弓网电弧等离子体光谱特性实验

胡 怡魏文赋雷 栋高国强吴广宁

（1. 西南交通大学电气工程学院 成都 610031 2. 中国铁道科学研究院标准计量研究所 北京 100081）

弓网电弧等离子体光谱特性实验

胡 怡1魏文赋1雷 栋2高国强1吴广宁1

（1. 西南交通大学电气工程学院 成都 610031 2. 中国铁道科学研究院标准计量研究所 北京 100081）

弓网电弧等离子体具有高温度、高能量的特点，对高速铁路弓网电接触的性能造成了威胁。基于弓网电弧模拟实验平台，利用光谱诊断法对弓网电弧等离子体进行研究。对辐射的主要特征谱线进行标识和归属，并计算弓网电弧等离子体的激发温度、转动温度、振动温度和电子密度。此外，还研究了电源输出电流对激发温度和电子密度的影响。实验结果表明，弓网电弧等离子体对接触网铜导线和浸金属碳滑板强烈的烧蚀作用会产生丰富的铜原子谱线、铁原子谱线和CN B2∑+→X2∑+谱线。同时，基于Boltzmann斜线法，发现了弓网电弧等离子体激发温度随电流的增加而增加。通过拟合电弧等离子体中CN B2∑+→X2∑+谱线，可知在30A电流条件下，弓网电弧等离子体的转动温度和振动温度分别达到6 800K和9 000K。最后，讨论了特征谱线的展宽机制，并利用Cu I 521.82nm谱线，探讨了弓网电弧等离子体的电子密度随电流的增加而上升的情况。

弓网电弧等离子体 发射光谱 激发温度 转动温度 振动温度

0 引言

弓网关系作为高速铁路关系安全运行的三大基础关系之一，保障着动车组的稳定受流[1,2]。随着动车组运行速度的提升，受电弓与接触网之间的振动加剧，导致弓网离线频繁，弓网电弧频发。电弧等离子体有高能量、高温度的特点，不仅会使电力系统或设备承受高频振荡过电压[3,4]，还会严重烧蚀受电弓和接触网，影响列车的行车安全[5,6]。由于目前在高速列车的运营现场，并不具备对弓网电弧等离子体进行实验的条件，主要侧重于外部电气参数的测量，并不能直观地反映出燃弧的强度。对弓网电弧等离子体的燃烧机理进行研究，有利于对其进行抑制，其中对温度的测量就是上述研究的关键技术之一。

弓网电弧等离子体处于高速列车运行产生的强气流场中，内部包含大量的分子、原子和离子。光谱是粒子状态发生跃迁时，所释放出波长不同的电磁辐射，按电磁辐射的本质将光谱区分为：原子光谱、分子光谱、X射线能谱、γ 射线能谱等种类。目前国内外相关研究人员针对弓网电弧的实验开展了大量的工作，但主要都集中于对其电气特性的探索。S. Midya等[7,8]研究了高速铁路情况下弓网电弧的现象，主要分析了速度和电流等因素对弓网电弧的影响和作用机制。L. Morin等[9]研究了不同负载对电弧能量的影响机制，结果表明感性负载回路中电弧能量明显高于阻性负载回路中的电弧能量。吴广宁等[5,10]基于自行研制的弓网电弧实验系统研究了电弧对受电弓滑板和接触网导线的侵蚀现象，并对弓网电弧的抑制措施进行了初步探索。

然而对于弓网电弧等离子体特性的实验研究，目前还较少见诸报端。近年来，随着光谱仪等光学设备的发展，使用光学的方法诊断等离子体参数变得更加简便、有效、精确。目前针对大气压等离子体参数诊断方式常用Langmuir探针法和光学诊断法，但探针法会对等离子体本身造成干扰，影响诊断结果准确性。斯红等[11]利用发射光谱法，分析了TIG焊接电弧的计算谱线选择规则和其温度场分布。张乔根等[12]对染污绝缘子表面的局部电弧，基于光谱诊断手段，分析了其内部温度和电子密度随泄漏电流的变化情况。对于等离子体辐射的分子光谱，彭志敏等[13]基于火焰发射光谱，利用光学多通道分析仪，对OH自由基和CH自由基的实验光谱和理论计算光谱进行对比，分析了转动温度和振动温度。屠昕等[14]基于N2+的B2∑+→X2∑+谱带对电弧等离子体的振动温度和转动温度进行了测量，并分析了转动温度和振动温度对谱带轮廓的影响机制。周亦骁等[15]测量了大气压下Ar/O2和Ar/H2O等离子体射流的发射光谱，并分析了转动温度和振动温度随外加电压幅值的变化情况。

