弓网系统接触电阻影响因素研究现状综述

摘要 弓网系统是电力化铁路系统的重要组成部分，为了提高弓网系统运行的可靠性与关键性，控制与降低弓网系统接触电阻至关重要，文章综述了目前关于弓网系统中接触电阻研究现状，并从接触压力、牵引电流及滑动速度等几个方面对弓网系统接触电阻的影响进行了探讨。结果表明，增大接触压力则提高弓网接触的稳定性，减小接触电阻；增加滑动速度会降低弓网接触的稳定性，破坏接触表面膜层，导致接触电阻增大；增大牵引电流将增强润滑作用，减小接触电阻。

关键词 弓网系统；接触电阻；接触压力；滑动速度；牵引电流

中图分类号 U264.34；U255 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0182-03

0 引言

在当今飞速发展的铁路运输领域中，铁路电气化技术正日益成为现代化电气铁路的重要组成部分。铁路弓网系统是指由受电弓和接触网组成的铁路供电系统，将电能输送至行驶中的列车。弓网系统作为铁路电气化中不可或缺的角色，其稳定性将直接影响铁路列车的正常运行。

弓网系统接触电阻是评价弓网系统安全稳定的重要因素，当接触电阻过大时，弓网接触处会产生额外的焦耳热，从而使得温度上升，加大弓网系统接触处导线的磨损，降低弓网系统的使用寿命。因此，研究弓网系统接触电阻对列车安全稳定运行具有重要意义。

由于运行中的列车处于动态过程，因此弓网系统的接触电阻实际上处于动态变化中。为了揭示接触电阻的变化规律，多数学者经过研究认为其主要受到接触压力、牵引电流及滑动速度的影响。通过研究发现，动态接触电阻与接触压力变化呈现正相关，当接触压力增大时，接触电阻则迅速下降；当列车处于运行中时，牵引电流会对金属表面产生氧化作用，增大膜层电阻，导致接触电阻上升；受电弓滑板与接触网导线在列车运行时因摩擦产生热量的影响，其接触电阻也会升高。

1 弓网系统及接触电阻构成

弓网系统是由受电弓与接触网组成的整体，向列车提供动力。弓网系统的示意图如图1所示：

图1 弓网系统示意图

由于受电弓与接触网属于滑动电接触类型，在列车运行中，受电弓与接触网之间将产生复杂的理化现象，随着列车运行速度的提升，烧蚀、损耗、离线等理化现象的出现概率将大幅提升，直接影响列车的安全稳定运行。

接触电阻是研究弓网系统安全性与可靠性的基础，接触电阻构成复杂。根据德国学者Raganr Holm提出的电接触理论[1]，任何两个接触物体的表面都不绝对光滑，金属表面会在空气中形成污染膜层，当两物体接触时，非光滑表面的突出部分将首先进行接触，Raganr Holm将这些接触部分称为导电斑。当电流经过导电斑时，电流线将发生收缩，电流路径增长，等效减小了导电面积，使得在导电斑局部出现附加电阻，称之为收缩电阻Rs（Constriction Resistance），如图2所示：

图2 电流收缩示意图

从图２可以看出，导电斑的存在将电流线聚集在一起连接着两个不同电导率的材料，即电流经过导电斑形成通路，导电斑则成为接触面上的导电区域，因此导电斑的大小及数目直接影响收缩电阻的大小。同时，由于弓网系统长期处于空气介质中，受氧化、污染等因素影响将在表面形成一层膜，称之为膜层电阻Rf（Film Resistance）。弓网系统表面膜层构成复杂，膜层之间相互渗透。在列车运行过程中，弓网系统处于滑动状态，接触面膜层也会受到影响，同时，由于波动接触压力的变化，弓网系统可能出现分离情况，其表面导电斑大小及数目也会发生改变，从而在接触面呈现出电容性或电阻性。当经过接触面导电斑的电流由于温度增大导致接触面温度上升时，导电斑将出现熔融现象，形成电弧，即电弧电阻Rg。在弓网系统接触处，膜层电阻与收缩电阻在电路上呈现串联关系，二者之和即为接触电阻。

2 接触电阻影响因素分析

多数学者经过研究认为接触电阻主要受接触压力、牵引电流及滑动速度的影响。该节从这三个影响因素入手，分析目前铁路领域内关于接触电阻影响因素的研究现状，对弓网系统接触电阻的研究进行综述。

2.1 接触压力的影响

在列车实际运行中，弓网系统处于一个完全动态的环境，受地势、环境及列车运行所产生的震动等因素影响，使得弓网系统接触处的状态时刻发生变化，其接触压力处于波动状态，对接触电阻产生一定波动，影响列车运行安全的稳定性。因此，研究弓网系统的接触压力对接触电阻的影响至关重要。文献2通过滑动电接触实验机，研究了不同波动载荷下接触电阻的变化规律[2]，图3为滑动电接触实验机。

图3 滑动电接触实验机

该文设定50 N、70 N、90 N、110 N共4个波动载荷，并通过在同一滑动速度下测量接触电阻的变化，得到接触电阻与波动载荷的变化关系。从实验结果分析来看，随着弓网系统接触压力的增大，接触电阻呈现明显的减小趋势；当牵引电流为250 A、滑动速度为120 km/h时，设定接触压力为50 N时得到的接触电阻约为0.055 Ω；当接触压力上升至110 N时，接触电阻大幅降低至0.03 Ω。分析造成接触电阻下降的原因是当接触压力增大时，弓网系统接触处的接触面积也随之增大，提高了列车运行的稳定性，从而减少了接触电阻。

