1、受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究1引言電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)是電氣化鐵道的主要供電設備，電力機車通過接觸網(wǎng)取得電能。弓網(wǎng)關系對整個電氣化鐵路系統(tǒng)的正常運營起著非常重要的作用，保證受電弓與接觸網(wǎng)導線的良好接觸是弓網(wǎng)關系中亟需解決的關鍵問題1。近年來，弓網(wǎng)系統(tǒng)不良電接觸引起的材料燒損及接觸線斷線事故占弓網(wǎng)事故的比例呈逐年上升之勢，專家學者對弓網(wǎng)系統(tǒng)的火花與燃弧現(xiàn)象存在不同見解。隨著旅客列車高速化及貨物列車重載化的實施，有必要依據(jù)電接觸理論，對弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性進行研究，對弓網(wǎng)系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象做出合理解釋為解決這些問題提供理論依據(jù)2。弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸的特征在弓網(wǎng)的運輸系統(tǒng)中，電接觸

2、主要指滑板與接觸線相互接觸并通過接觸界面實現(xiàn)電流傳輸?shù)囊环N物理、化學現(xiàn)象3。電接觸形式包括點接觸、線接觸和面接觸，如圖2-1所示。弓網(wǎng)系統(tǒng)相對靜止不動時，受電弓與接觸網(wǎng)接觸區(qū)域表現(xiàn)為滑板平面與接觸線圓弧面之間的線接觸。無論接觸部分如何加工、打磨及運行過程中的相互磨損，在微觀上總是凸凹不平的，如圖2-2所示。即使有很大的接觸壓力使滑板與接觸線相互壓緊，也只有少數(shù)的點（或小面）實際發(fā)生了真正的接觸，這些實際接觸的點（或小面）承受著全部的弓網(wǎng)接觸壓力。由于接觸線和滑板表面一般都覆蓋著一層導電不良的氧化膜或其它種類的雜質，因而在實際接觸點（或小面）內，只有少部分膜被壓破的地方才能形成電的直接接觸，電流

3、實際上只能從這些更小的接觸點中通過，如圖2-3所示。把實際發(fā)生機械接觸的點（或小面）稱為接觸斑點，接觸斑點中那些形成金屬或準金屬接觸的更小面（實際傳導電流的面）稱為導電斑點。（a）點接觸（b）線接觸（c）面接觸圖2-1電接觸形式圖圖2-2滑板與接觸線接觸斑點圖2-3電流收縮現(xiàn)象圖弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)接觸電阻電氣列車所需的電流通過導電斑點從接觸網(wǎng)流向受電弓，電流線在導電斑點附近發(fā)生收縮，使電流流過的路徑增長，有效導電面積減小，會出現(xiàn)局部附加電阻，稱為收縮電阻。電流通過接觸斑點時還會遇到準金屬接觸，電子通過極薄的膜時還會遇到另一附加電阻，稱為膜電阻4。這兩部分電阻在電路上串聯(lián)，相加后的總電阻構成弓網(wǎng)系統(tǒng)的

4、靜態(tài)接觸電阻。靜態(tài)接觸電阻是表征弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸面電特征的重要參數(shù)，對于弓網(wǎng)系統(tǒng)點狀接觸的粗糙表面，單個導電斑點的接觸電阻可用下列公式計算R二厶e14a（3-1）R=2e24a（3-2）R=R+R+R=i+R（3-3）ce1e2f4a4a式中Rc收縮電阻（Q）;Re1、Re2分別為兩接觸面收縮電阻（Q）；R“一膜電阻（Q）；P、P分別為接觸線、滑板材料的電阻率(Qm)；12a導電斑點的半徑(m)。如果通過弓網(wǎng)接觸斑點的電流增大，或弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻增高，則接觸斑點的電壓降必然增大，導電斑點和收縮區(qū)內的溫度亦會相應增高，當溫度達到接觸線或滑板材料的軟化點和熔化點時，導電斑點及其附近的接觸線或滑板材料就

5、會發(fā)生軟化和熔化。實際上，新開通電氣化鐵路或受電弓滑動接觸次數(shù)較少的接觸線表面均有一層導電率較差的表面膜，弓網(wǎng)滑動接觸過程中，電火花現(xiàn)象較明顯。隨著弓網(wǎng)滑動次數(shù)的增加，接觸線的表面膜逐漸被弓網(wǎng)相對滑動破壞，也可能被較高的電場破壞，此時弓網(wǎng)系統(tǒng)單個導電斑點的接觸電阻只有收縮電阻部分，即丄+E4a4ap+P124a3-4)式(3-4)為弓網(wǎng)系統(tǒng)一個導電斑點的接觸電阻，假設弓網(wǎng)之間的導電斑點有n個,每個導電斑點間的距離比a大得多，多斑點間的收縮電阻為并聯(lián)關系，弓網(wǎng)系統(tǒng)總的靜態(tài)接觸電阻為3-5)R=4c4na當接觸點的壓強超過較軟接觸材料屈服強度就會出現(xiàn)塑性變形，考慮到弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)壓力范圍及材料的硬度

