弓網(wǎng)電弧等離子體光譜特性實(shí)驗(yàn)

胡 怡魏文賦雷 棟高國強(qiáng)吳廣寧

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031 2. 中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所 北京 100081）

弓網(wǎng)電弧等離子體光譜特性實(shí)驗(yàn)

胡 怡1魏文賦1雷 棟2高國強(qiáng)1吳廣寧1

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031 2. 中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所 北京 100081）

弓網(wǎng)電弧等離子體具有高溫度、高能量的特點(diǎn)，對高速鐵路弓網(wǎng)電接觸的性能造成了威脅?；诠W(wǎng)電弧模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用光譜診斷法對弓網(wǎng)電弧等離子體進(jìn)行研究。對輻射的主要特征譜線進(jìn)行標(biāo)識(shí)和歸屬，并計(jì)算弓網(wǎng)電弧等離子體的激發(fā)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、振動(dòng)溫度和電子密度。此外，還研究了電源輸出電流對激發(fā)溫度和電子密度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弓網(wǎng)電弧等離子體對接觸網(wǎng)銅導(dǎo)線和浸金屬碳滑板強(qiáng)烈的燒蝕作用會(huì)產(chǎn)生豐富的銅原子譜線、鐵原子譜線和CN B2∑+→X2∑+譜線。同時(shí)，基于Boltzmann斜線法，發(fā)現(xiàn)了弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度隨電流的增加而增加。通過擬合電弧等離子體中CN B2∑+→X2∑+譜線，可知在30A電流條件下，弓網(wǎng)電弧等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度分別達(dá)到6 800K和9 000K。最后，討論了特征譜線的展寬機(jī)制，并利用Cu I 521.82nm譜線，探討了弓網(wǎng)電弧等離子體的電子密度隨電流的增加而上升的情況。

弓網(wǎng)電弧等離子體 發(fā)射光譜 激發(fā)溫度 轉(zhuǎn)動(dòng)溫度 振動(dòng)溫度

0 引言

弓網(wǎng)關(guān)系作為高速鐵路關(guān)系安全運(yùn)行的三大基礎(chǔ)關(guān)系之一，保障著動(dòng)車組的穩(wěn)定受流[1,2]。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的提升，受電弓與接觸網(wǎng)之間的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致弓網(wǎng)離線頻繁，弓網(wǎng)電弧頻發(fā)。電弧等離子體有高能量、高溫度的特點(diǎn)，不僅會(huì)使電力系統(tǒng)或設(shè)備承受高頻振蕩過電壓[3,4]，還會(huì)嚴(yán)重?zé)g受電弓和接觸網(wǎng)，影響列車的行車安全[5,6]。由于目前在高速列車的運(yùn)營現(xiàn)場，并不具備對弓網(wǎng)電弧等離子體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件，主要側(cè)重于外部電氣參數(shù)的測量，并不能直觀地反映出燃弧的強(qiáng)度。對弓網(wǎng)電弧等離子體的燃燒機(jī)理進(jìn)行研究，有利于對其進(jìn)行抑制，其中對溫度的測量就是上述研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

弓網(wǎng)電弧等離子體處于高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的強(qiáng)氣流場中，內(nèi)部包含大量的分子、原子和離子。光譜是粒子狀態(tài)發(fā)生躍遷時(shí)，所釋放出波長不同的電磁輻射，按電磁輻射的本質(zhì)將光譜區(qū)分為：原子光譜、分子光譜、X射線能譜、γ 射線能譜等種類。目前國內(nèi)外相關(guān)研究人員針對弓網(wǎng)電弧的實(shí)驗(yàn)開展了大量的工作，但主要都集中于對其電氣特性的探索。S. Midya等[7,8]研究了高速鐵路情況下弓網(wǎng)電弧的現(xiàn)象，主要分析了速度和電流等因素對弓網(wǎng)電弧的影響和作用機(jī)制。L. Morin等[9]研究了不同負(fù)載對電弧能量的影響機(jī)制，結(jié)果表明感性負(fù)載回路中電弧能量明顯高于阻性負(fù)載回路中的電弧能量。吳廣寧等[5,10]基于自行研制的弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了電弧對受電弓滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線的侵蝕現(xiàn)象，并對弓網(wǎng)電弧的抑制措施進(jìn)行了初步探索。

