弓网系统中滑动电接触受流效率的研究

郭凤仪，张晓晓

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

弓网系统中滑动电接触受流效率的研究

郭凤仪，张晓晓

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

利用自行设计的滑动电接触摩擦磨损实验机，在不同速度、电流、压力的条件下，对铜锡合金导线/浸铜碳滑板做摩擦磨损实验，结合实验数据绘出受流效率在不同条件下的曲线，并对影响受流效率的滑动速度、电流以及接触压力做出了理论分析。受流效率随着速度的增加逐渐降低，且在速度较小时，受流效率随接触压力增大的幅度较大。接触力在30～80N之间时，受流效率随电流增大而增大，而接触力在80～120N之间时，受流效率随电流增大而下降，总体趋势上受流效率随接触压力增大而增大。接触压力越大、给定电流越大，受流效率越高，而且当速度增大时，受流效率受电流的影响减小，此时速度为主要影响因素。

滑动电接触;受流效率;速度;电流;接触压力

1 引言

目前，国内外学者研究较多的是电流、速度与压力对弓网系统摩擦磨损性能和接触电阻的影响［1］，以及距离和能量与磨损量的关系，在电流受流效率方面尤其是定量地分析受流效率的影响因素方面研究较少［2］，当前国外对于受流效率更多的是研究受电弓和接触网系统之间的相互作用，改善接触网的特性以及建立弓网系统的模型分析其受流稳定性。

课题组近年来一直从事弓网滑动电接触相关研究，对磨损率、摩擦系数以及接触电阻与接触温度等随接触压力、滑动速度和接触电流的变化特性已有一定研究。在此基础上本文以铜导线/浸金属碳滑板摩擦副为研究对象，使用自行研制的摩擦磨损试验机，模拟电力机车在弓网系统中的接触导线和滑板之间的“之”字形运动轨迹，得出大量实验数据，在此基础上研究分析受流效率的影响因素。

在弓网系统中，高速机车通过受电弓从接触网上取得电能，驱动牵引电机运行。受电弓弓头的滑板与接触线接触，产生相对滑动，通过滑板从接触网上取下电流，输送给电力机车的过程，称为受流。列车实际运行过程中，受电弓滑板与接触网导线容易发生离线，离线对电力机车牵引供电非常有害，影响机车的受流［3］。弓网系统中滑板和接触导线的接触状态直接影响电力机车能否正常运行。

本文主要通过滑板与接触导线的摩擦磨损实验，分析滑动速度、接触电流、接触压力对受流效率和滑板磨耗率的影响规律。本文研究的目的是通过实验数据对影响铜锡导线/浸铜碳滑板受流效率及其磨损特性的因素做出理论分析。

2 实验方法

实验使用自行研制的高性能滑动电接触磨耗实验机如图1所示。

该实验机的速度可调范围大，可以模拟电力机车弓网系统中接触导线和滑板之间的“之”字形运动轨迹，可实现接触导线和滑板之间的运行速度在0～350km/h之间任意调节;导线与滑板之间的接触压力可在0～200N之间改变;加载的接触电流最大能达到800A［4］;在实验过程中可以实现对摩擦系数、磨耗量、接触电压、实际接触电流等参量的实时在线测量、储存，以便于后期的数据处理。

实验中使用截面积为120mm2的铜锡导线，滑板为浸铜碳滑板。实验中滑板的磨耗率是以滑板相对于接触导线滑动104km后所损失的质量来表示的，单位为g/(104km)，磨耗率取左右两个滑板磨耗量的平均值。其中滑板的质量损失通过LT1002电子天平称量得到，其精度为0.01g。

图1 滑动电接触磨耗实验机实物图Fig．1Sliding electrical contact wear test machine

3 实验现象及理论分析

3.1 受流效率的引入

为了衡量动态接触电流偏离静态给定电流的程度，引入受流效率，其计算公式为

式中，Iav为动态受流平均值;Is为静态给定电流值;η为受流效率，其值越大表明受流效率越好。

3.2 接触电阻

接触电阻是电流通过导电斑点时产生收缩效应引起的金属电阻增量(收缩电阻)与表面膜电阻之和，是表征弓网电接触特性的参数，对于弓网系统中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:

