站內工況下降弓電弧特性的仿真研究*

高國強, 李成坤, 魏文賦, 楊澤峰, 陳少昆,段緒偉, 朱約輝, 廖仕明, 陶桂東

(1.西南交通大學 電氣工程學院, 四川 成都 611756;2.蘇州東南佳新材料股份有限公司, 江蘇 蘇州 215000;3.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 山東 青島 266000)

0 引 言

受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)(簡稱弓網(wǎng)系統(tǒng))作為列車能量供給的唯一途徑,良好的弓網(wǎng)服役性能對于保證列車安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義[1-2]。然而,由于車體振動、軌道不平順、升降弓操作、接觸線覆冰等因素而引發(fā)的弓網(wǎng)電弧會劣化弓網(wǎng)服役性能,威脅列車安全穩(wěn)定運行[3]。一方面,降弓電弧頻發(fā)使得列車車頂高壓設備以及牽引傳動系統(tǒng)頻繁遭受過電壓沖擊,并且降弓電弧產(chǎn)生的電磁干擾會影響通信信號傳輸[4-5]。另一方面,弓網(wǎng)電弧是一種高溫等離子體,能夠在短時間內使受電弓滑板以及接觸線熔化、氣化、飛濺,燒蝕降弓接觸面,影響弓網(wǎng)的接觸性能,劣化弓網(wǎng)之間的電能傳輸質量[6-7]。根據(jù)降弓電弧在實際運行時的運動情況,降弓電弧分為運動電弧與靜止電弧。運動電弧是電弧弧根一直在受電弓滑板與接觸線表面運動,電弧燒蝕某一點的時間較短,能量注入少;而靜止電弧是電弧弧根在受電弓滑板與接觸線表面停滯,因此對于弓網(wǎng)系統(tǒng)具有較長時間的燒蝕。靜止電弧對于接觸線材料的燒蝕尤為明顯,電弧燒蝕接觸線造成接觸線抗拉伸能力降低,嚴重時將導致接觸線斷線引發(fā)事故[8-12],接觸線斷裂圖如圖1所示。當列車駛入站內時,將會進行降弓操作,產(chǎn)生的降弓電弧屬于靜止電弧。因此,研究降弓過程弓網(wǎng)電弧的特性對于指導實際降弓操作,優(yōu)化設計接觸線,研制抗燒蝕、抗拉伸能力強的接觸線具有指導意義。

目前,針對降弓電弧已經(jīng)展開了部分相關研究。文獻[13]研究了靜態(tài)升/降弓時弓網(wǎng)電弧的穩(wěn)態(tài)特性,研究了不同電流情況下的電弧溫度、接觸線溫度以及受電弓滑板溫度分布情況,發(fā)現(xiàn)受電弓滑板的磨損情況比接觸線更嚴重。文獻[14-15]研究了靜態(tài)升/降弓弓網(wǎng)電弧特性,分析了不同弓網(wǎng)間隙、不同接觸線廓形條件下的弓網(wǎng)電弧溫度、受電弓滑板溫度、接觸線溫度的分布情況。研究發(fā)現(xiàn),弓網(wǎng)間隙越大受電弓滑板與接觸線溫度越高,弓網(wǎng)電弧溫度變化不大。當接觸線半徑增加到8 mm時,接觸線表面溫度有一定程度的降低,繼續(xù)增加接觸線半徑,接觸線溫度變化不大。

文獻[3]研究了降弓過程弓網(wǎng)電弧的動態(tài)特性,分析了不同降弓速度、不同電流情況下的電弧溫度特性、電弧電阻特性,并且發(fā)現(xiàn)了影響電弧溫度分布的旋渦,但并未考慮電弧與受電弓滑板接觸線之間的能量傳遞。實際降弓過程中,會先斷開真空斷路器(VCB),因此回路電流低于20 A。上述研究的電流均在50 A及以上,不能反映實際降弓過程電弧、接觸線的特性。實際降弓過程處于開放的大氣環(huán)境中,自然風對于弓網(wǎng)電弧的影響也是一個重要的因素。文獻[16]基于鏈式電弧模型研究了風載荷作用下的高速動車組升降弓拉弧特性,分析了不同風速情況下的弓網(wǎng)電弧拉弧形態(tài),但是該模型僅能反映電弧的形態(tài)與力學特性。