然而對于弓網(wǎng)電弧等離子體特性的實(shí)驗(yàn)研究，目前還較少見諸報(bào)端。近年來，隨著光譜儀等光學(xué)設(shè)備的發(fā)展，使用光學(xué)的方法診斷等離子體參數(shù)變得更加簡便、有效、精確。目前針對大氣壓等離子體參數(shù)診斷方式常用Langmuir探針法和光學(xué)診斷法，但探針法會(huì)對等離子體本身造成干擾，影響診斷結(jié)果準(zhǔn)確性。斯紅等[11]利用發(fā)射光譜法，分析了TIG焊接電弧的計(jì)算譜線選擇規(guī)則和其溫度場分布。張喬根等[12]對染污絕緣子表面的局部電弧，基于光譜診斷手段，分析了其內(nèi)部溫度和電子密度隨泄漏電流的變化情況。對于等離子體輻射的分子光譜，彭志敏等[13]基于火焰發(fā)射光譜，利用光學(xué)多通道分析儀，對OH自由基和CH自由基的實(shí)驗(yàn)光譜和理論計(jì)算光譜進(jìn)行對比，分析了轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度。屠昕等[14]基于N2+的B2∑+→X2∑+譜帶對電弧等離子體的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度進(jìn)行了測量，并分析了轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度對譜帶輪廓的影響機(jī)制。周亦驍?shù)萚15]測量了大氣壓下Ar/O2和Ar/H2O等離子體射流的發(fā)射光譜，并分析了轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度隨外加電壓幅值的變化情況。

本文基于弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬列車運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)振動(dòng)情況，產(chǎn)生電弧并利用光譜儀采集其發(fā)射光譜，選取合適的譜線，基于Boltzmann斜線法，計(jì)算了在不同電流下，弓網(wǎng)電弧等離子體的激發(fā)溫度。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)光譜與理論計(jì)算光譜進(jìn)行擬合，得到了等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度。討論了弓網(wǎng)電弧等離子體的特征譜線展寬機(jī)制，并利用譜線的展寬，分析了在不同電流下弓網(wǎng)電弧等離子體的電子密度。

1 弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

課題組研制了一套弓網(wǎng)電弧模擬系統(tǒng)[5]，為保證模擬的準(zhǔn)確性，受電弓滑板和接觸線材料與實(shí)際弓網(wǎng)系統(tǒng)一致，分別為銅合金接觸網(wǎng)導(dǎo)線和浸金屬碳滑板，滑板的主要組分見表1。弓網(wǎng)電弧光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示。

表1 浸金屬碳滑板組分含量Tab.1 Component content of pantograph strips

圖1中箭頭方向分別表示接觸線導(dǎo)線CW和受電弓滑板P的運(yùn)動(dòng)方向。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤W帶動(dòng)接觸導(dǎo)線。受電弓滑板的運(yùn)動(dòng)受工控機(jī)IPC控制，由伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行操作，可縱向模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)，整個(gè)弓網(wǎng)系統(tǒng)由直流電源S供電，其電壓可調(diào)范圍為0～80V，電流范圍為0～60A。同時(shí)利用示波器采集電弧電壓、電流波形，示波器型號為Tektronix MDO3024，帶寬200MHz。

圖1 弓網(wǎng)電弧光譜實(shí)驗(yàn)裝置S—電源R—列車負(fù)載電阻L—列車負(fù)載電感 W—轉(zhuǎn)盤CW—接觸網(wǎng)導(dǎo)線 P—受電弓滑板 PC Plasma—弓網(wǎng)電弧等離子體SP—光譜儀 F—光纖 IPC—工控機(jī)Fig.1 The pantograph-catenary arc test device