6、定義，認為接觸硬度H為H=-(3-6)Sn兀a2式中H一滑板和接觸線兩者中較軟材料的接觸硬度(Nm2)；F弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力(N)；S接觸面積(m2)；n導電斑點的數(shù)目；a一單個導電斑點半徑(m)由式(3-6)知a=(3-7)加H將式(3-7)代入式(3-5)得弓網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)接觸電阻為3-8)3-9)p+p:兀Hp+p:兀142nF=142ns如果將所有導電斑點等價為1個，即n=1,式(3-8)演變?yōu)镽_P+阿_P+匡c_方F_142由式(3-9)可知，弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻與滑板及接觸線材料的電阻率、導電斑點數(shù)目、接觸硬度、接觸力大小有關。準確計算弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻比較困難，通常進行估算或通過試

7、驗得到5。弓網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱效應電動列車停車時，其內部附屬設備的運轉仍需通過相對靜止的弓網(wǎng)接觸點獲取電能。由于接觸電阻的存在，當電流通過接觸點時必然產生焦耳熱，使弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸點局部區(qū)域溫度升高，嚴重時溫升可達到滑板和接觸線材料的軟化點、熔化點，甚至發(fā)生接觸線斷線事故。根據(jù)電位溫度理論6，導電斑點超過接觸點外的溫度接觸溫升與接觸電阻及通過接觸點的電流成簡單的函數(shù)關系：6_聖_咚(4-1)8九p8九p將式(3-8)的R代入上式得c0_(pi+_p?叫2(4-2)128九pnF0導電斑點超出接觸點以外區(qū)域的溫度，即接觸溫升(K);U電流I通過接觸點產生的壓降，即接觸壓降(V)；I通過接觸點的總電流(A

8、)；甫一滑板與接觸線材料的熱導率與電阻率乘積的平均值(V莓K)。由式(4-2)可知，通過弓網(wǎng)接觸區(qū)域的電流越大，或者接觸電阻越高，則接觸點溫升亦會相應變大；另外，滑板與接觸線材料的電阻率也是接觸點溫升的主要影響因素。為保證高速及重載情況下弓網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行，滑板與接觸線材料必須具備良好的電氣性能。國內外典型的受電弓滑板電阻率與硬度值見表4-1。表4-1受電弓滑板電阻率與硬度值國家滑板種類硬度/HS電阻率/（卩m-1）歐美浸金屬碳滑板（MY7D）968.1純碳滑板（CY3TA）9224中國浸金屬碳滑板968純碳滑板6535日本浸金屬碳滑板（MC）1009純碳滑板（SW）7530我國電氣化鐵路中使

9、用的銅或銅合金接觸線主要機電性能見表4-2。表4-2銅或部分銅合金接觸線主要機電性能電阻率（20oC）/接觸線類別型號抗拉強度/MPa(Q-mm2-m-1)銅CT1203600.01777銅銀合金CTAH1203600.01777銅錫合金CTS1204200.02395銅鎂合金CTMH1204900.02778由表4-2可知，銅銀、銅錫、銅鎂幾種接觸線的抗拉強度及電阻率依次遞增。目前,CRH系列動車組使用的DSA型受電弓為電阻率較高的純碳材料滑板。當弓網(wǎng)接觸力一定時，這種碳滑板分別運行在銅銀、銅錫和銅鎂接觸線區(qū)段時的弓網(wǎng)接觸電阻依次變大,動車組取流通過接觸電阻時產生的熱量對弓網(wǎng)接觸區(qū)域的加熱所

10、引起的電火花強度也不同。顯然,動車組分別運行在銅銀、銅錫、銅鎂合金的接觸線區(qū)段時,其弓網(wǎng)系統(tǒng)的電火花現(xiàn)象依次呈劇烈遞增狀。另外,由于在取流量較大的電動列車啟動或速度較低區(qū)段存在接觸電阻,應重視弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流能力和溫升特性,避免滑板和接觸線局部因熱能積聚,導致接觸點過熱引起接觸線抗拉強度下降,甚至發(fā)生接觸線斷線事故,必要時應采取措施減小弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻。弓網(wǎng)系統(tǒng)的故障現(xiàn)象在大多數(shù)情況下,弓網(wǎng)系統(tǒng)滑板與接觸線脫離接觸時,供給滑板和接觸線離線間隙的電流和電壓分別大于生弧電流和生弧電壓，弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧現(xiàn)象不可避免。電弧將滑板與接觸線的離線間隙擊穿，維持了電氣列車取流的持續(xù)性，這對滑動接觸能量傳輸至關