本文針對降弓過程電弧特性展開研究,考慮自然風因素的影響,運用Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件分析不同降弓速度以及不同自然風速作用下的降弓電弧特性。

1 模型描述

1.1 降弓電弧產(chǎn)生機理

當列車駛入站內時,受電弓滑板與接觸線仍舊處于接觸狀態(tài),列車通過弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能。然后,列車會斷開車載VCB,以免VCB閉合時大電流降弓電弧燒蝕弓網(wǎng)材料造成接觸線斷裂等事故。車載VCB斷開后,回路整體電流低于20 A。受電弓滑板與接觸線最初接觸,隨著降弓裝置的啟動,受電弓滑板與接觸線逐漸分離,其過程相當于開關由“閉合”到“打開”。當受電弓滑板與接觸線開始分離時,弓網(wǎng)之間的接觸面積逐漸減小,接觸電阻相應增大,接觸面的焦耳熱溫升急劇上升。在熱發(fā)射和場致發(fā)射的聯(lián)合作用下,弓網(wǎng)間隙被擊穿形成降弓電弧。

電弧形成以后,電弧的電磁場、熱場、氣熱場相互耦合,影響電弧的各項物性參數(shù)[17-19],降弓電弧多物理場耦合如圖2所示。因此,基于磁流體動力學理論建立降弓電弧多物理場耦合分析模型,研究降弓過程的降弓電弧特性。

1.2 幾何模型與材料

圖3所示為本文采用的弓網(wǎng)系統(tǒng)的二維仿真幾何模型。幾何模型的接觸線半徑與真實的接觸線半徑一致為6.5 mm,弓網(wǎng)之間的初始間隙為4 mm。

仿真采用的接觸線為銅錫合金接觸導線,受電弓滑板為銅基粉末冶金滑板,受電弓滑板與接觸線物性參數(shù)如表1所示。

表1 受電弓滑板與接觸線物性參數(shù)

1.3 物理模型與控制方程

電弧等離子體的物性參數(shù)包括電導率、熱導率、比熱、密度、動力黏度等。電弧的物性參數(shù)是溫度的函數(shù),電弧等離子體處于局部熱力學平衡狀態(tài)(LTE)。

弓網(wǎng)電弧仿真模型基于磁流體動力學模型建立,由質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及電磁場方程構成。

質量守恒方程:

(1)

式中:ρ——密度;

v——速度矢量;

t——時間。

動量守恒方程:

(2)

式中:T——溫度;

p——壓強;

I——單位矩陣;

μ——動力黏度;

J——電流密度;

B——磁感應強度。

能量守恒方程:

(3)

(4)

式中:Cp——熱容量;

k——導熱系數(shù);

Q——等離子體熱源;

kB——玻爾茲曼常數(shù);

e——電子電荷;

E——電場強度;

Qrad——體積輻射量。

電磁場方程:

·(-σφ)=0

(5)

E=-φ

(6)

×(×A)=-μJ

(7)

B=×A

(8)

J=σE

(9)

式中:σ——電導率;

φ——電勢;

A——磁矢勢。

式(2)中的J×B為洛倫茲力項。式(4)中右側第一項為焓傳遞項,第二項為焦耳熱源項,第三項為輻射源項。

1.4 邊界條件

由于弓網(wǎng)電弧完全暴露在開放的大氣環(huán)境中,因此空氣求解區(qū)域的外部邊界ab,bc邊界設置為壓力出口,氣壓為1個標準大氣壓。ad邊界設置為氣流入口,表示自然風的作用。同時,將ab、bc、ad邊界的溫度設置為300 K。接觸線底部設置為電流密度邊界條件,電流密度邊界條件為[20]:

(10)

式中:Jmax——與電流相關的常數(shù)。

邊界ef設置為接地極,電勢j為0。

2 仿真結果分析

仿真了降弓速度分別為0.50、0.75、1.00 m/s時的降弓電弧特性,同時由于大部分自然條件下的風速等級為微風,因此選擇自然風速分別為1、2、3、4、5 m/s進行分析。模型的輸入電流與實際降弓時的電流接近,設置為20 A。仿真分析的時間為10 ms,時間步長為0.1 ms。