本文基于弓网电弧实验系统，模拟列车运行时的弓网振动情况，产生电弧并利用光谱仪采集其发射光谱，选取合适的谱线，基于Boltzmann斜线法，计算了在不同电流下，弓网电弧等离子体的激发温度。同时，通过实验光谱与理论计算光谱进行拟合，得到了等离子体的转动温度和振动温度。讨论了弓网电弧等离子体的特征谱线展宽机制，并利用谱线的展宽，分析了在不同电流下弓网电弧等离子体的电子密度。

1 弓网电弧实验系统

课题组研制了一套弓网电弧模拟系统[5]，为保证模拟的准确性，受电弓滑板和接触线材料与实际弓网系统一致，分别为铜合金接触网导线和浸金属碳滑板，滑板的主要组分见表1。弓网电弧光谱实验系统装置如图1所示。

表1 浸金属碳滑板组分含量Tab.1 Component content of pantograph strips

图1中箭头方向分别表示接触线导线CW和受电弓滑板P的运动方向。变频电机驱动转盘W带动接触导线。受电弓滑板的运动受工控机IPC控制，由伺服电动机进行操作，可纵向模拟弓网系统的振动，整个弓网系统由直流电源S供电，其电压可调范围为0～80V，电流范围为0～60A。同时利用示波器采集电弧电压、电流波形，示波器型号为Tektronix MDO3024，带宽200MHz。

图1 弓网电弧光谱实验装置S—电源R—列车负载电阻L—列车负载电感 W—转盘CW—接触网导线 P—受电弓滑板 PC Plasma—弓网电弧等离子体SP—光谱仪 F—光纤 IPC—工控机Fig.1 The pantograph-catenary arc test device

弓网电弧是一种典型气体放电现象，其电压主要由阴极电压降、阳极电压降和弧柱电压共同构成，其中阴极和阳极电压降与电弧所处气体和电极材料有关，在空气中分别取值约为8～11V和3～12V[16]，而弧柱电压与电弧长度有关，其单位约为15V/mm[17]。所以当弓网间隙为4mm时，弓网电弧的电压为80V左右。在牵引供电系统中，27.5kV的电压主要消耗在车体、牵引变压器等大阻抗器件，实际的小间隙弓网电弧电压值也较小，与本文所采用的实验装置仍具一定等效性。

当实验系统产生弓网电弧时，通过光谱仪对弓网电弧等离子体的发射光谱进行采集，将采集的光谱存储至工控机，以便处理。实验所采用的是PG-2000光谱仪，其具体参数见表2。

表2 PG-2000光谱仪参数Tab.2 Parameters of PG-2000 spectroscope

本实验模拟电力机车在高速运行时，由于弓网系统振动，产生电弧：由工控机控制伺服电动机，驱动受电弓滑板在接触线下方振动，滑板的最高位置是与接触线恰好接触上。振动频率为1Hz，振动间距固定设置为4mm，光谱仪的积分时间为100μs。

在弓网电弧实验平台，进行受电弓滑板和接触线从接触到分离的一次完整拉弧过程，采集到弓网电弧典型的电压和电流波形如图2所示。在拉弧过程中，在图中Q点处，滑板和接触线分离，电弧产生，随着弓网间隙增大，电压逐渐增大，电流始终保持恒定，在1s后弓网电弧熄灭，此时弓网间隙的电压等于电源电压，电流为零。

图2 弓网电弧电压、电流波形Fig.2 The voltage and current waveforms of pantograph-catenary arc

2 弓网电弧辐射谱

2.1 弓网电弧等离子体光谱特性分析

经光谱仪校正曲线校正后，得到直流电流30A的情况下，弓网电弧等离子体波长范围为350～500nm和500～800nm的光谱特征谱线分别如图3a和图3b所示。对特征谱线进行比对和分析，其粒子类型和波长均如图3所示。