文献3研究了弓网系统中无载流静态接触时的接触电阻与接触压力的变化关系[3]。试验结果与前文相符，当接触压力增大时，接触电阻呈现减小趋势，但当接触压力增大至120 N后，接触电阻基本维持在恒定值。分析造成接触电阻不再减小的原因是接触面的总形变达到了阈值，仅仅增加接触压力已经无法使接触面积增大，因此接触电阻的减小速率放缓。

2.2 滑动速度的影响

弓网系统作为一个电气与机械耦合接触的整体系统，其接触电阻与列车运行速度具有密不可分的关系。同时，由于弓网系统是一个动态系统，在列车在运行中会由于摩擦产生一定的磨损量，磨损量越多，接触处发热量越大，相应接触电阻也会增加。文献4对弓网系统的载流摩擦特性进行了深入研究[4]，将滑动磨损分为机械、电气及二者共同作用三部分，载流磨损公式如下：

WT=WE+WM+WEamp;M （1）

式中，WT——总磨损量；WE——纯电气磨损量；WM——纯机械磨损量；WEamp;M ——二者共同作用的磨损量。该文通过实验发现，弓网系统在有无载流情况下的摩擦特性存在差异，在无载流时，磨损量随着载荷增加而增加；当有载流时，磨损量随着载荷增大呈现先减小后增加的特性。同时，通过改变滑动速度观察磨损量发现，无论是否载流，弓网系统磨损量都会随着滑动速度增加而增加。

文献5研究了70 km/h、110 km/h、150 km/h、190 km/h四种不同滑动速度下的弓网系统滑板磨损率[5]。实验发现，滑板的磨损率与滑动速度成正相关趋势，这是因为当列车运行速度增大时，摩擦运动剧烈，磨损率增加，磨损率与滑动速度的关系如图4所示，此时不但会对弓网系统的连接稳定性产生影响，同时摩擦产生的热量也会导致接触电阻增大。

2.3 牵引电流的影响

牵引电流为列车提供动力，在列车运行中由于摩擦及振动而产生损耗。同时，增大牵引电流，接触表面的温度则因焦耳定律而升高，接触材料硬度变低起到润滑作用，接触电阻减小。文献6研究了波动载荷下的不同牵引电流对弓网系统接触电阻的影响[6]，通过在滑动速度为120 km/h、波动频率为2 Hz的条件下分别对牵引电流为100 A、150 A、200 A、250 A的弓网系统接触电阻变化规律进行研究。研究发现，随着牵引电流增大，接触电阻迅速下降，接触处温度升高，如图5所示：

分析其原因可能是较大的牵引电流导致的接触表面温度过高，接触处材料在高温作用下被软化，同时由于弓网系统的动态滑动特性，接触表面在剪切应力作用下变得更为平滑，增加了弓网系统的接触面积，有利于电流传导，从而减小了接触电阻，这种效应称之为“润滑”作用。文献7为验证牵引电流对磨损分布的影响，对实际运行的地铁运行数据进行了分析[7]，分析发现，接触线的损耗大部分为电气损耗且其分布受牵引电流平均值及幅值的影响。该文选取11号线上行与下行时的磨损率与滑动速度关系图发现，损耗与运行速度成正相关，即当牵引电流增大时，列车运行损耗增大。通过对不同牵引电流下的损耗分析还发现，牵引电流均值大于1 400 A时，损耗出现的概率增高，而牵引电流低于1 200 A时，损耗概率将降低。

3 结论

弓网系统为列车运行提供动力，接触网与受电弓之间的连接状态将直接影响列车的运行稳定性，而在弓网系统中，接触电阻是衡量弓网系统安全可靠的关键指标，对接触电阻的研究不仅可以在一定程度上解决由于环境、气候、地理等因素造成的铁路行业发展受限等问题，还对接触网与受电弓之间的参数改进具有指导意义。该文从接触压力、滑动速度及牵引电流三个影响方面对弓网系统的接触电阻变化规律进行了总结，得到结论如下：

（1）接触压力增大使得弓网系统接触面积增大，接触电阻减小，同时提升了列车运行稳定性。

（2）滑动速度增大破坏了接触表面的膜层，增大了接触电阻。

（3）牵引电流增大所产生的“润滑”作用增加了弓网系统的接触面积，减小了接触电阻。

参考文献

[1]R Holm. Electrical Contacts[M]： New York：Springer， 1979.

[2]时光，陈翼喆，李莹，等.基于先验知识的弓网接触电阻预测模型精度提升方法研究[J/OL].电工技术学报，2023-11-17/2024-09-02.

[3]陈忠华，石英龙，时光，等.受电弓滑板与接触网导线接触电阻计算模型[J].电工技术学报，2013（5）：188-195.

[4]郭凤仪，娄晓妹，李本君，等.滑动电接触磨损量最小的最佳载荷实验[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012（1）：81-84.

[5]陈忠华，李纪臻，邢植良，等.强电流下弓网滑动电接触磨损特性分析和建模[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2023（6）：740-747.

[6]赵佳坤.弓网接触电阻特性及基于先验知识的建模研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2023.

[7]杨虎，耿星洁.地铁列车牵引电流对接触网磨耗影响分析[J].现代城市轨道交通，2023（S1）：59-67.