淺談弓網(wǎng)電弧對車載電氣設(shè)備的影響

陳翔

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司　江蘇　南京　210012）

淺談弓網(wǎng)電弧對車載電氣設(shè)備的影響

陳翔

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司江蘇南京210012）

本文通過研究弓網(wǎng)電弧對車載電氣設(shè)備的影響的分析，希望對提高電氣化鐵路運行的安全性和可靠性具有一定的參考意義。

軌道交通；弓網(wǎng)電弧；電氣設(shè)備；問題與措施

1　弓網(wǎng)電弧特性

母弓，現(xiàn)主要為單臂單層受電弓，德國為單臂弓。弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機理。

在理想的運行狀態(tài)下，可以將弓網(wǎng)電弧看作一種時短時連的開關(guān)，閉合時受電弓將接觸網(wǎng)和車載電氣傳動系統(tǒng)連接起來，斷開時，這時整個牽引傳動系統(tǒng)處于一種不正常的運行狀態(tài)。牽引供電基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。電流從牽引變壓器的二次側(cè)接入接觸網(wǎng)，再通過受電弓流入車載變壓器的二次側(cè)，在通過一系列車載電氣設(shè)備流入鋼軌，從而形成回路。當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)分離時，其等效電路圖如圖1（b）所示。在圖1（b）中，各參數(shù)含義如下：

圖1　牽引供電基本結(jié)構(gòu)圖

R：牽引回路的總電阻；

L1：地面牽引變壓器等效電感與牽引電流有關(guān)接觸網(wǎng)電感和鋼軌電感之和；

L2：車載牽引變壓器的等效電感，用開關(guān)K的斷開等效弓網(wǎng)分離的狀態(tài)；

K：電路開關(guān)；

i：回路電流。

從等效回路可以看出，當(dāng)回路中有電流i的時候，如果斷開開關(guān)K，則整個回路中的電流由i變?yōu)榱恪?/p>

當(dāng)次過程越段，電路中的過電壓越大，在生產(chǎn)實踐中，過電壓的大小主要受到線路分布電容和電流變化率的影響。當(dāng)線路有分布電容時，電感就會在電弧處產(chǎn)生過電壓，磁場能變成電能，因為分布電容相比電感很小，所以電弧處的過電壓是很大。當(dāng)電流變化率很大時，就會在電弧處產(chǎn)生很大的過電壓，由于電弧處實際就是一個有一定絕緣強度的氣隙，當(dāng)過電壓很大時，氣隙就會被擊穿，氣隙電阻迅速減小，電流變化率亦會降低，當(dāng)電流變化率很小時，電弧處的過電壓就會很小，氣隙就不會被再次擊穿，氣隙電阻增大。所以說電流從i變化到零的過程就是弓網(wǎng)電弧燃燒的過程，電弧消耗了電路中的大部分磁場能。弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的物理過程，也是一個動態(tài)過程，不僅取決于電壓和電流、滑板和接觸線材料，還與機車運行速度、取流量、環(huán)境氣候及氣壓有關(guān)。

2　弓網(wǎng)電弧特征及危害

弓網(wǎng)電弧在受電弓和接觸線離線時產(chǎn)生的，所以相比開關(guān)電弧弓網(wǎng)電弧在相對高速運動時，有許多其它特征。

（1）列車高速運行中產(chǎn)生電弧時，受電弓和接觸網(wǎng)之間具有切向單向相對滑動、法向快速隨機振動的特性，使得弓網(wǎng)電弧的電弧長度，弧根運動等外部形態(tài)比較復(fù)雜。

（2）弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生后，會消耗兩部分能量，一部分是電源供給的能量；另一部分是電路中的磁場能量。兩者能量比例關(guān)系需要根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)確定。

（3）弓網(wǎng)電弧消耗的能量大部分耗散在接觸線和受電弓滑板上，而由于接觸線和受電弓滑板中不含專門的觸頭材料，所以弓網(wǎng)電弧能量對接觸網(wǎng)和受電弓危害很大。

影響弓網(wǎng)電弧能量大小的因素有牽引供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性、電流和電壓大小、相對位移、大氣情況、機車運行速度等。

弓網(wǎng)電弧有三方面的危害：

（1）對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板的侵蝕和磨耗

弓網(wǎng)電弧對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板的侵蝕表現(xiàn)為加速氧化、熔融、蒸發(fā)等，侵蝕和磨耗輕則影響弓網(wǎng)穩(wěn)定受流，損壞接觸導(dǎo)線和受電弓滑板，增加維修工作量；重則導(dǎo)致接觸線斷裂，造成機車運行事故。

