直流牵引供电系统弓网电接触特性研究

姜赞，杨建明，王传芳，贺觅知

(北京中车赛德铁道电气科技有限公司，北京 100176)

1 引言

电气化铁路受电弓与接触网之间的匹配关系(简称弓网关系)是系统运行的重要关系之一，同时也是现有列车速度重要限制因素之一[1]。对整个电气化铁路的正常运作起着重要的作用，由于列车运行速度提升及硬点等原因，列车在运行过程中受电弓与接触网发生离线而产生电弧，造成电力机车中牵引电机等负载的不正常工作。弓网之间电接触温升过高会影响接触网的机械特性和电气特性，加速接触网劣化，产生安全隐患。当前电气化铁路由于弓网匹配失当引发的受电弓磨损加剧、接触网烧断、弓网电弧过电压剧烈等问题突出[2-4]。亟需建立弓网电接触模型分析弓网电接触过程的温升特性，获得接触网结构设计与列车负荷特性设计之间的关系，确保弓网系统安全可靠性[5]。

结合列车运行工况数据，建立弓网电接触模型，研究接触网拉出值、列车运行速度、运行工况及受电弓碳滑板设计与弓网电接触温升之间的关系，计算动力负荷条件下车辆升弓取流过程的弓网温升过程，计算电力机车动力负荷条件下弓网温升过程。

2 运行工况与建模

弓网系统中列车上方的接触网和受电弓通常暴露在空气中，弓网之间由于柔性接触不良，频繁产生弓网电弧或接触过热，使得弓网系统成为整个供电环节中最易受损坏的地方，会引起的高速列车整体受流质量下降，造成牵引力不足，从而影响车辆的正常运营。弓网系统故障主要分布在接触网、受电弓和自然环境三个要素方面。近十年来，南京地铁，深圳地铁，岔滩至石门坎铁路沿线频繁出现弓网接触不良，接触线劣化等造成的弓网事故。

对于直流牵引供电系统，车载24台牵引电机，列车运行过程，典型线路的负荷曲线如图所示，列车运行电流4080A，运行速度30～140km/h，运行过程的负荷特性如图1所示。在制动工况，运行电流最大可达到5760A，最小速度64km/h，制动电流最大速度约为100km/h。

图1 列车运行工况负荷特性

当前电气化铁路采用的典型接触线主要为AC系列接触线和BC系列接触线，接触线截面尺寸如图2所示。

图2 电气化铁路接触线典型截面图

2.1 弓网电接触模型

结合典型接触线及受电弓材料特性与线路参数，开展弓网接触温度计算。线路设计过程锚段间距L，此时机车运行速度为v，则运行单位锚段需要的时间为T1，若接触线的拉出值为L1，则受电弓与接触线的接触速度可以表示为:

若此时接触线界面与受电弓接触长度为L3，则受电弓与接触线在等效发热面上的接触时间可以计算为:

式中，Lc表示受电弓截面宽度。

同时结合接触网和受电弓(碳滑板)尺寸，建立弓网关系模型如图3所示。

图3 弓网关系模型图

3 弓网电接触温升特性

受电弓与接触网之间的接触温升主要受弓网之间的相对速度、负荷电流、接触面积的影响。

3.1 运行速度与弓网接触温升

考虑露天环境温度值20℃(293K)，线路情况，接触线拉出值250mm，接触线短时(10-4s级)发热情况温度受表面散热影响较小，外侧气流对接触网散热的影响较小。当通流4080A时(单滑板受流454A)电力机车运行速度30～140km/h时，受电弓与接触网间温度计算结果如图4所示。弓网接触温度超过301K。

图4 新接触线拉出值250mm时接触温度(机车时速30km)

增大运行速度，弓网接触时间变短，弓网接触温升降低，当机车运行速度为135km/h，弓网接触温度接近环境温度。弓网接触温度计算结果如图5所示。弓网接触温度299K，低于拉出值为250mm的情况。

图5 新接触线拉出值250mm时接触温度(机车时速135km)

3.2 磨损条件下的弓网温升

受电弓磨损后，弓网之间接触面积增大，接触电阻略有减小，当接触线磨损30%时，接触线截面接触尺寸由4.5mm增大到9.87mm，结合计算模型，仿真得到接触面的温升状况如图6所示。此时弓网之间温度接近296K。