从图3中可以看到弓网电弧等离子体辐射光谱存在以下信息：

（1）弓网电弧等离子体辐射光谱主要由Cu原子谱线构成，这是因弓网电弧等离子体对铜接触线和受电弓碳滑板强烈的烧蚀作用导致。除Cu原子谱线外，还观测到了其他金属元素（如Fe）的特征谱线，这是由于受电弓碳滑板和铜镍导线中均含有微量的铁。除此之外，还有Cu+离子特征谱线，但谱线强度较低，其原因是Cu+离子的激发能远大于激发Cu原子的能量。

图3 弓网电弧等离子体辐射光谱Fig.3 The emission spectrum of pantographcatenary arc plasma

（2）此外，还观测到了CN自由基B2∑+→X2∑+电子带系谱带，其产生主要是受电弓碳滑板在弓网电弧等离子体烧蚀下会产生C2分子，与空气中的氮气发生反应C2+N2=2CN。

（3）在弓网电弧等离子体辐射光谱中还有O I 777.53nm的特征谱线，O原子的激发也是由于高能电子的碰撞，可能还会影响弓网电弧等离子体的燃烧强度。

2.2 Boltzmann法测激发温度

弓网电弧等离子体是一种由中性粒子和带电粒子共同组成，整体呈电中性的气体。根据统计动力学观点，温度是一个统计的概念，在等离子体中，某种粒子各自由度下的平均能量对应着不同的温度，对于分子的平动、振动、转动自由度分别有平动温度、振动温度和转动温度。电子温度是指等离子体中自由电子的平动温度，而激发温度对应的是原子或离子（重粒子）内部束缚态电子的激发自由度。只有当系统达到完全热力学平衡时，即各自由度的温度相同时，系统才具有一个统一的热力学温度[18]。

等离子体的激发温度是影响辐射谱线强度的重要因素[19]。不考虑共振光电子激发过程，辐射谱线强度与等离子体温度的关系为

式中，I为谱线强度；T为等离子体温度；n为等离子体的中性粒子密度；Aul为跃迁几率；h为普朗克常数，h=6.63×10-34J·s；v为谱线的频率；gu为上能级统计权重；Z为原子配分函数；Eu为高能态激发能；k为玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K。

对式（1）进行变换后，左右两端取对数得

式中，λ为谱线波长。

当式（2）中的激发能单位为eV（1eV=11 600K）时；玻耳兹曼常数k经换算后为8.618×10-5eV/K；从式（2）可知与Eu是线性关系，对于同种原子的多条谱线，以和Eu分别作为横、纵坐标描出各点，利用最小二乘法进行拟合，拟合直线的斜率为-1/(kT)。

由图3可知，弓网电弧等离子体中含有大量的Cu原子谱线，通过NIST查询到Cu原子特征谱线的参数，见表3。

表3 Cu原子特征谱线参数Tab.3 Parameters of copper atomic characteristic spectral lines

由于在利用谱线强度计算电子温度时，需要使用跃迁几率，但理论计算跃迁几率值往往存在较大的不确定度，影响弓网电弧等离子体激发温度计算的准确性，为减小误差，通常会选择多谱线进行拟合[20]。除此之外，对于计算温度的谱线选择而言，还需考虑其强度情况，强度越低的谱线也越容易受背景噪声干扰。I. L. Babich等[21]针对Cu原子谱线的跃迁几率的准确性情况进行了研究，发现Cu I 529.25nm谱线强度可能受N I发射谱线强度的干扰，会较为偏离Boltzmann图的拟合结果，所以在弓网电弧等离子体激发温度的计算中不采用。此外，Cu I 793.31nm在NIST中未能查询到跃迁几率，也同样不能用于计算。

综上所述，针对弓网电弧等离子电子激发温度的计算，选择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六条谱线，其拟合结果如图4所示。

图4 弓网电弧等离子体Boltzmann图Fig.4 The Boltzmann plot of pantographcatenary arc plasma

通过线性拟合，最后得到在电流为30A，如图4的实验条件情况下，弓网电弧等离子体的Boltzmann图的斜率为-1.508 7×10-4，计算得到激发温度为4 163K。其不确定度可根据式（3）[22]得出。

