[ 1]
5Leabharlann 结语( 1) 弓网系统电火花现象与滑板和接触线材料 的电阻率密切相关。铜镁接触线与碳滑板材料的电 阻率较高, 两者的接触电阻均比较大。使用碳滑板 的 CRH 系列动车组运行在在 铜镁接触线区段时, 弓网系统产生的电火花现象较运行在银铜线区段剧 烈。 ( 2) 取流量较大的电动列车在启动或速度较低 区段, 由于存在接触电阻, 弓网系统的载流能力、 温升特性应引起重视, 避免滑板和接触线局部过热 引起接触线断线事故的发生 , 必要时应采取措施减 小弓网系统接触电阻。 ( 3) 列车高速运行情况下, 不仅要维持弓网系 统良好的动态关系 , 还应根据需要对接触材料的电 气性能进行匹配。受电弓与接触网的电接触特性说 明 , 应将两者作为一个整体进行研究。 文 献
) , 男 , 河南驻马店人 , 高级工程师 , 博士研究生。
第3期
受电弓与接触网系统电接触特性
107
后的总电阻构成弓网系统的接触电阻。 接触电阻是表征弓网电接触特征的参数 , 对于 弓网系统点状接触的粗糙表面 , 每个导电斑点的接 触电阻可用下式计算 : Rc =
1 2
3
弓网系统电接触稳态热效应
1 2 1
H( 1 + 128
2
)
2
1 I2 nF ( 7)
式中: 为弓网接触点超出接触区的温度 ( 温升 ) ; U 为接触压降, U = I R, I 为通过接触点 的电流; 为滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平 均值。 由式 ( 7) 可知 , 通过弓网接触区域的电流越 大 , 或者接触电阻越高 , 则接触点温升亦会相应变 大 ; 另外, 滑板与接触线材料的电阻率也是接触点 温升的主要影响因素。为保证高速及重载情况下弓 网系统的正常运行 , 滑板与接触线材料必须具备良 好的电气性能。 典型的受电弓滑板电阻率与硬度值见表 1 。
2 2 = U = ( IR ) = 8 8
式中 : R c 为单个导电斑点的接触电阻 ; R f 为单个 导电斑点的表面膜电阻; 1 , 2 分别为接触线和滑 板材料的电阻率 ; a 为单个导电斑点的半径。 如果通过导电斑点的电流增大或接触 电阻增 高, 则接触点的电压降必然增大, 导电斑点和收缩 区内的温度亦会相应增高 , 当温度达到接触线或滑 板材料的软化点和熔化点时, 导电斑点及其附近的 接触线或滑板就会发生软化和熔化。 实际上, 新开通的电气化铁路或受电弓滑动次 数较少的接触线表面均有 1 层 导电率较差的 表面 膜, 弓网滑动接触过程中 , 电火花现象较明显。随 着受电弓滑动次数的增加 , 接触线的表面膜逐渐被 破坏 , 也可能被较高的电场破坏, 此时的接触电阻 只有收缩电阻部分, 即 Rc =
由表 2 可知, 铜银、铜锡、铜镁几种接触线的 抗拉强度及电阻率依次递增。
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中
国
铁
道
科
学
第 29 卷
上述滑板与接触线各有特点, 应根据具体情况 选用。 目前 , CRH 系列动车组使用的 DSA 型受电弓 为电阻率较高的纯碳材料滑板。当弓网接触力一定 时, 这种碳滑板分别运行在铜银、铜锡和铜镁接触 线区段时的弓网接触电阻依次变大 , 动车组取流通 过接触电阻时产生的热量对弓网接触区域的加热所 引起的电火花强度也不同。显然, 动车组分别运行 在铜银、铜锡、铜镁合金的接触线区段时, 其弓网 系统的电火花现象依次呈剧烈递增状。 另外 , 由于在取流量较大的电动列车启动或速 度较低区段存在接触电阻 , 应重视弓网系统的载流 能力和温升特性 , 避免滑板和接触线局部因热能积 聚, 导致接触点过热引起接触线抗拉强度下降, 甚 至发生接触线断线事故, 必要时应采取措施减小弓 网系统的接触电阻。
近年来, 弓网系统不良电接触引起的材料烧损 及接触线断线事故占弓网事故的比例呈逐年上升之 势, 专家学者对弓网系统的火花与燃弧现象存在不 同见解[ 1- 3] 。随着旅客列车高速化及货物列车重载 化的实施 , 有必要依据电接触理论 , 对弓网系统电 接触特性进行研究, 对弓网系统运行中出现的一些 现象做出合理解释 , 为解决这 些问题提供理 论依 据。
电动列车停车时, 其内部附属设备的运转仍需
4a
+
4a
+ Rf
( 1)
通过相对静止的弓网接触点获取电能。由于接触电 阻的存在, 当电流通过接触点时必然产生焦耳热, 使弓网系统接触点局部区域温度升高 , 严重时温升 可达到滑板和接触线材料的软化点、熔化点, 甚至 发生接触线断线事故。 根据电位 温度理论, 弓网接触点的温升与通 过接触点的电流、接触电阻成以下函数关系[ 6] :
触是指滑板与接触线相互接触并通过接触界面实现 电流传输的一种 物理、化学现 象。列车静止 不动 时, 弓网系统表现为固定电接触, 出现的主要现象 和问题是接触电阻、接触温升和接触熔焊。列车运 行时 , 弓网系统具有滑动电接触的特点 , 除了固定 电接触的问题外, 还有滑板与接触线之间的摩擦、 润滑及磨损等问题。 弓网系统接触区域无论如何加工、打磨以及运 行过程中的相互磨损 , 接触区域在微观上总是呈现 凸凹不平 , 如图 1 所示。 即使滑板和接触线之间具有很大的接触力, 在 接触区域也只有少数的点 ( 小面) 实际发生了真正