图6 磨损30%接触线拉出值250mm时接触温度(时速30km)

机车运行速度增加至135km/h时，弓网接触温度291K。如图7所示。

图7 磨损30%接触线拉出值250mm时接触温度(时速135km)

3.3 制动工况弓网接触温升

结合图1(b)中列车运行过程负荷曲线，修改模型参数，获得制动条件下，拉出值250mm情况，总负荷电流5760A，的弓网接触温度仿真计算结果如图8所示。弓网接触温度达到329K。随着列车速度升高，接触温度略有下降。

图8 弓网接触温度

3.4 受电弓设计与弓网接触温升

采用BC-120线隧道条件双弓六碳滑板及双弓四碳滑板新接触线拉出值250mm时的不同速度情况及制动工况的接触温度。如图9所示。

图9 BC-120线隧道条件接触线拉出值250mm时的不同速度情况及制动工况的接触温度

电力机车在新接触网与磨损30%的接触线在不同接触线拉出值及不同的运行速度下发热情况不同，随着机车运行速度的增加，弓网间发热温度降低，接触网磨损后，由于接触面积增大，接触电阻降低，发热面积增大，弓网接触温度降低。结合露天环境及隧道环境的电机机车弓网接触过程，获得不同条件下的弓网接触温度，如图10所示。

图10 不同条件下的弓网接触温度图

电力机车运行过程中，接触线与碳滑板的接触温度受接触线的磨损状况、拉出值及环境温度影响。新接触线与碳滑板之间接触电阻较大，接触温度较高，拉出值较小时，接触线与受电弓接触时间较长，接触温度较大，隧道内环境温度高，在一定程度上会提高接触线与碳滑板的接触温度。

3.5 动力负荷条件下的弓网接触温升

考虑城轨列车运行前预热过程，施加动力负荷电流300A，施加电流时间30min，获得施加动力电流负荷后的弓网接触温度如图11所示。

图11 施加动力负荷电流后弓网接触温度

同时获得BC-120和BC-150接触线30min温升情况，BC-120接触线温升略高于BC-150接触线，30min温升相差2K如图12所示。

图12 施加动力负荷电流后弓网接触升温曲线

当采用双弓六碳滑板情况，动力负荷条件下，升弓30min时弓网接触温度如图13所示。

图13 施加动力负荷电流后弓网接触温度(双弓六碳滑板，动力负荷300A，静弓接触，1800s)

结合标准EN-50149规定与参考，当有三受电弓九块碳滑板时弓网接触温度低于接触线温度限值353K；当有双受电弓六块碳滑板时，动力负荷下弓网接触温度386K，超出耐受温度值。

4 讨论及建议

结合3.1节分析可知，机车运行速度越高，受电弓与接触线之间的接触时间越短，受电弓与接触网之间的弓网温升越低，最高温度301K，接触温升约为8℃，锚段长度相同时，拉出值为250mm时，弓网接触温度较高，拉出值350mm时，接触温度较低，最大值299K，接触温升6℃；当接触网出现磨损时，接触温升降低，当接触线磨损30%，接触线最大接触温度接近296K，约为4℃，接触温升不是造成磨损接触网进一步损伤的主要原因，由于接触线磨损造成的弓网电弧有可能是接触网损伤加剧的关键；当出现受电弓故障需要单弓运行时，在牵引负荷电流4080A情况，双弓4碳滑板时弓网接触温度超出标准规定的温升80℃，可能会影响接触线的电气性能和机械性能。动力负荷条件下三弓9碳滑板情况30min内弓网接触温升低于标准值，双弓6碳滑板时，接触温升接近标准限制，不建议采用双弓4碳滑板的设计条件进行动力负荷的预热。

5 结论

(1)负荷电流4080A及制动工况5060A条件下，弓网接触温升随列车运行速度的增加而减小，在运行速度为30km/h时，弓网接触温度324K，温升51℃，对弓网电气性能无影响。

(2)受电弓碳滑板数量减少，接触温度升高，采用单弓四碳滑板运行时，接触温度超过370K，温升87℃，超出规定限值；同时动力负荷条件下，双弓六碳滑板升弓30min，弓网接触温度380K，超出容许温升。