在弓网系统离线过程中，弓网电弧等离子体是弓网系统唯一的导电通道。接触网、弓网系统和电力机车构成了牵引供电回路，电弧中的电流会发生变化。由于弓网电弧燃弧不稳定，为保证实验结果的准确性，在同一电流下，共进行了20次重复实验。利用弓网电弧实验平台，分析了在不同电流情况下，弓网电弧等离子体激发温度实验结果分布情况如图5所示。

从图5中可以看出，弓网电弧等离子体激发温度随电流的增大有上升趋势，这是因为电弧中的电流增大，注入弓网电弧等离子体的能量也随之增大，导致激发温度上升。弓网电弧等离子体燃弧随机性较强，随着电流增大，激发温度范围也变大。当电流值从30A增至60A，弓网电弧等离子体的激发温度平均值由4 258K上升到4 763K。

图5 弓网电弧等离子体激发温度与电流的关系Fig.5 Relationship of excitation temperature and current of pantograph-catenary arc plasma

2.3 电弧等离子体的振动温度和转动温度

在不同电流情况下的弓网电弧等离子体光谱中，均检测到了CN分子自由基B2∑+→X2∑+电子带系，CN分子属于双原子分子，其分子结构简单，转动常数大，较易识别，特别是在高温（6 000K以上）情况，相对其他分子自由基更为稳定[23]。

对于CN分子而言，由于内部不同电子能级的跃迁产生谱带群，弓网电弧等离子体中的CN的B2∑+→X2∑+跃迁形成了CN violet光谱群，而两个电子能级B2∑+和X2∑+中的振动能级间发生跃迁，形成谱带（v′,v′′），而每一个谱带间振动能级的所有转动能级发生跃迁，形成谱线[24]。而谱线的波长极为靠近，受光谱仪分辨率的限制，只能呈现具有一定轮廓的谱线。对于弓网电弧等离子体而言，通过对其辐射光谱的轮廓进行拟合，可以分析其振动温度和转动温度。

首先假定弓网电弧等离子体的转动温度和振动温度，通过LIFBASE仿真软件计算该转动和振动温度下CN violet分子的辐射光谱的谱线形状，与实验测量的谱带形状进行对比，通过Peak correlation和R-square两个参数判断拟合程度，最终确定CN分子的振动温度和转动温度。

对CN自由基B2∑+→X2∑+电子带系谱带在波长390～425nm处进行拟合，该谱带区域包含了CN violet带系的Δν=0和Δν=-1两个振动能级变化带，图6为利用LIFBASE进行谱带拟合的CN自由基谱带和实验测量的弓网电弧等离子体谱带比对图，经LIFBASE拟合的结果，拟合参数最优情况为Peak correlation=0.98和R-square=59，此时弓网电弧等离子体的振动温度和转动温度分别为9 000K和6 800K。

由图6可以看出，CN B2∑+→X2∑+自由基仿真的光谱结果在两个振动带都与实验的谱线符合较好。由于CN分子的转动能级间的能级差较小，其布居主要决定于重粒子的非弹性碰撞，转动能级的激发只需要较短时间，即所对应的弛豫时间也较小。所以通常在大气压等离子体中，认为转动温度约等于气体温度[25,26]。

对于弓网电弧等离子体而言，转动温度和激发温度不相等，原因可能是，在该实验条件下，弓网电弧等离子体偏离局部热平衡状态，Boltzmann法计算得到的激发温度仅能反映等离子体中原子内部束缚态电子能级的布居情况，并不能反映等离子体中自由电子的温度[27]。

图6 CN自由基B2∑+→X2∑+光谱拟合图Fig.6 Fitting spectrum of CN violet(B2∑+→X2∑+)

2.4 弓网电弧等离子体的电子密度

本文利用了谱线展宽效应，计算弓网电弧等离子体中的电子密度。辐射原子和离子在周围电子和离子扰动下会引起谱线展宽，通过测量谱线展宽计算电子密度是一种简单且可定量分析的手段，目前在电弧等离子体、激光诱导等离子体等都得到了大量应用，并适用于当局部热平衡不占优势的等离子体[28]。

