发射光谱法测量城轨弓网电弧等离子体温度

王泽 于晓英 宋梦杰

摘要：通过设计弓网电弧光谱实验，模拟DC 1 500 V条件下的城轨弓网燃弧现象，利用光谱仪测量电弧光谱数据，选取电弧光谱中5条Cu I的分立线状特征谱线，采用玻尔兹曼图方法得到相同条件下6组电弧的平均温度为5 962.20 K，符合电弧等离子体的温度特征.文中研究方法及结论对城轨弓网电弧温度的在线监测具有一定的指导意义.

关键词：城市轨道交通；弓网燃弧；等离子体温度；光谱测温

中图分类号：U 225.3 文献标志码：A 文章编号：1001-988Ⅹ（2023）04-0050-04

城市轨道交通运行环境特殊，承载能力强，是一种便捷、环保的交通方式，具有较高的运输效率［1］.当前国家对城轨交通建设做出了中长期规划，预计到 2025年末，我国城市轨道交通线路总长将超过10 000 km，2030年末，接近15 000 km.

城轨列车获取动力的直接来源是弓网系统［2］.通过刚性接触线与受电弓之间的持续摩擦接触获取电能，微观条件下二者之间只有部分点的接触［3］.城轨列车高速行驶时，弓网短暂离线现象不可避免，离线间隙气体被高压击穿，即发生弓网燃弧，电弧等离子体伴随的剧烈高温会侵蚀接触线、受电弓滑板，导致弓、线接触面微观形态发生变化，最终降低设备使用寿命，影响机车受流质量［4-5］.

目前，针对电弧等离子体温度的研究主要集中于开关电弧及交流弓网电弧领域，而广泛应用于城市轨道交通的直流弓网电弧的相关研究成果相对较少［6-7］.直流弓网电弧持续时间长、燃弧率高、燃烧稳定，高温等离子体会对弓网造成一定的影响［7］.因此，很有必要开展直流弓网电弧等离子体温度的研究.

电弧等离子诊断技术主要有接触式和非接触式两种.属于非接触式诊断的发射光谱法由于不会对电弧等离子体的热辐射产生影响、诊断原理简单、仪器操作简单，在等离子体参数诊断中得到了廣泛应用［8］.胡怡等［9］利用光谱诊断技术研究发现，受电弓下落时，间隙距离增加致使电弧温度下降，牵引电流增大，电弧温度增大.刑立成等［10］以铜元素光谱为主要特征谱，利用玻尔兹曼绘图法，对测得的弓网电弧光谱分析后计算得到电弧激发温度.Zheng等［11］利用弓网电弧温度在线监测装置，基于原子发射光谱法测温原理，通过两条特定的特征谱线来计算电弧温度.上述研究对象均为交流弓网电弧，且实验电流电压较小，诊断结果无法反映工程实际情况，所用光谱仪采集效率偏低、测得数据缺乏稳定性且采用两条特征谱线进行弓网电弧温度计算的结果误差较大.

文中通过设计充分接近现实工况的弓网燃弧实验，产生DC 1 500 V供电的直流弓网电弧，利用8通道光谱仪对准电弧发生位置高效测取原子发射光谱.选取多条原子谱线，在NIST数据库中查询对应原子跃迁参数，应用多谱线斜率法计算城轨弓网电弧等离子体温度，为进一步研究电弧离子体内部变化过程提供理论依据及数据支持.