型号 CT120 CTA H 120 CTS 120 CTM H 120 抗拉强度 / M Pa 360 360 420 490 /( 电阻率 ( 20 ) m m2 m- 1) 0 017 77 0 017 77 0 023 95 0 027 78
及接触线材料的 电阻率、导电 斑点数目、接 触硬 度、接触力大小有关。准确计算弓网系统的接触电 阻比较困难, 通常进行估算或通过试验得到。
[ 9]
4
弓网系统的电火花和电弧现象
弓网系统在一定情况下产生电火花或燃弧的情 况有以下几种。 ( 1) 弓网滑动接触过程中 , 当滑板和接触线实 际导电面的面积较小、接触电阻较高及列车的取流 量较大时 , 电流通过导电斑点产生的热量使导电斑 点的温度迅速上升到一定程度而形成电火花 , 或因 弓网相对滑动导致导电斑点断裂, 滑板与接触线凸 部脱离接触时也会形成电火花。上述 2 种情况在弓 网滑动接触中比较常见, 甚至在列车低速运行情况 下也能见到。需要说明的是: 此时弓网系统并未出 现机械脱离或接触力不足的现象。电火花的能量较 弱, 对弓网系统的影响有限。 ( 2) 在电动列车高速运行过程中, 因各种原因 导致滑板与接触线整体分离或部分分离 , 在两者接 触区域最后分离前的瞬间 , 列车电流通过接触电阻 引起的热能集中加热最后分离的导电斑点, 使其温 度迅速上升到材料沸点而引起爆炸式气化。在滑板 和接触线之间充满高温导电气体的条件下, 可能在 参
第 2 9卷 , 第 3期 20 08 年 5月
文章编号 : 1001 - 4632 ( 2008) 03 - 0106 - 04
中 国 铁 道 科 学 CH INA RAIL WAY SCIEN CE
Vo l 29 No 3
M ay, 2008
受电弓与接触网系统电接触特性
吴积钦, 钱清泉
( 西南交通大学 电气工程学院 , 四川 成都 摘 610031)
要 : 依据电接触理论对弓网系统电接触 特点、接 触电阻、稳 态热效 应及电 弧的产 生进行分 析研究。 结
果表明 : 弓网系统具备固定、滑动及可分离等方面的 电接触 特性 ; 弓网 系统电 火花现 象与滑板 和接触 线材料 的 导电性能密切相关 , 铜镁接触线与碳滑板 2 种较高电 阻率的 材料组合 决定了 两者的 接触电 阻比较 大 , 使得滑 动 接触过程中的电火花现象剧烈。取流量较大的电动列 车在起 步或低速 运行时 , 由接触 电阻引起 的热能 有可能 导 致滑板和接触线局部过热 , 必要时应采 取措 施减小 弓网 接触 电阻。弓 网系统 电弧 对周 围环境 虽产 生电磁 干扰 , 但却能保证电动列车正常取流的连续性。 关键词 : 弓网系统 ; 电接触特性 ; 受流 ; 受电弓 ; 接触网 中图分类号 : U 225 1 文献标识码 : A
表1
国别 欧美
[ 7]
4a
+
4a
=
+ 4a
2
( 2)
式 ( 2) 为 1 个导电斑点的接触电阻, 假设滑 板和接触线之间的导电斑点有 n 个, 导电斑点与导 电斑点间的距离比 a 值大得多, 多斑点间的收缩电 阻为并联关系, 弓网系统的接触电阻 R 为 1 + 2 R= ( 3) 4na 在考虑材料的硬度定义时 , 认为接触硬度为 [ 5] H = F2 n a ( 4)
10- 3 s 以内就形成电火花, 大量的电火花汇集成电 弧 , 电弧电压约为 10~ 20 V 。弓网恢复接触后, 电弧熄灭。弓网之间的电弧拉长到一定距离后也会 熄灭。 高速运行的列车, 其弓网系统的电弧弧根要么 与弓网一起快速移动, 要么在很短的时间内熄灭, 尽管电弧温度很高 , 但其热流对弓网系统的侵蚀却 有限, 对弓网系统的影响也有限。 高速运行中的电弧对环境产生影响, 但却能保 证电动列车取流的连续性, 这对滑动接触下的能量 传输非常重要。当然, 如果空气间隙增大 , 电流中 断 , 列车会因为电源切断而失去牵引动力。 ( 3) 受电弓的升或降一般为无负载或小负载操 作 , 弓网接触或脱离瞬间会产生电火花现象, 但不 会带来严重后果。而带大负载操作受电弓升降或电 动列车带负载进出无电区均能导致弓网间产生强烈 的燃弧现象 , 此种情况下电弧根部在滑板和接触线 的固定部件上长时间燃烧, 电弧热流会对弓网系统 带来严重后果, 这种情况是不允许的。
收稿日期 : 2007 -05 -20; 修订日期 : 2008 - 03 -05 作者简介 : 吴积钦 ( 1966
点 , 接触斑点中那些形成金属或准金属接触的更 小面 ( 实际传导电流的面) 称为 导电斑点 。
2
弓网系统的接触电阻
由接触线流向滑板的电流在导电斑点附近发生 收缩, 使电流流过的路 径增加, 有效 导电面积减 小 , 因而出现局部的附加电阻, 称为 收缩电阻 。 电流通过接触区域时还会遇到准金属接触 , 电子通 过极薄的膜时还会遇到另一附加电阻 , 称为 膜电 阻 。这两部分附加电阻在电路上是串联的, 相加