弓网电弧等离子体特征谱线的线型主要是由几种不同的加宽机制共同作用导致的，包括自然展宽、仪器展宽、多普勒展宽和碰撞展宽[29]。

其中多普勒展宽来源于原子或离子的热运动，对于处于局部热平衡情况的等离子体，认为原子和离子的分布满足Maxwell速率分布，该展宽机制作用下的谱线线型为Gauss线型。仪器展宽由光谱仪的狭缝宽度和散射情况决定，可通过汞灯等标准光源进行标定。而碰撞展宽主要是因电子或离子对等离子体中的原子或离子进行碰撞，所引起的的展宽效应，称为Stark展宽，该展宽机制作用下的谱线线型为Lorenz线型[30]。

在Doppler展宽和Stark展宽的共同作用下，等离子体的谱线线型可近似由高斯线型和洛伦兹线型共同组成的Voigt函数拟合[31]。

利用Origin 9.0中的Voigt函数对Cu I 521.82nm处的谱线展宽进行拟合，拟合结果如图7所示，拟合参数表征量R2=0.979，说明谱线形状与Voigt线型拟合良好。

图7 Cu I 521.82nm拟合曲线Fig.7 The fitting curve of copper atomic line at 521.82nm

谱线实际Stark半展宽为

由于多普勒展宽反映的是原子和离子的热运动，所以与离子（重粒子）的温度有关，计算弓网电弧等离子体Cu I 521.82nm处的多普勒半宽，其计算公式为

式中，Ti为重粒子温度（即Boltzmann斜线法所对应温度）；λ0为谱线中心波长；c为光速；m为原子质量。经过计算得到的多普勒展宽仅为0.002 4nm，并不是弓网电弧等离子体中谱线展宽的主要因素，可忽略其影响。

辐射谱线的Stark半展宽和电子密度的关系为

式中，第一项主要对应的是电子的碰撞效应，第二项是考虑了准静态的离子电场作用。在实际计算中，通常都是忽略第二项的作用，则式（6）简化为

式中，w为电子对特征谱线的展宽系数，与温度的关联性极小[32]，利用文献[33]中Cu I 521.82nm的展宽系数，对于拟合曲线的FWHM扣除仪器展宽，最后计算得到弓网电弧等离子体电子密度为1.02× 1017cm-3左右。

在不同电流下，弓网电弧等离子体的电子密度的变化情况如图8所示。

图8 在不同电流下弓网电弧等离子体电子密度Fig.8 Electron density of pantograph-catenary arc plasma at different current

从图8中可以看出，随着弓网电弧等离子体电流的增加，注入电弧的能量增加，内部原子和分子粒子发生电离增多，导致电子密度增加，直流电流由30A变化至60A时，电子密度的平均值由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

3 结论

1）弓网电弧等离子体的光谱中含有丰富的特征谱线，主要包括铜原子、铜离子、氧原子、铁原子和CN B2∑+→X2∑+自由基分子，谱线和谱带并存，所辐射谱线表明弓网电弧等离子体对浸金属碳滑板和接触网铜镍导线均存在着强烈的烧蚀作用。

2）通过Boltzmann法分析了弓网电弧等离子体的激发温度，并分析了电流对激发温度的影响。当电流由30A增至60A，激发温度从4 258K上升到4 763K。利用弓网电弧等离子体辐射光谱中CN violet分子进行拟合，最终得到在电流30A的情况下，弓网电弧等离子体的振动温度和转动温度分别为9 000K和6 800K。转动温度和激发温度不等表明弓网电弧等离子体在该实验条件下偏离局部热平衡状态。

3）弓网电弧等离子体中的谱线展宽的作用机制主要是Stark展宽，随着弓网电弧等离子体的电流从30A变为60A，电子密度由1.02×1017cm-3上升至1.52×1017cm-3。

[1] 吴广宁, 古圳, 高国强, 等. 弓网电弧形态特性试验研究[J]. 高电压技术, 2015, 41(11): 3532-3537. Wu Guangning, Gu Zhen, Gao Guoqiang, et al. Experimental research on morphological characteristics of pantograph-catenary arc[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(11): 3532-3537.

[2] 郭凤仪, 王喜利, 王智勇, 等. 弓网电弧辐射电场噪声实验研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(14): 220-225. Guo Fengyi, Wang Xili, Wang Zhiyong, et al. Research on radiated electric field noise of pantograph arc[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 220-225.

[3] 杨柳林, 李德奎, 陈延明, 等. 基于RTDS的电弧接地故障自定义建模及仿真分析[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(16): 138-142. Yang Liulin, Li Dekui, Chen Yanming, et al. User defined modeling and simulation of arc grounding fault based on RTDS[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(16): 138-142.