1 原理部分

1.1 电弧等离子体温度特性

等离子体是除固、液、气三种存在形式外的第四种物质形态，具有高密度、高温度特性，作为多种粒子的集合体，其整体对外显电中性［12］.电弧等离子体内部粒子发生碰撞后，总能量趋于平衡，此时，其主要特性不再是密度，而是温度［13］.本文研究的弓网电弧等离子体是一种热等离子体.弓网燃弧时，尽管气体在间隙内不能完全电离，但粒子之间存在着剧烈的撞击和能量交换，此时等离子体呈现高度的电离状态，其中主要粒子的温度即电子、正离子、中性粒子的温度约相等，也就是所谓的“局部热平衡（LTE）”状态.当体系达到热平衡时，电子温度就可以反映等离子体温度［14］.特定温度下，等离子体内电子与离子的剧烈碰撞会持续将光波发射出去，其中包含许多特征谱线.文中对等离子体电子温度进行诊断，并以此来反映城轨弓网环境下的电弧等离子体的温度特性.

1.2 发射光谱法测温原理

发射光谱法测量等离子体的激发温度通常采用原子光谱，文中采用误差相对较小的“斜率法”来诊断电弧等离子体温度.

2 实验部分

2.1 实验装置及方案

当两个不同电位的导体相距较近时会形成较大场强，该数值大于一定值时，导体间隙中的空气会被击穿，产生电弧等离子体并伴随发光现象.根据以上电弧发生机理，本文设计了一种能还原现场情况的弓网电弧实验，实验装置如图1所示.

本实验所用电极材料与城轨弓网系统现场情况一致.实验设备及作用如表1所示，试验所用碳滑板材料的规格参数如表2所示.

根据图1完成实验电路搭建.安装软铜线在高压发生器高压端，将接触线用线夹紧固并进行软铜线的长度和位置调节，避免其位置因晃动而发生变化.调整软铜线的长度之前，先完成碳滑条接地，然后将接触线和碳滑条与高压控制台相连接，调整维持二者与地面的水平关系，调整夹具保持最少10 mm的间距.对光谱仪进行校准，按照实验要求水平放置于预先确定的位置，对准电弧发生点.本试验采用调压器对1 500 V直流电压进行控制.首先使用变压器提升电压，然后利用整流器使高压输出为1 500 V.设备固定后，在暗室环境下开启高压发生器，缓慢将高压端有效电压调至DC 1 500 V，观察接触线与碳滑条之间是否出现电弧.若弧光未出现，将电压归零，关闭电源后调整二者距离，再次接通电源时若出现弓网电弧，记录此时接触线与碳滑条之间的距离，完成光谱数据采集.

结合城轨弓网系统的实际运行与实验室实际情况，此次弓网电弧光谱实验接近实际城轨弓网系统中的燃弧现象.电弧的演变规律相似，因此文中设计的实验诊断电弧等离子体温度对于实际城轨弓网电弧温度诊断具有一定参考价值.

2.2 实验结果及分析

光谱是由各种微观粒子能量发生变化时发出的电磁波，从光谱的形态角度看，主要包括线状光谱、带状光谱和连续光谱［16］.

选用合适的谱线，可以极大地降低测量误差，提高测量精度［17］，文中利用光谱中的分立线状谱线来检测弓网电弧等离子体的电子激发温度.

谱线应当选取同一种类的谱线，相对强度要较高，激发态能级的差异越大越好；其次，所选原子谱线应不易出现自吸收.由于弓网系统接触导线的主要电极材料是铜，因此电弧等离子体中含较多激发态铜原子，燃弧时光谱中会出现大量铜原子的特征光谱.弓网电弧的辐射光谱如图2所示.

由图2可知， Cu I的特征谱线比其他谱线更多，因此选取Cu I的特征谱线进行等离子体中电子温度的计算.本文选取5条特征谱线的光谱数据进行计算，其原子跃迁参数如表3所示.

根据（3）式绘制出玻尔兹曼图，如图3所示.图3中5个点对应选取的5条谱特征谱线，线性拟合的相关系数为0.98，说明斜率法确定的等离子体的温度较为准确［18］.本次实验中城轨弓网电弧的燃烧是随机的，所以一次测试所得的结果具有一定局限性，为了全面反映等离子体的辐射特征，采用同一实验条件下的多组实验，在拟合度较好的情况下进行温度计算.本文进行了6组试验，表4为斜率和等离子体温度拟合计算结果.