弓網(wǎng)電弧是一種典型氣體放電現(xiàn)象，其電壓主要由陰極電壓降、陽極電壓降和弧柱電壓共同構(gòu)成，其中陰極和陽極電壓降與電弧所處氣體和電極材料有關(guān)，在空氣中分別取值約為8～11V和3～12V[16]，而弧柱電壓與電弧長度有關(guān)，其單位約為15V/mm[17]。所以當(dāng)弓網(wǎng)間隙為4mm時(shí)，弓網(wǎng)電弧的電壓為80V左右。在牽引供電系統(tǒng)中，27.5kV的電壓主要消耗在車體、牽引變壓器等大阻抗器件，實(shí)際的小間隙弓網(wǎng)電弧電壓值也較小，與本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝置仍具一定等效性。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧時(shí)，通過光譜儀對弓網(wǎng)電弧等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行采集，將采集的光譜存儲(chǔ)至工控機(jī)，以便處理。實(shí)驗(yàn)所采用的是PG-2000光譜儀，其具體參數(shù)見表2。

表2 PG-2000光譜儀參數(shù)Tab.2 Parameters of PG-2000 spectroscope

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M電力機(jī)車在高速運(yùn)行時(shí)，由于弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)，產(chǎn)生電?。河晒た貦C(jī)控制伺服電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)受電弓滑板在接觸線下方振動(dòng)，滑板的最高位置是與接觸線恰好接觸上。振動(dòng)頻率為1Hz，振動(dòng)間距固定設(shè)置為4mm，光譜儀的積分時(shí)間為100μs。

在弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行受電弓滑板和接觸線從接觸到分離的一次完整拉弧過程，采集到弓網(wǎng)電弧典型的電壓和電流波形如圖2所示。在拉弧過程中，在圖中Q點(diǎn)處，滑板和接觸線分離，電弧產(chǎn)生，隨著弓網(wǎng)間隙增大，電壓逐漸增大，電流始終保持恒定，在1s后弓網(wǎng)電弧熄滅，此時(shí)弓網(wǎng)間隙的電壓等于電源電壓，電流為零。

圖2 弓網(wǎng)電弧電壓、電流波形Fig.2 The voltage and current waveforms of pantograph-catenary arc

2 弓網(wǎng)電弧輻射譜

2.1 弓網(wǎng)電弧等離子體光譜特性分析

經(jīng)光譜儀校正曲線校正后，得到直流電流30A的情況下，弓網(wǎng)電弧等離子體波長范圍為350～500nm和500～800nm的光譜特征譜線分別如圖3a和圖3b所示。對特征譜線進(jìn)行比對和分析，其粒子類型和波長均如圖3所示。

從圖3中可以看到弓網(wǎng)電弧等離子體輻射光譜存在以下信息：

（1）弓網(wǎng)電弧等離子體輻射光譜主要由Cu原子譜線構(gòu)成，這是因弓網(wǎng)電弧等離子體對銅接觸線和受電弓碳滑板強(qiáng)烈的燒蝕作用導(dǎo)致。除Cu原子譜線外，還觀測到了其他金屬元素（如Fe）的特征譜線，這是由于受電弓碳滑板和銅鎳導(dǎo)線中均含有微量的鐵。除此之外，還有Cu+離子特征譜線，但譜線強(qiáng)度較低，其原因是Cu+離子的激發(fā)能遠(yuǎn)大于激發(fā)Cu原子的能量。

圖3 弓網(wǎng)電弧等離子體輻射光譜Fig.3 The emission spectrum of pantographcatenary arc plasma

（2）此外，還觀測到了CN自由基B2∑+→X2∑+電子帶系譜帶，其產(chǎn)生主要是受電弓碳滑板在弓網(wǎng)電弧等離子體燒蝕下會(huì)產(chǎn)生C2分子，與空氣中的氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)C2+N2=2CN。