[4] 陈博博, 屈卫锋, 杨宏宇, 等. 小电流接地系统单相接地综合电弧模型与选线方法的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(16): 1-7. Chen Bobo, Qu Weifeng, Yang Hongyu, et al. Research on single phase grounding arc model and line selection for neutral ineffectively grounding system[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(16): 1-7.

[5] 王万岗, 吴广宁, 高国强, 等. 高速铁路弓网电弧试验系统[J]. 铁道学报, 2012, 34(4): 22-27. Wang Wangang, Wu Guangning, Gao Guoqiang, et al. The pantograph-catenary arc test system for highspeed railways[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(4): 22-27.

[6] 吴积钦, 钱清泉. 弓网系统电弧侵蚀接触线时的热分析[J]. 铁道学报, 2008, 30(3): 31-34. Wu Jiqin, Qian Qingquan. Thermal analysis of arc erosion of contact wire of the pantograph & catenary system[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(3): 31-34.

[7] Surajit M, Dierk B, Thorsten S, et al. Pantograph arcing in electrified railways—mechanism and influence of various parameters—part II: with AC traction power supply[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(4): 1940-1950.

[8] Surajit M, Dierk B, Anders L, et al. Understanding pantograph arcing in electrified railways-influence of various parameters[C]//IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2008: 1-6.

[9] Morin L, Jemaa N B, Jeannot D, et al. Contacts materials performances under break arc in automotive applications[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2000, 23(2): 367-375.

[10] 王万岗. 高速铁路弓网电弧动态特性研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013.

[11] 斯红, 华学明, 张旺, 等. 基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算[J]. 光谱学与光谱分析, 2012, 32(9): 2311-2313. Si Hong, Hua Xueming, Zhang Wang, et al. Welding arc temperature field measurements based on Boltzmann spectrometry[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(9): 2311-2313.

[12] 杨昊, 张乔根, 庞磊, 等. 染污绝缘表面交流电弧发射光谱及等离子体特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(18): 4808-4816. Yang Hao, Zhang Qiaogen, Pang Lei, et al. Study on AC arc discharge characteristics over the polluted insulation surface using optical emission spectroscopy[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(18): 4808-4816.

[13] 彭志敏, 丁艳军, 杨乾锁, 等. 基于OH自由基A2∑+→X2∏r电子带系发射光谱的温度测量技术[J]. 物理学报, 2011, 60(5): 250-259. Peng Zhimin, Ding Yanjun, Yang Qiansuo, et al. Emission spectra of OH radical (A2∑+→X2∏r) and its application on high temperature gas[J]. Acta Physica Sinica, 2011, 60(5): 250-259.

[14] 屠昕, 严建华, 马增益, 等. 基于N2+(B2∑+u→X2∑+g)的电弧等离子体振动温度和转动温度测量[J]. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(12): 2161-2165. Tu Xin, Yan Jianhua, Ma Zengyi, et al. Measurement of rotational and vibrational temperatures in arc plasma based on the first negative system of N2+(B2∑+u→X2∑+g)[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(12): 2161-2165.

[15] 周亦骁, 方志, 邵涛. Ar/O2和Ar/H2O中大气压等离子体射流放电特性的比较[J]. 电工技术学报, 2014, 29(11): 229-238. Zhou Yixiao, Fang Zhi, Shao Tao. Comparison of discharge characteristics of atmospheric pressure plasma jet in Ar/O2and Ar/H2O mixtures[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(11): 229-238.

[16] 王其平. 电器电弧理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[17] Kapetanovic M, Knol P, Van der Sluis L. Analysis of cooling power and network interaction of a switchingarc in an SF6high-voltage circuit-breaker[C]//The Colloquium of CIGRE SC 13, Sarajevo, Yugoslavia, 1989.

[18] 荣命哲, 刘定新, 李美, 等. 非平衡态等离子体的仿真研究现状与新进展[J]. 电工技术学报, 2014, 29(6): 271-282. Rong Mingzhe, Liu Dingxin, Li Mei, et al. Research status and new progress on the numerical simulation of non-equilibrium plasmas[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 271-282.