以上6组拟合图像中相关系数均大于0.75，因此拟合度较好，温度结果较为可靠，根据表中结果对比发现，尽管弓网燃弧随机性强且温度具有一定波动性，但其波动范围是在百开尔文量级.最终计算得到的城轨弓网电弧等离子体平均温度值为5 962.20 K，说明该方法可以有效诊断城轨弓网电弧等离子体的温度.

3 结束语

城轨弓网电弧等离子体产生的瞬间高温加剧弓网系统的磨损，缩短其使用寿命，烧蚀加剧时会导致弓网断线事故，严重威胁城轨列车的运行安全.本文利用发射光谱法，选择合适的特征谱线，对 Cu I的多条谱线进行分析，获得拟合图像，从多组温度计算结果发现在燃弧条件不变的情况下，城轨弓网电弧温度的变化范围在百开尔文量级，波动范围不大.最终计算得到模拟真实工况下的城轨弓网电弧等离子体的温度为5 962.20 K，符合电弧等离子体处于局部热平衡状态下的温度特征.后续工作可以进一步研究城轨弓网电弧等离子体的密度特性和起弧、燃弧、灭弧过程中的温度变化以及弓网电弧温度、持续时间对接触线及受电弓滑板的微观影响.

参考文献：

［1］ 李鑫，朱峰，邱日强，等.地铁弓网电弧对机场仪表着陆系统影响研究［J］.铁道学报，2018，40（5）：97.

［2］ 于晓英.基于日盲区的城市轨道交通弓网电弧检测系统的研制与应用［D］.兰州：兰州交通大学，2021.

［3］ 吴杰，高国强，魏文赋，等.弓网系统滑动电接触特性［J］.高电压技术，2015，41（11）：3635.

［4］ 韩正庆，陈晨旭，沈睿，等.高速铁路电分相电弧运动发展规律研究［J］.中国电机工程学报，2020，40（10）：3154.

［5］ 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.

［6］ 于晓英，宋梦杰，王泽，等.城轨弓网电弧持续时间及强度与电弧温度的关系研究［J］.西北师范大学学报（自然科学版），2022，58（3）：62.

［7］ 王君鹏.直流弓网电弧关键特性研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2021：9.

［8］ 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.

［9］ 胡怡，高国强，陈旭坤，等.基于光谱的降弓过程弓网电弧研究［J］.高电压技术，2018，44（12）：3980.

［10］ 邢立成，张晓冬，刘彪，等.弓网电弧温度及导电特性的光谱分析［J］.光谱学与光谱分析，2018，38（3）：890.

［11］ ZHENG X，GAO G，YANG Z，et al.An online monitoring device for pantograph catenary arc temperature detect based on atomic emission spectroscopy［C］//Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application（ICHVE），Athens：IEEE，2018.

［12］ 侯星雨.直流弓网电弧特性及识别方法研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2020.

［13］ 古圳.弓网电弧形态特性与等离子体参数试验研究［D］.成都：西南交通大学，2016：37.

［14］ 孙元成，宋学富，杜秀蓉，等.常压高频等离子体电子温度的光谱法诊断［J］.光谱学与光谱分析，2017，37（2）：368.

［15］ 张晋，袁召，陈立学，等.真空电弧等离子体发射光谱诊断［J］.强激光与粒子束，2021，33（6）：120.

［16］ 胡怡，雷栋，高国强，等.弓网电弧等离子体温度试验研究［J］.电器与能效管理技术，2016（15）：23.

［17］ 崔行磊，周学，张勇，等.基于彩色摄像和光谱分析联合测温方法的电弧温度场分布测量［J］.电工技术学报，2017，32（15）：128.

［18］ 欧阳玉花，袁萍，賈向东.用多谱线法计算闪电通道等离子体温度［J］.西北师范大学学报（自然科学版），2006，42（3）：49.

（责任编辑 孙对兄）