（2）產(chǎn)生過電壓

當(dāng)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生時，牽引網(wǎng)和高速動車的電氣傳動系統(tǒng)通過電弧連接在一起，在接觸網(wǎng)和受電弓之間的電弧上有壓降，當(dāng)電弧消失后，如果高速動車還處于離線狀態(tài)，則導(dǎo)致電路中的電流發(fā)生突變，產(chǎn)生過電壓。過電壓在接觸網(wǎng)上傳播，會給整個牽引網(wǎng)的絕緣帶來威脅；過電壓沿著受電弓進(jìn)入機車內(nèi)部，可能對機車電氣設(shè)備、電力電子器件造成損壞，對高速動車的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

（3）產(chǎn)生高頻噪聲

電弧產(chǎn)生時向周圍發(fā)射高頻噪聲，對機車沿線的通訊信號和無線電信號造成很大的干擾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致通訊間斷和無線電信號失效等現(xiàn)象。另外，高頻噪聲還對機車的控制信號有影響，是機車安全運行的隱患。

3　弓網(wǎng)電弧對車載電氣設(shè)備的影響

弓網(wǎng)電弧將會導(dǎo)致過電壓、直流分量和諧波的產(chǎn)生。過電壓對機車電氣設(shè)備、電力電子器件造成損壞；直流分量通過車載電氣回路注入車載牽引變壓器，將會引起變壓器直流偏磁。諧波也可能對列車的控制系統(tǒng)造成干擾，嚴(yán)重影響高速列車的運行安全性。

3.1弓網(wǎng)電弧仿真

本文針對弓網(wǎng)電弧對車載電氣設(shè)備的影響展開研究，首先就需要分析弓網(wǎng)電弧在電力列車高速運動下電流和電壓波形變化。

為了客觀真實的觀察和測量弓網(wǎng)電弧的物理特征（電壓和電流波形），分別從仿真和實驗中通過做弓網(wǎng)電弧放電的實驗得到弓網(wǎng)電弧的電壓和電流波形，用MATLAB/Simulink仿真分析了弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生過程中的電壓、電流的時間特性。

3.2弓網(wǎng)電弧模擬實驗

接觸網(wǎng)是由固定在絕緣盤上閉合接觸線組成的，通過計算機控制裝置設(shè)定變頻器的調(diào)速，從而控制轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，帶動接觸導(dǎo)線的運動，實現(xiàn)了接觸導(dǎo)線和受電弓之間的相對運動。受電弓部分的升降是采用PLC控制，控制受電弓的升降高度，滑板在x、y、z三個方向上移動，保證了接觸導(dǎo)線在受電弓上做之字形運動。完全模擬高速列車弓網(wǎng)之間的實際相對運動。

3.3弓網(wǎng)電弧過電壓對變壓器的影響

電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高。屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運行。

4　結(jié)語

弓網(wǎng)電弧在機車的運行中會產(chǎn)生諧波，過電壓和直流分量，它們嚴(yán)重影響了高速列車的安全運行，規(guī)律如下：

（1）弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的諧波隨著列車速度的增加，負(fù)載阻抗的增加而增加，諧波將會導(dǎo)致車載電氣設(shè)備效率降低，對鐵路信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，引發(fā)誤操作，嚴(yán)重危害高速列車的運行安全。

（2）弓網(wǎng)電弧在自身消失的時候?qū)е码娫措娏骰儯a(chǎn)生過電壓，本文仿真試驗中的過電壓是63.6kV，是電源電流的2.3倍，過電壓將會擊穿牽引變壓器和變流器絕緣設(shè)備，導(dǎo)致?lián)p壞，對高速列車安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（3）弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的直流分量進(jìn)入牽引變壓器后，當(dāng)所加直流量達(dá)到50A時磁感應(yīng)強度增加率大幅度減少，到200A時變壓器磁感應(yīng)強度趨于穩(wěn)定，說明變壓器鐵芯己經(jīng)嚴(yán)重過飽和。其結(jié)果是加劇鐵芯磁通密度的飽和程度，從而引起噪聲、過熱和振動等問題。

U264.3+4

A

1673-0038（2015）23-0302-02

2015-5-23