式中，Rc为单个导电斑点的接触电阻;Rf为单个导电斑点的表面膜电阻;ρ1、ρ2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。

3.3 速度对受流效率的影响及分析

3.3.1 速度对受流效率影响的实验结果

本次研究首先试验了速度分别为50km/h、100km/h和150km/h时，接触压力为20～120N，电流为100A、150A和250A的受流特性。得出速度对受流效率影响的曲线如图2所示。

由图2(a)可知，在电流为100A时，受流效率随着速度的增加逐渐降低，随压力的增大呈现增大的趋势，且在速度较小(50km/h)的时候增大的幅度较大，随速度的增加受流效率增大的变化率逐渐减小，曲线趋于平稳。由图2(b)、2(c)可以看到，速度为50km/h时受流效率随电流增大呈明显的上升趋势，当速度增大后受流效率普遍降低。

3.3.2 速度对受流效率影响的理论分析

一方面，随着速度的提高，惯性力增大，实际接触压力变化量增大，平均接触电阻增大，电路中平均电流减小，导致受流效率变差。另一方面，速度进一步增加时，发生离线的概率增大，且速度越高，离线率越高，此时接触表面氧化膜形成的速度加快［5］，致密度增加，实际通过接触表面的电流减少，因此接触对的电流传导率下降。同时，在相同电流条件下，增加滑动速度会加剧电流的波动，影响受流的稳定性。

还有，在大电流情况下，摩擦生热和焦耳热产生的热量使滑动接触表面材料软化，接触点剪切抗力降低，更容易被剪断［6］，此时摩擦力变小，接触点发生粘合，粘着磨损使得磨屑增加，接触电阻开始上升，从而接触点上流过的电流减小，因此受流效率变差，由图2(b)、2(c)可以看出，当速度由50km/h增大到150km/h时，受流效率明显下降。

图2 速度与受流效率的关系Fig．2Relationship between speed and current receiving efficiency

3.4 电流对受流效率的影响及分析

3.4.1 电流对受流效率影响的实验结果

使给定电流分别为100A、200A和300A，接触力从30N变化到120N，分别在50km/h、100km/h和150km/h的运行速度下运行，得出电流影响受流效率的曲线，如图3所示。

图3 电流与受流效率的关系Fig．3Relationship between current and current receiving efficiency

由图3(a)可知，在运行速度较小(50km/h和100km/h)时，随着接触力的增大，电路中给定电流越大，受流效率越高;而当运行速度增大后，电流对受流效率的影响减小，此时速度是主要影响因素，曲线趋于平缓。图3(b)中，接触力在30～80N之间时，受流效率随电流增大而减小，而接触力在80～120N之间时，受流效率随电流增大而增大，但是总体上受流效率还是呈现上升的趋势。可以看到，随着速度从50km/h变大到150km/h，受流效率开始变差。

3.4.2 电流影响受流效率的理论分析

当接触压力较小时，此时滑板与接触导线之间容易发生离线，又由于导电斑点两端会积累大量的电荷，从而会在离线的时刻产生火花放电和电弧放电，放电所产生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［7］，温度升高使材料融化，因此受流效率变差，随着电流的增大这种现象会越来越严重。而当接触压力增大后，滑板与接触导线的离线率降低，因此发生火花放电和电弧放电的几率也降低，受流效率提高。可以观察到，当运行速度提高时，滑板与接触导线之间发生离线，受流效率开始下降。

在滑板和接触线之间充满高温导电气体的条件下，可能在10－3s以内就形成电火花，大量的电火花汇集成电弧，当弓网恢复接触后，电弧熄灭。弓网之间的电弧拉长到一定距离后也会熄灭。在高速运行的情况下，接触副的电弧弧根会在很短的时间内熄灭，尽管电弧温度很高，但其热流对接触副的侵蚀却有限，对接触副的影响也有限［8］。高速运行中的电弧对环境产生影响，但却能保证受流的连续性，维持受流的稳定性。