（3）在弓網(wǎng)電弧等離子體輻射光譜中還有O I 777.53nm的特征譜線，O原子的激發(fā)也是由于高能電子的碰撞，可能還會(huì)影響弓網(wǎng)電弧等離子體的燃燒強(qiáng)度。

2.2 Boltzmann法測激發(fā)溫度

弓網(wǎng)電弧等離子體是一種由中性粒子和帶電粒子共同組成，整體呈電中性的氣體。根據(jù)統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，溫度是一個(gè)統(tǒng)計(jì)的概念，在等離子體中，某種粒子各自由度下的平均能量對應(yīng)著不同的溫度，對于分子的平動(dòng)、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度分別有平動(dòng)溫度、振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。電子溫度是指等離子體中自由電子的平動(dòng)溫度，而激發(fā)溫度對應(yīng)的是原子或離子（重粒子）內(nèi)部束縛態(tài)電子的激發(fā)自由度。只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到完全熱力學(xué)平衡時(shí)，即各自由度的溫度相同時(shí)，系統(tǒng)才具有一個(gè)統(tǒng)一的熱力學(xué)溫度[18]。

等離子體的激發(fā)溫度是影響輻射譜線強(qiáng)度的重要因素[19]。不考慮共振光電子激發(fā)過程，輻射譜線強(qiáng)度與等離子體溫度的關(guān)系為

式中，I為譜線強(qiáng)度；T為等離子體溫度；n為等離子體的中性粒子密度；Aul為躍遷幾率；h為普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·s；v為譜線的頻率；gu為上能級統(tǒng)計(jì)權(quán)重；Z為原子配分函數(shù)；Eu為高能態(tài)激發(fā)能；k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K。

對式（1）進(jìn)行變換后，左右兩端取對數(shù)得

式中，λ為譜線波長。

當(dāng)式（2）中的激發(fā)能單位為eV（1eV=11 600K）時(shí)；玻耳茲曼常數(shù)k經(jīng)換算后為8.618×10-5eV/K；從式（2）可知與Eu是線性關(guān)系，對于同種原子的多條譜線，以和Eu分別作為橫、縱坐標(biāo)描出各點(diǎn)，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合直線的斜率為-1/(kT)。

由圖3可知，弓網(wǎng)電弧等離子體中含有大量的Cu原子譜線，通過NIST查詢到Cu原子特征譜線的參數(shù)，見表3。

表3 Cu原子特征譜線參數(shù)Tab.3 Parameters of copper atomic characteristic spectral lines

由于在利用譜線強(qiáng)度計(jì)算電子溫度時(shí)，需要使用躍遷幾率，但理論計(jì)算躍遷幾率值往往存在較大的不確定度，影響弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性，為減小誤差，通常會(huì)選擇多譜線進(jìn)行擬合[20]。除此之外，對于計(jì)算溫度的譜線選擇而言，還需考慮其強(qiáng)度情況，強(qiáng)度越低的譜線也越容易受背景噪聲干擾。I. L. Babich等[21]針對Cu原子譜線的躍遷幾率的準(zhǔn)確性情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Cu I 529.25nm譜線強(qiáng)度可能受N I發(fā)射譜線強(qiáng)度的干擾，會(huì)較為偏離Boltzmann圖的擬合結(jié)果，所以在弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度的計(jì)算中不采用。此外，Cu I 793.31nm在NIST中未能查詢到躍遷幾率，也同樣不能用于計(jì)算。

綜上所述，針對弓網(wǎng)電弧等離子電子激發(fā)溫度的計(jì)算，選擇Cu I 465.11nm、Cu I 510.55nm、Cu I 515.32nm、Cu I 521.82nm、Cu I 570.02nm和Cu I 578.21nm六條譜線，其擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)電弧等離子體Boltzmann圖Fig.4 The Boltzmann plot of pantographcatenary arc plasma

通過線性擬合，最后得到在電流為30A，如圖4的實(shí)驗(yàn)條件情況下，弓網(wǎng)電弧等離子體的Boltzmann圖的斜率為-1.508 7×10-4，計(jì)算得到激發(fā)溫度為4 163K。其不確定度可根據(jù)式（3）[22]得出。