11、重要。弓網(wǎng)系統(tǒng)產生電火花和電弧現(xiàn)象的情形有多種，不同情況下產生的電弧可能是運動的、也可能是半運動的或靜止不動的，其對弓網(wǎng)系統(tǒng)材料的影響也不盡相同，應根據(jù)具體情況具體對待。滑動接觸過程中的弓網(wǎng)電火花現(xiàn)象在弓網(wǎng)滑動接觸時，如果滑板及接觸線的實際導電面面積較小、接觸電阻升高或者列車流量較大，則電流可能通過導電斑點而發(fā)出熱量，造成導電斑點的溫度快速上升，當達到一定程度后，就會出現(xiàn)電火花。另外，在弓網(wǎng)相對運動過程中，也可能造成導電斑點的斷裂問題，滑板和接觸線的凸部位置脫離，相互接觸就會產生電火花。以上兩種情況在弓網(wǎng)滑動接觸中最為常見，甚至列車低速運行狀態(tài)下也難以避免。此時弓網(wǎng)系統(tǒng)并未出現(xiàn)機械脫離或接觸力

12、不足的現(xiàn)象，電火花的能量較弱，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響有限。滑動接觸過程中的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象在弓網(wǎng)系統(tǒng)的滑動接觸中，受電弓與接觸網(wǎng)相互振動，接觸網(wǎng)周期性的彈性變化及受電弓通過不規(guī)則（比如：接觸線不均勻抬升量、接觸線安裝缺陷、接觸線本身缺陷、單一質量塊等）地方時，導致弓網(wǎng)接觸壓力波動加劇。當接觸壓力逐漸下降時，滑板和接觸線的接觸面積減小，兩者之間的接觸電阻增加，電流通過接觸電阻引起的焦耳熱增加，接觸面的溫度上升。當滑板和接觸線之間的接觸壓力為零、兩者之間機械脫離時，弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧現(xiàn)象也就產生了。實際運行經驗表明，雙滑板受電弓的任一根滑板與接觸線脫離接觸時，即使另一根滑板與接觸線接觸良好，脫離接觸的那一根滑板

13、與接觸線之間也會產生電弧。當弓網(wǎng)接觸恢復正常之后，電弧會自動熄滅，如果弓網(wǎng)電弧拉開一定距離，則電弧也會熄滅。對于高速運行的列車來說，弓網(wǎng)系統(tǒng)中的電弧，可能與弓網(wǎng)一起快速移動，也可能在較短的時間內瞬間熄滅。雖然電弧的溫度比較高，但是熱流對弓網(wǎng)系統(tǒng)的侵蝕作用十分有限，也不會對弓網(wǎng)系統(tǒng)產生過多影響。高速運行中的電弧對環(huán)境產生影響，但卻能保證電動列車取流的連續(xù)性，這對滑動接觸下的能量傳輸非常重要。當然，如果空氣間隙增大，電流中斷，列車會因為電源切斷而失去牽引動力。受電弓升降操作時的弓網(wǎng)電火花或電弧現(xiàn)象電氣列車靜止不動時，受電弓的升弓或降弓應為無負載或小負載操作，此時的電氣列車主斷路器應處于分狀態(tài)?；?/p>

14、與接觸線接觸或脫離瞬間，由于要切斷或接通電氣列車的電壓互感器等負載，接觸區(qū)域在接觸或脫離瞬間有電火花現(xiàn)象發(fā)生，電火花的能量較小，一般不會對弓網(wǎng)系統(tǒng)帶來嚴重后果。當電氣列車斷路器處于合狀態(tài)時，受電弓的升弓或降弓（尤其是降弓）操作接通或開斷的電流較大滑板與接觸線之間的高電壓及大電流導致弓網(wǎng)系統(tǒng)產生強烈的靜止電弧現(xiàn)象，可能造成接觸線或承力索的熔化斷線及引起金屬類滑板的局部熔化。對弓網(wǎng)關系的一些心得（1）接觸電阻是弓網(wǎng)電接觸的基本參數(shù)，接觸電阻與弓網(wǎng)材料、壓力、形式以及接觸面等狀況有關。弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)接觸壓力取值應根據(jù)弓網(wǎng)系統(tǒng)的實際運行狀況確定，主要決定因素為電氣列車靜態(tài)取流量、弓網(wǎng)系統(tǒng)燃弧率及接觸線與

15、受電弓滑板的材料。弓網(wǎng)系統(tǒng)電火花現(xiàn)象與滑板和接觸線材料的電阻率密切相關銅鎂接觸線與碳滑板材料的電阻率較高，兩者的接觸電阻均比較大。使用碳滑板的CRH系列動車組運行在銅鎂接觸線區(qū)段時，弓網(wǎng)系統(tǒng)產生的電火花現(xiàn)象較運行在銅銀接觸線區(qū)段劇烈。因此，我們對材料的選擇要十分謹慎。（2）取流量較大的電動列車在啟動或速度較低區(qū)段，由于存在接觸電阻，弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流能力、溫升特性應引起重視，避免滑板和接觸線局部過熱引起接觸線斷線事故的發(fā)生，必要時應采取措施減小弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻。（3）列車高速運行情況下，不僅要維持弓網(wǎng)系統(tǒng)良好的動態(tài)關系，還應根據(jù)需要對接觸材料的電氣性能進行匹配。受電弓與接觸網(wǎng)的電接觸特性說明，應將兩者作為一個整體進行研究。參考文獻王萬崗，梁明亮,吳廣寧，等.弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)接觸電阻特性研究J.高壓電