更嚴(yán)重。

分析電弧燃燒過程和電弧對接觸線的磨損機(jī)理，可以知道，隨著接觸線拉出值的不斷增大，在列車運(yùn)行速度一定的情況下，電弧在接觸線上某一固定點(diǎn)停留的時間越短，接觸線上電弧弧根的位置變化頻率就越快。因此，弓網(wǎng)電弧在接觸線上固定點(diǎn)處的集中磨耗越少，使得接觸線表面各點(diǎn)處的磨耗降低。

分析圖4可知，隨著接觸網(wǎng)拉出值的不斷增大，滑板表面溫度不斷降低，即是滑板表面材料的電氣磨損降低。這是因?yàn)楫?dāng)拉出值增大時，受電弓滑板表面的電氣磨損面積增大。在固定時間范圍內(nèi)，電弧弧根在滑板特定區(qū)段停留的時間縮短，滑板磨損降低。

4 理論分析

綜合以上仿真結(jié)果分析，可以知道，隨著高速鐵路接觸網(wǎng)拉出值的不斷增大，接觸線表面材料的磨損情況會更加嚴(yán)重。因此，降低接觸網(wǎng)拉出值可以在一定程度上減輕弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸線的電氣磨損程度。但是，不斷減小拉出值會直接導(dǎo)致滑板材料表面的電氣磨損更嚴(yán)重。這是因?yàn)?，接觸線材料的主要組成部分是金屬，金屬材料的熱導(dǎo)率較大，電弧熱源在接觸線內(nèi)部的熱傳導(dǎo)會加快。因此，在固定拉出值情況下，電弧穩(wěn)態(tài)燃燒時，滑板表面材料的電氣磨損較接觸線更嚴(yán)重。綜上所述，如果不斷降低接觸網(wǎng)的拉出值，會使得滑板材料表面的電氣磨損情況成倍增加。

5 結(jié)語

本文利用有限元仿真軟件Ansys，建立弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧模型，仿真分析了不同接觸網(wǎng)拉出值情況下的接觸線表面和受電弓滑板表面的最高溫度變化情況，從而研究不同情況下弓網(wǎng)系統(tǒng)的電氣磨損。得到結(jié)論：隨著拉出值的不斷增大，接觸線表面最高溫度升高，而滑板材料表面的最高溫度不斷降低。

[1] 周自成. 大秦線銅導(dǎo)線斷線原因淺析[J]. 電氣化鐵道，2000，（3）：22-26.

[2] 于萬聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

[3] 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.

[4] 宋學(xué)官. ANSYS流固耦合分析與工程實(shí)例[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011.

[5] 王偉宗，吳翊，榮命哲，等. 空氣開關(guān)電弧仿真技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J].低壓電器，2010，（5）：7-11.

With regard to the arcing erosion characteristics, the paper studies the arcing erosion of contact wire with different stagger values, and analyzes quantitatively the wear between contact wire and collector strip under different stagger values.

Electrified railway; off-line arcing; wear, stagger

U225.4

：B

：1007-936X(2015)05-0005-02

2015-01-07

夏天久.中鐵五局集團(tuán)電務(wù)城通有限責(zé)任公司，工程師，電話：13935087357；

高 保，邵 巖.中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司。