在弓網(wǎng)系統(tǒng)離線過程中，弓網(wǎng)電弧等離子體是弓網(wǎng)系統(tǒng)唯一的導(dǎo)電通道。接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)和電力機(jī)車構(gòu)成了牽引供電回路，電弧中的電流會(huì)發(fā)生變化。由于弓網(wǎng)電弧燃弧不穩(wěn)定，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在同一電流下，共進(jìn)行了20次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。利用弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了在不同電流情況下，弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度隨電流的增大有上升趨勢，這是因?yàn)殡娀≈械碾娏髟龃?，注入弓網(wǎng)電弧等離子體的能量也隨之增大，導(dǎo)致激發(fā)溫度上升。弓網(wǎng)電弧等離子體燃弧隨機(jī)性較強(qiáng)，隨著電流增大，激發(fā)溫度范圍也變大。當(dāng)電流值從30A增至60A，弓網(wǎng)電弧等離子體的激發(fā)溫度平均值由4 258K上升到4 763K。

圖5 弓網(wǎng)電弧等離子體激發(fā)溫度與電流的關(guān)系Fig.5 Relationship of excitation temperature and current of pantograph-catenary arc plasma

2.3 電弧等離子體的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度

在不同電流情況下的弓網(wǎng)電弧等離子體光譜中，均檢測到了CN分子自由基B2∑+→X2∑+電子帶系，CN分子屬于雙原子分子，其分子結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)大，較易識(shí)別，特別是在高溫（6 000K以上）情況，相對其他分子自由基更為穩(wěn)定[23]。

對于CN分子而言，由于內(nèi)部不同電子能級的躍遷產(chǎn)生譜帶群，弓網(wǎng)電弧等離子體中的CN的B2∑+→X2∑+躍遷形成了CN violet光譜群，而兩個(gè)電子能級B2∑+和X2∑+中的振動(dòng)能級間發(fā)生躍遷，形成譜帶（v′,v′′），而每一個(gè)譜帶間振動(dòng)能級的所有轉(zhuǎn)動(dòng)能級發(fā)生躍遷，形成譜線[24]。而譜線的波長極為靠近，受光譜儀分辨率的限制，只能呈現(xiàn)具有一定輪廓的譜線。對于弓網(wǎng)電弧等離子體而言，通過對其輻射光譜的輪廓進(jìn)行擬合，可以分析其振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。

首先假定弓網(wǎng)電弧等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度，通過LIFBASE仿真軟件計(jì)算該轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)溫度下CN violet分子的輻射光譜的譜線形狀，與實(shí)驗(yàn)測量的譜帶形狀進(jìn)行對比，通過Peak correlation和R-square兩個(gè)參數(shù)判斷擬合程度，最終確定CN分子的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。

對CN自由基B2∑+→X2∑+電子帶系譜帶在波長390～425nm處進(jìn)行擬合，該譜帶區(qū)域包含了CN violet帶系的Δν=0和Δν=-1兩個(gè)振動(dòng)能級變化帶，圖6為利用LIFBASE進(jìn)行譜帶擬合的CN自由基譜帶和實(shí)驗(yàn)測量的弓網(wǎng)電弧等離子體譜帶比對圖，經(jīng)LIFBASE擬合的結(jié)果，擬合參數(shù)最優(yōu)情況為Peak correlation=0.98和R-square=59，此時(shí)弓網(wǎng)電弧等離子體的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度分別為9 000K和6 800K。

由圖6可以看出，CN B2∑+→X2∑+自由基仿真的光譜結(jié)果在兩個(gè)振動(dòng)帶都與實(shí)驗(yàn)的譜線符合較好。由于CN分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級間的能級差較小，其布居主要決定于重粒子的非彈性碰撞，轉(zhuǎn)動(dòng)能級的激發(fā)只需要較短時(shí)間，即所對應(yīng)的弛豫時(shí)間也較小。所以通常在大氣壓等離子體中，認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約等于氣體溫度[25,26]。

