基于弓网电弧模拟试验装置的电弧研究

杨志鹏，李华伟，孙忠国，李国国

0 引言

铁路电气化是铁路发展的大方向，国内正在大力推进既有线路的电气化改造和高速电气化铁路的建设，列车运营速度已达到国际先进水平。通过弓网间相互作用实现机车牵引受流是电气化铁路关键环节，随着列车速度不断提高，弓网关系越来越引起重视。弓网电弧参数是体现弓网关系的一个重要特征，在实际运营中弓网电弧会增加接触线和受电弓滑板的磨耗，影响受流质量，产生电磁干扰、噪声等问题。

为了研究弓网电弧的特性，需要真实检测各种数据。采用简单的模拟装置最大限度地模拟弓网系统真实模型，可以为检测提供真实可靠的平台，也为进一步进行现场检测奠定了良好的基础。

1 弓网电弧发生机理

当空气处于一定的电场中，其中的带电粒子会沿着所受电场力的方向作加速运动，在带电粒子加速运动过程当中，有可能与其他气体分子发生碰撞，造成部分气体分子电离，产生电子和正离子，从而进一步导致电子崩的产生，这就是电子碰撞电离。当空气间隙上电压达到一定数值后，流过间隙的电流剧增，空气失去绝缘能力，这种由绝缘状态变为导体状态的变化称为击穿[1]。

电弧的形成主要分为4种类型[2]：

（1）当触头刚分开时，产生很大的电场强度，阴极表面的电子被拉出成为弧隙间最初的自由电子。

（2）阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在电场作用下，不断与其他粒子发生连续的碰撞游离，导致在触头间充满了电子和离子，在外压的作用下触头间介质就可能导致被击穿而形成电弧。

（3）电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面受热，形成强烈的热点，金属不断地发射出电子，促使热电子发射形成电弧。

（4）在开关电器中的电弧总存在一些金属蒸汽，而金属蒸汽的游离温度只在4 000℃～5 000℃，因此金属蒸汽热游离维持着电弧燃烧。温度的升高，使得质点碰撞能游离出电子和正离子。

弓网电弧主要发生在以下情况：列车经过电气分段，如锚段关节，分段绝缘器，电分相等；滑板或接触线表面有异物，如污物、覆冰、积雪等；接触线安装不合格，出现连续硬点、硬弯、接触线坡度超限等；恶劣天气情况下，如浓雾、烟雨等。

2 试验装置设计

弓网电弧模拟发生试验台由三相交流电机，旋转轮盘接触网结构，模拟受电弓，支撑结构，变频器和电弧电气主回路构成，如图1所示。表1给出了其中各器件的主要参数。

图1 弓网电弧模拟发生装置示意图

表1 试验台器件组成及功能一览表

三相电机额定速度为2 840 r/min。轮盘采用绝缘塑料材质，可以实现电气隔离和机械强度要求。接触线选择铜合金接触线，采用无缝铜焊接技术连接。受电弓采用螺杆一维弹簧结构，可以任意调节高度，增加接触压力，并且可以模拟弓网间弹性震动。电弧主回路包括调压变压器，负载电阻，导线，保护空气开关和互感器等。

3 电弧电压和电流的测量

3.1 波形测量

试验台电机转速由变频器控制，试验模拟接触线与受电弓最高相对速度为113.04 km/h，考虑到转差率影响，约为110 km/h。调压变压器试验最高供电电压为80 V，对应电气主回路电流为8 A。

电压互感器为电流型电压互感器，参数为2 mA/2 mA，电流互感器参数为10 A/10 mA。测量信号传输线为了减少电磁干扰采用信号线双绞缠绕并套加铁氧体磁环的方法。为保证测量信号的原始性，使得谐波分析结果可靠，未对信号进行滤波处理。

试验1设置变频器输出频率，使得旋转轮盘边缘线速度约50 km/h，调压变压器供电电压为30 V。试验电弧照片及电压电流波形如图2，图3所示。图中曲线1为电弧电流波形，曲线2为电弧间隙电压波形。由于电流波形断续，电流值根据实际测量数据计算为2.96 A。

图2 50 km/h—2.96 A试验电弧放电试验例图

图3 试验1电弧电压和电流波形图

试验2设置变频器输出频率，使得旋转轮盘线速度约80 km/h，调压变压器供电电压为60 V。试验电弧照片及电压电流波形如图4，图5所示。图中曲线1为电弧电流波形，曲线2为电弧间隙电压波形。由于电流波形断续，电流值根据实际测量数据计算为5.72 A。

通过2组试验可以看出随着速度的增大，电流连续性变差，更加容易产生电弧；随着系统电流的增大，电弧对外释放光信号能量增强，电弧电流连续性变差，能量转向热能和光能形式释放。