3.5 接触力对受流效率的影响及分析

3.5.1 接触力对受流效率影响的实验结果

当接触力分别为40N、70N和100N时，运行速度从50km/h变化到200km/h，电流为100A、200A和250A，得出接触力影响受流效率的曲线，如图4所示。

由图4(a)可以看出，随着接触压力的增大，受流效率也在不断增大，此时受流效率的变化率较低，曲线显示比较平稳。随着电流的逐渐增大，由图4 (b)、4(c)可以看出，在低速和大接触力的条件下受流效率很明显呈现增大的趋势，但是其随速度变化的稳定性不好，当速度超过100km/h时，受流效率η下降的速度很快。

3.5.2 接触力对受流效率影响的理论分析

接触力的大小直接影响载流的性能。接触压力较小时，导电斑点两端积聚大量电荷，随着滑板的离线瞬间会产生火花放电，由于接触力小，此时受流的效率和稳定性很不好［9］。接触力增大后，摩擦副表面的粗糙凸起穿透接触表面的氧化膜，使得接触电阻减小，从而形成更多的局部金属接触，有效导电斑点增多，电流的传导路径就越多，销盘之间的接触变好。由于接触面间建立了很好的金属连接，从而电弧强度和频率减小，降低了电气磨损程度，因此磨损量也减小。

图4 接触力与受流效率的关系Fig．4Relationship between contact pressure and current receiving efficiency

接触力F与接触电阻Rc成反比，当接触压力大于零时，接触压力越小，单位接触压力变化量引起的接触电阻变化量越大;接触压力越大，单位接触压力变化量引起的接触电阻变化量越小。当速度超过100km/h时，受流效率η下降的速度很快，这是由于随着速度的增大，滑板与接触导线的离线频率也增大，速度越高，离线率越高，所以接触电阻增大，实际接收到的平均电流降低，因此受流效率变差。

4 结论

(1)本实验通过自行设计的滑动电接触摩擦磨损实验机来模拟弓网系统中高速列车滑板与接触导线之间的运行状态，实验研究了不同的滑动速度、接触电流以及接触压力对受流性能和摩擦磨损性能的影响，并根据实验结果分析影响受流效率的因素。

(2)受流效率随着速度的增加逐渐降低，且在速度较小时随接触压力增大的幅度较大，随速度的增加受流效率增大的变化率逐渐减小。运行速度越慢，摩擦副产生的磨损量越大，当运行速度增加时，磨损量减小。

(3)接触力越大，给定电流越大，受流效率越高，而当速度增大时，受流效率受电流影响的作用减小。

(4)接触力在30～80N之间时，受流效率随电流增大而增大;而接触力在80～120N之间时，受流效率随电流增大而减小。总体上受流效率是随接触压力增大而增大的。

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Research of sliding electric contact current receiving efficiency in pantograph-catenary system

GUO Feng-yi，ZHANG Xiao-xiao
(Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

By using the design of sliding electrical contact friction and wear testing machine，a lot of experiments were carried out to the copper tin alloy wire/leaching copper carbon slide under different speed，current and pressure conditions．Combined with the experimental data the curves of current receiving efficiency under different conditions are drawn，and the theoretical analysis to the sliding speed，the current and contact pressure that affect the current receiving efficiency is carried out．The conclusion is that the current receiving efficiency decreases as the speed is gradually increasing，and when the velocity is small，the current receiving efficiency increases tremendously by the contact pressure．The current receiving efficiency increases with the increase of the current when the contact pressure is between 30～80N，but when the contact pressure is between 80～120N，the current receiving receiving efficiency decreases as the current increases，and the current receiving efficiency increases as the contact pressure increases in the overall trend．The larger the contact pressure and the given current are，the better the current receiving efficiency is，and when the speed increases，the influence of the current receiving efficiency reduces with the current，and speed becomes the main factor．

sliding electrical contact;current receiving efficiency;speed;current;contact pressure

TM501+．3

A

1003-3076(2014)10-0039-05

2013-01-12

国家自然科学基金资助项目(51277090)

郭凤仪(1964-)，男，辽宁籍，教授，博士，长期从事电接触理论及其应用的教学科研工作;张晓晓(1988-)，男，山东籍，硕士研究生，主要研究方向为弓网系统滑动电接触。