對于弓網(wǎng)電弧等離子體而言，轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和激發(fā)溫度不相等，原因可能是，在該實(shí)驗(yàn)條件下，弓網(wǎng)電弧等離子體偏離局部熱平衡狀態(tài)，Boltzmann法計(jì)算得到的激發(fā)溫度僅能反映等離子體中原子內(nèi)部束縛態(tài)電子能級的布居情況，并不能反映等離子體中自由電子的溫度[27]。

圖6 CN自由基B2∑+→X2∑+光譜擬合圖Fig.6 Fitting spectrum of CN violet(B2∑+→X2∑+)

2.4 弓網(wǎng)電弧等離子體的電子密度

本文利用了譜線展寬效應(yīng)，計(jì)算弓網(wǎng)電弧等離子體中的電子密度。輻射原子和離子在周圍電子和離子擾動(dòng)下會(huì)引起譜線展寬，通過測量譜線展寬計(jì)算電子密度是一種簡單且可定量分析的手段，目前在電弧等離子體、激光誘導(dǎo)等離子體等都得到了大量應(yīng)用，并適用于當(dāng)局部熱平衡不占優(yōu)勢的等離子體[28]。

弓網(wǎng)電弧等離子體特征譜線的線型主要是由幾種不同的加寬機(jī)制共同作用導(dǎo)致的，包括自然展寬、儀器展寬、多普勒展寬和碰撞展寬[29]。

其中多普勒展寬來源于原子或離子的熱運(yùn)動(dòng)，對于處于局部熱平衡情況的等離子體，認(rèn)為原子和離子的分布滿足Maxwell速率分布，該展寬機(jī)制作用下的譜線線型為Gauss線型。儀器展寬由光譜儀的狹縫寬度和散射情況決定，可通過汞燈等標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行標(biāo)定。而碰撞展寬主要是因電子或離子對等離子體中的原子或離子進(jìn)行碰撞，所引起的的展寬效應(yīng)，稱為Stark展寬，該展寬機(jī)制作用下的譜線線型為Lorenz線型[30]。

在Doppler展寬和Stark展寬的共同作用下，等離子體的譜線線型可近似由高斯線型和洛倫茲線型共同組成的Voigt函數(shù)擬合[31]。

利用Origin 9.0中的Voigt函數(shù)對Cu I 521.82nm處的譜線展寬進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示，擬合參數(shù)表征量R2=0.979，說明譜線形狀與Voigt線型擬合良好。

圖7 Cu I 521.82nm擬合曲線Fig.7 The fitting curve of copper atomic line at 521.82nm

譜線實(shí)際Stark半展寬為

由于多普勒展寬反映的是原子和離子的熱運(yùn)動(dòng)，所以與離子（重粒子）的溫度有關(guān)，計(jì)算弓網(wǎng)電弧等離子體Cu I 521.82nm處的多普勒半寬，其計(jì)算公式為

式中，Ti為重粒子溫度（即Boltzmann斜線法所對應(yīng)溫度）；λ0為譜線中心波長；c為光速；m為原子質(zhì)量。經(jīng)過計(jì)算得到的多普勒展寬僅為0.002 4nm，并不是弓網(wǎng)電弧等離子體中譜線展寬的主要因素，可忽略其影響。

輻射譜線的Stark半展寬和電子密度的關(guān)系為

式中，第一項(xiàng)主要對應(yīng)的是電子的碰撞效應(yīng)，第二項(xiàng)是考慮了準(zhǔn)靜態(tài)的離子電場作用。在實(shí)際計(jì)算中，通常都是忽略第二項(xiàng)的作用，則式（6）簡化為

式中，w為電子對特征譜線的展寬系數(shù)，與溫度的關(guān)聯(lián)性極小[32]，利用文獻(xiàn)[33]中Cu I 521.82nm的展寬系數(shù)，對于擬合曲線的FWHM扣除儀器展寬，最后計(jì)算得到弓網(wǎng)電弧等離子體電子密度為1.02× 1017cm-3左右。