图4 80 km/h—5.72 A试验电弧放电试验例图

图5 试验2电弧电压和电流波形图

3.2 基于LABVIEW的谐波分析

将采集数据传输给LABVIEW软件，应用软件频谱分析模块对电压电流波形进行分析，模块设置为Hanning窗，选用峰值幅值线性分析，结果如图6—图9。

（1）试验1。电弧电流2.96 A，模拟机车运行速度50 km/h，电弧电流和电压的谐波分析结果如图6、图7所示。

图6 试验1电流波形频谱分析结果图

图7 试验1电压波形频谱分析结果图

（2）试验2电弧电流5.72 A，模拟机车运行速度80 km/h，电弧电流和电压的谐波分析结果如图8、图9所示。

图8 试验2电流波形频谱分析结果图

图9 试验2电压波形频谱分析结果图

通过上述试验说明，电弧电流与电压谐波频段相对应，且包含间谐波成份。系统电流与机车运行速度对电弧谐波成分影响低。

4 对比研究分析

4.1 测量波形对比

文献[3]对弓网电弧问题进行了深入的研究，通过一套弓网电弧模拟发生装置，并对直流和交流系统进行了研究[4，5]。文献[5]给出了测量电压电流波形图（图略）。文献[6]设计了一套弓网电弧模拟发生装置，文献[7]在该基础上进行了试验，并给出了电弧电流波形图（图略）。

由于各个试验台设计情况各异，电弧电极材料不同，导致电弧发生的状态并不相同，使得电弧间隙电压、电弧电流波形不同。根据电弧理论的基本知识，电弧发生需要较大的能量，因此电弧在电压、电流瞬时峰值处更易于发生，如图5中第一个正向峰值处就说明了该问题。交流电弧熄灭在电压、电流过零点处更易发生，图3，图5中可以看出电弧电流为0处，电弧间隙电压明显增大，表明电弧主回路已经处于断开状态。文献[5]，[7]指出过零点处是电弧状态发生转变的关键点，且电弧过零点分断时存在震荡现象。

4.2 谐波分析对比

文献[8]、[9]对电弧谐波进行了分析。文献[8]对电弧间隙电压，电弧电流进行了谐波分析，主要关注于直流分量的成分，并根据试验建立了电弧数学模型；文献[9]对电流波形进行了频谱分析，结果如图10。

根据其测量结果与本文中的分析结果对比，结论如下：

（1）不同试验台的试验条件不同，电弧发生状态不同，电弧间隙电压，电弧电流波形不同。

（2）2个独立试验对电压、电流频谱分析都显示：电弧对电气主回路的影响主要集中在 500 Hz以下频段。

图10 文献[9]试验台电弧电流波形及频谱分析图

（3）文献[9]分析结果显示谐波成分主要为直流、工频、整数倍工频3个部分；本文分析显示，电弧谐波成分与试验条件相关，包含直流、工频以及间谐波成份，谐波构成更加复杂。

（4）由于本文试验采用阻性负载，电压、电流波形能够对应互补；谐波分析显示，虽然电压、电流波形畸变严重，但是主要成分仍为工频；小于500 Hz的谐波是主要的波谱区段，且包含间谐波成份。

5 结论

本文依托弓网电弧模拟发生试验台，对电弧间隙电压，电弧电流进行了测量，测量结果与目前国内外研究结果不同，并分析了其中的原因。通过LABVIEW软件对测量的电弧间隙电压，电弧电流谐波分析，说明了电弧谐波分布，特别是包含间谐波成份，并与国外研究成果进行了对比，分析了相同点和不同点的区别，依据试验数据和理论基础分析了造成以上差异的原因。

[1]梁曦东.高电压工程[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2]吴积钦.受电弓—接触网系统电接触特性研究[D]西南交通大学博士学位论文2009-5.

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[4]Surajit Midya, Dierk Bormann,Anders L-arsson,Thorsten Schütte,Rajeev Thottappillil. Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism and Influence of Various Parameters -PartI: With DC Trcation Power Supply [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 24, NO.4, OCTOBER 2009.

[5]Surajit Midya, Dierk Bormann,Anders L-arsson,Thorsten Schütte,Rajeev Thottappillil. Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism and Influence of Various Pa- rameters-PartII: With AC Trcation Power Supply [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 24, NO.4, OCTOBER 2009.

[6]雷栋，吴广宁，王万岗，等.高速铁路弓网电弧模拟装置的研制[J].机车传动，2009，（3）：42-44.

[7]何常红.弓网电弧模拟系统的研制和实验研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2009，（5）.

[8]PIERRE-VINCENT VERSCHRAEGEN. A Modle of the Pantograph Arc Impedance for 50 Hz Catenary Voltage [D]Master of Science Thesis KTH Electrical Engineering Stockholm，Sweden 2010.

[9]Surajit Midya. Conducted and Radiated Electromagnetic Interference in Modern Electrified Railways with Emphasis on Pantograph Arcing [D].Doctoral Thesis in Electrical Systems TRITA-EE2009:029 ISSN 1653-5146 ISBN 978 -91 -7415-345- 3 Stockholm，Sweden 2010.