2.1 不同降弓速度下的弓網(wǎng)電弧特性

為了研究不同降弓速度條件下的降弓電弧特性,仿真研究了無風條件下降弓速度分別為0.50、0.75、1.00 m/s時的降弓電弧特性。不同降弓速度下的降弓電弧形態(tài)特性如圖4所示。由圖4可知,隨著時間增長,降弓電弧弧長逐漸增大。到10 ms時,電弧弧長分別達到9、11.5、14 mm。

降弓速度對降弓電弧最高溫度的影響變化曲線如圖5示。降弓速度對于電弧溫度的影響較小,隨著降弓速度的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K左右減小到平均12 500 K左右。最高溫度的降低將減少降弓過程電弧對弓網(wǎng)材料的注入能量,減小對弓網(wǎng)材料的侵蝕量。因此,加快降弓速度對于降低電弧溫度、減少電弧對弓網(wǎng)材料的侵蝕有一定作用。

不同降弓速度情況下的弓網(wǎng)電弧電壓如圖6所示。由圖6可知,降弓速度為0.5 m/s時,電弧電壓由10.4 V增加至15.6 V;降弓速度為0.75 m/s時,電弧電壓由11.9 V增加19.8 V;降弓速度為1 m/s時,電弧電壓由13.8 V增加24 V。電弧電壓隨時間呈現(xiàn)近線性變化,降弓速度越大,電弧電壓的變化率越大。造成電弧電壓呈現(xiàn)近線性增大的原因主要是降弓使得電弧長度線性增長。

電弧電壓-時間變化率dU/dt、電弧電壓-弧長變化率dU/ds與降弓速度之間的關系如圖7所示。電弧電壓在降弓速度為0.50 m/s、0.75 m/s、1.00 m/s時隨時間的變化率分別為0.74 V/ms、1.13 V/ms、1.46 V/ms,電弧電壓隨弧長變化量的變化率分別為1.48 V/mm、1.50 V/mm、1.46 V/mm。分析可知,單位時間的電弧電壓變化量與降弓速度呈現(xiàn)近似線性關系,而單位長度的電弧電壓基本一致。由于降弓過程中電弧溫度變化較小,單位弧長的電弧電阻基本不變,而整體的電弧電流保持不變,因此單位弧長的電弧電壓基本一致;而單位時間內,弧長變化與降弓速度成正比,因此單位時間的電弧電壓變化量與降弓速度呈現(xiàn)近似線性關系。

加快降弓速度對于電弧溫度的分布相對影響較小,然而加快降弓速度單位時間內電弧弧柱被拉伸越長,電弧電壓迅速上升,維持降弓電弧燃燒所需要的功率增大。因此,加快降弓速度可以加速電弧的熄滅,減少降弓電弧對弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

2.2 不同自然風速下的弓網(wǎng)電弧特性

為了探明降弓過程自然風對于弓網(wǎng)電弧特性的影響,研究了降弓速度為0.5 m/s時,自然風速對降弓電弧特性的影響。

為了更好地比較不同風速下電弧形態(tài)及弧根運動差異,8 ms時不同自然風速情況下的弓網(wǎng)電弧形態(tài)特性如圖8所示,自然風速越大,電弧彎曲程度越大;到8 ms時,電弧弧長分別達到10.0、16.4、26.4、32.9、41.6 mm。風速3 m/s時的降弓電弧演化特性如圖9所示。由圖9可知,隨著時間增長降弓電弧弧長逐漸增大,電弧弧長由5.5 mm增至26.4 mm。一方面,受電弓滑板降落使得弓網(wǎng)電弧被拉長;另一方面,自然風速吹拂使得降弓電弧彎曲,電弧弧長進一步增加。同時,由于風速的影響電弧弧根在受電弓滑板與接觸線表面移動。在不同風速的影響下,電弧弧根偏移量不同,風速越大,電弧的偏移量越大。

自然風速對電弧最高溫度的影響如圖10所示。由圖10可知,自然風速對于電弧最高溫度的影響相對比降弓速度對最高溫度的影響大。風速由1 m/s變化到5 m/s,電弧平均最高溫度由13 200 K變化至11 800 K左右,溫度差達到1 400 K。