在不同電流下，弓網(wǎng)電弧等離子體的電子密度的變化情況如圖8所示。

圖8 在不同電流下弓網(wǎng)電弧等離子體電子密度Fig.8 Electron density of pantograph-catenary arc plasma at different current

從圖8中可以看出，隨著弓網(wǎng)電弧等離子體電流的增加，注入電弧的能量增加，內(nèi)部原子和分子粒子發(fā)生電離增多，導(dǎo)致電子密度增加，直流電流由30A變化至60A時(shí)，電子密度的平均值由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

3 結(jié)論

1）弓網(wǎng)電弧等離子體的光譜中含有豐富的特征譜線，主要包括銅原子、銅離子、氧原子、鐵原子和CN B2∑+→X2∑+自由基分子，譜線和譜帶并存，所輻射譜線表明弓網(wǎng)電弧等離子體對浸金屬碳滑板和接觸網(wǎng)銅鎳導(dǎo)線均存在著強(qiáng)烈的燒蝕作用。

2）通過Boltzmann法分析了弓網(wǎng)電弧等離子體的激發(fā)溫度，并分析了電流對激發(fā)溫度的影響。當(dāng)電流由30A增至60A，激發(fā)溫度從4 258K上升到4 763K。利用弓網(wǎng)電弧等離子體輻射光譜中CN violet分子進(jìn)行擬合，最終得到在電流30A的情況下，弓網(wǎng)電弧等離子體的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度分別為9 000K和6 800K。轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和激發(fā)溫度不等表明弓網(wǎng)電弧等離子體在該實(shí)驗(yàn)條件下偏離局部熱平衡狀態(tài)。

3）弓網(wǎng)電弧等離子體中的譜線展寬的作用機(jī)制主要是Stark展寬，隨著弓網(wǎng)電弧等離子體的電流從30A變?yōu)?0A，電子密度由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

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Experimental Investigation on Spectral Characteristics of Pantograph-Catenary Arc Plasma

Hu Yi1Wei Wenfu1Lei Dong2Gao Guoqiang1Wu Guangning1
（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China 2. Standards & Metrology Research Institute China Academy of Railway Sciences Beijing 100081 China）

Pantograph-catenary arc plasma, with high temperature and high energy density, can severely threaten the electrical contact performance of pantograph-catenary system in high speed railway. In this paper, pantograph-catenary arc experiments were conducted based on arc simulative platform in laboratory. The characteristic of pantograph-catenary arc plasma was studied by spectral diagnosis method, and then the primary characteristic lines were recognized and classified. The excitation temperature, rotational temperature, vibrational temperature and electron density were also calculated, respectively. Meanwhile, the influence of input current on excitation temperature and electron density was analyzed. The results show that abundant copper, iron and CN B2∑+→X2∑+characteristic lines would occur due to the intense erosion effects of pantograph-catenary arc plasma on copper wire and metal impregnated strips. In addition, it is found that the excitation temperature of pantograph-catenary arc plasma increases with the increase of current based on Boltzmann plot. The rotational temperature and vibrational temperature reach up to 6 800K and 9 000K respectively when the current is 30A, according to the theoretical calculation with the spectral line of CN B2∑+→X2∑+. Furthermore, the broadening mechanism of characteristic lines was discussed, and by Cu I 521.82nmcharacteristic line the increasing tendency of electron density with the input current was analyzed.

Pantograph-catenary arc plasma, emission spectrum, excitation temperature, rotational temperature, vibration temperature

TM89

胡 怡 女，1993年生，碩士，研究方向?yàn)楦咚勹F路弓網(wǎng)電弧。

E-mail: yhuswjtu@foxmail.com

魏文賦 男，1987年生，博士，講師，研究方向?yàn)榉烹姷入x子體。

E-mail: wfwei@home.swjtu.edu.cn（通信作者）

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1234202、51325704、51577158、51607147）。

2016-05-30 改稿日期 2016-08-14