[19] 董华军, 廖敏夫, 邹积岩, 等. 基于CCD真空开关电弧等离子体参数诊断方法[J]. 电工技术学报, 2007, 22(6): 65-68. Dong Huajun, Liao Minfu, Zou Jiyan, et al. Methods of diagnosing the plasma parameters in vacuum switching arcs based on CCD[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(6): 65-68.

[20] 吴蓉, 李燕, 朱顺官, 等. 等离子体电子温度的发射光谱法诊断[J]. 光谱学与光谱分析, 2008, 28(4): 731-735. Wu Rong, Li Yan, Zhu Shunguan, et al. Emission spectroscopy diagnostics of plasma electron yemperature[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2008, 28(4): 731-735.

[21] Babich I L, Boretskij V F, Veklich A N, et al. Spectroscopic data and Stark broadening of Cu I and Ag I spectral lines: selection and analysis[J]. Advances in Space Research, 2014, 54(7): 1254-1263.

[22] Magesh Thiyagarajan, John Scharer. Experimental investigation of ultraviolet laser induced plasma density and temper- ature evolution in air[J]. Journalof Applied Physics, 2008, 104(1): 013303 (1-12).

[23] Kurosawa K, Sugita S, Fujita K, et al. Rotationaltemperature measurements of chemically reacting CN using band-tail spectra[J]. Journal of Thermophysics & Heat Transfer, 2009, 23(3): 463-472.

[24] 梁卓, 罗海云, 王新新, 等. 气流对氮气介质阻挡放电气体温度及放电模式的影响[J]. 物理学报, 2010, 59(12): 8739-8746. Liang Zhuo, Luo Haiyun, Wang Xinxin, et al. Influences of gas flow on gas temperature and discharge mode in dielectric barrier discharge of nitrogen at atmospheric pressure[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(12): 8739-8746.

[25] Laux C O, Spence T G, Kruger C H, et al. Optical diagnostics of atmospheric pressure air plasmas[J]. Plasma Sources Science & Technology, 2003, 12(2): 125-138.

[26] Staack D, Farouk B, Gutsol A, et al. Characterization of a DC atmospheric pressure normal glow discharge[J]. Plasma Sources Science & Technology, 2005, 14(4): 700-711.

[27] 赵文华, 唐皇哉, 沈岩, 等. 谱线强度法所测得温度的物理意义[J]. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(11): 2145-2149. Zhao Wenhua, Tang Huangzai, Shen Yan, et al. Physical meaning of temperature measured by spectral line intensity method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2007, 27(11): 2145-2149.

[28] Iwasaki M, Inui H, Matsudaira Y, et al. Nonequilibrium atmospheric pressure plasma with ultrahigh electron density and high performance for glass surface cleaning[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(8): 081503.

[29] 唐晓闩, 李春燕, 朱光来, 等. 激光诱导Al等离子体中电子密度和温度的实验研究[J]. 中国激光, 2004, 31(6): 687-692. Tang Xiaoshuan, Li Chunyan, Zhu Guanglai, et al. Experimental investigation on the electron density and electron temperature of laser-induced Al plasmas[J]. Chinese Journal of Lasers, 2004, 31(6): 687-692.

[30] Hofmann S, Van Gessel A F H, Verreycken T, et al. Power dissipation, gas temperatures and electron densities of cold atmospheric pressure helium and argon RF plasma jets[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2011, 20(6): 065010(1-12).

[31] Rautian S G, Sobel'man I I. The effect of collisions on the doppler broadening of spectral lines[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1967, 9(5): 701-716.

[32] 潘成刚, 华学明, 张旺, 等. 傅里叶变换法计算焊接电弧光谱Stark展宽研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2012, 32(7): 1739-1743. Pan Chenggang, Hua Xueming, Zhang Wang, et al. Calculating the stark broadening of welding arc spectra by Fourier transform method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(7): 1739-1743.

[33] Konjević N, Wiese W L. Experimental Stark widths and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms[J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1990, 19(6): 1307-1385.

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，硕士，研究方向为高速铁路弓网电弧。

E-mail: yhuswjtu@foxmail.com

魏文赋 男，1987年生，博士，讲师，研究方向为放电等离子体。

E-mail: wfwei@home.swjtu.edu.cn（通信作者）

国家自然科学基金资助项目（U1234202、51325704、51577158、51607147）。

2016-05-30 改稿日期 2016-08-14