降弓速度為0.5 m/s時,不同風速情況下的弓網(wǎng)電弧電壓如圖11所示?？梢缘贸?風速會使得電弧電壓相對于不考慮風影響的情況有所增加。風速從1 m/s增加到5 m/s時,8 ms時電弧電壓從19.2 V增加至113.2 V。電弧電壓增大主要是風載荷作用使得電弧長度增加,而電弧弧長增加會使得電弧電壓增大。

電弧電壓-時間變化率dU/dt、電弧電壓-弧長變化率dU/ds與自然風速之間的關系如圖12所示。電弧電壓在自然風速從1 m/s變化到5 m/s時隨時間的變化率從1.95 V/ms變化到20.75 V/ms,電弧電壓隨弧長變化量的變化率在2 V/mm左右。分析可知,單位時間的電弧電壓變化量與自然風速呈現(xiàn)近似線性關系,而單位長度的電弧電壓變化量近似為2 V/mm。

對比自然風速與降弓速度對電弧的影響可知,自然風速對于電弧長度的影響比降弓速度的影響更加顯著。同時,自然風速對于電弧電壓的影響比降弓速度的影響更加明顯。因此,可以考慮在降弓過程中加裝吹弧裝置,增大降弓電弧電壓,加快降弓電弧熄滅速度。

3 仿真模型驗證

為了驗證仿真模型的正確性,采用現(xiàn)場試驗的降弓電弧圖像與本文的仿真電弧圖像進行對比。降弓電弧圖像拍攝設置示意圖如圖13所示,其中相機用于電弧圖像的拍攝,架設于車頂?shù)雀咛?。通過調節(jié)最佳拍攝角度與位置,并且通過筆記本電腦控制相機拍攝的啟停,使整個降弓過程中,電弧圖像能夠完整清晰地被拍攝,并傳輸保存到筆記本電腦中。

試驗與仿真降弓電弧對比圖如圖14所示。由圖14可知,實際降弓電弧并不是完全豎直拉長的,實際情況下出現(xiàn)了電弧彎曲情況,說明了考慮自然風速影響的必要性。通過與考慮自然風因素影響下的降弓電弧仿真圖像對比,可以看出,實際降弓電弧與仿真電弧圖像吻合度較高,驗證了仿真模型的可行性。

4 結 語

本文基于磁流體動力學理論建立降弓過程電弧仿真模型,研究了不同降弓速度、不同自然風速情況下的降弓電弧特性。通過對研究的分析,得到以下結論:

(1) 降弓速度對于降弓電弧的溫度場分布影響不大,隨著降弓速度的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K左右減小至平均12 600 K左右。降弓速度由0.5 m/s變化到1 m/s時,電弧長度10 ms時分別從9 mm變化到14 mm,電弧電壓從15.6 V變化到24 V,電弧電壓-時間變化率從0.74 V/ms變化到1.46 V/ms,電弧電壓-弧長變化率處于1.5 V/mm左右。加快降弓速度可以加速降弓電弧的熄滅,減少降弓電弧對弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

(2) 自然風速對于電弧最高溫度的影響相對于降弓速度對最高溫度的影響較大,自然風速的增大,電弧平均最高溫度由13 200 K變化到11 800 K左右,溫度差達1 400 K。自然風速由1 m/s變化到5 m/s時,電弧長度8 ms時分別從10 mm變化到41.6 mm,電弧電壓從19.2 V增加到113.2 V,電弧電壓-時間變化率從1.95 V/ms變化到20.75 V/ms,電弧電壓-弧長變化率在2 V/mm左右?？梢钥紤]在降弓過程中加裝吹弧裝置,加快降弓電弧熄滅速度,減少降弓電弧對弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的燒蝕。

(3) 通過分析現(xiàn)場實驗的拍攝和處理結果,與仿真結果進行對比,發(fā)現(xiàn)實際降弓過程電弧發(fā)生彎曲,說明了考慮自然風速影響的必要性。通過與考慮自然風因素影響下的降弓電弧仿真圖像對比,可以看出,實際降弓電弧與仿真電弧圖像吻合度較高,驗證了仿真模型的可行性。