电气化铁路弓网系统电弧磨损研究

夏天久，高 保，邵 岩

电气化铁路弓网系统电弧磨损研究

夏天久，高 保，邵 岩

针对电弧磨损特性，研究了在不同接触网拉出值情况下的接触线电弧磨损情况，定量分析在不同拉出值情况下的接触线磨损与滑板磨损情况。

电气化铁路；离线电弧；磨损；拉出值

0 引言

随着我国高速电气化铁路的发展和列车运营里程的提高，对于列车运行速度提出了越来越高的要求。然而，列车运行速度越快，轨道运行不平顺等原因造成的弓网系统离线率也越来越高。在弓网离线过程中，由于弓网间隙上的电压很高，会使间隙内空气击穿并形成电弧。离线电弧的产生将会造成极高的电弧过电压，过电压对于列车牵引供电系统产生重要影响，同时，列车周边的通讯线路等也会受到很大的影响。因此，对弓网离线电弧的机理进行分析，研究在不同设计条件下的电弧特性变化情况，探究电弧烧蚀对接触线表面的电气磨损情况具有重要的意义[1]。本文针对目前运行着的电气化铁路设计过程中的拉出值情况，分析拉出值的设定对接触线电气磨损情况的影响。

1 列车燃弧过程分析

良好的弓网运行状态是指在列车运行过程中，接触网导线和受电弓滑板之间保持良好的接触，使得接触网电流持续流向列车，为列车设备取电，提供动力。然而，在列车运行过程中，受到运行环境的限制，弓网之间会出现频繁的离线。在离线过程中，弓网间隙内的空气被击穿而形成电弧。电弧的存在会保障弓网之间的持续受流。然后在电弧燃弧过程中，电弧内的极高温度会导致接触线表面材料熔溅，磨损。这种磨损的存在会直接降低接触线的使用寿命。目前，我国所采用的接触线均为进口接触线，其寿命仅有20年。因此，在设计接触线布线过程中，考虑调整接触线拉出值的设计参数，从而降低电弧对接触线使用寿命的破坏，具有重要的意义[2]。

2 拉出值的设计

接触线拉出值作为接触线布局设计的重要参数，其取值将会直接影响弓网系统的安全运行。从以往案例可知，目前75%的刮弓事故都是由于拉出值施工没有按照设计值调整而造成的。然而，在接触线拉出值的设计过程中，需要针对不同设计区段的情况进行分析。

（1）直线区段：在该列车运行区段，拉出值的设计值在200～250 mm的范围内。

（2）曲线区段：在列车的曲线设计区段，由于该段钢轨的外侧高度高于内侧高度，钢轨向内倾斜，因此，线路的中心位置与受电弓的中心位置不重合。此时，在曲线半径大于1 km的区段，拉出值需要控制在0～350 mm之间。当曲线半径小于1 km时，拉出值不应超过400 mm。

3 拉出值与接触线电弧磨损的关系

为了研究在不同拉出值情况下，弓网电弧对于接触线表面磨损情况的影响，本文基于Ansys流体分析软件，建立分析模型，如图1所示[3～5]。

图1 基于Ansys软件的弓网模型图

Ansys软件是一款用于计算流体的商业软件。弓网电弧从物理角度分析，是指由弓网间隙被击穿后形成的空气离子组成，属于等离子体，也是流体的一种。因此，本文采用Ansys流体计算软件来分析计算。图1中，1代表无限长的接触线，2代表受电弓滑板，α 代表接触线与滑板间的夹角，这个角度与拉出值有很大的关系。因此，在仿真过程中，通过改变拉出值的大小可以改变α 的值。接触网导线和受电弓滑板之间的垂直距离代表弓网间隙的长度，本文将其设置为4 mm。在仿真过程中，不研究电弧的产生过程，直接考虑在电弧稳定燃烧时的接触线表面磨损情况。在建模过程中，为了简化模型，在建立接触线和滑板的几何体时，没有考虑其几何特性，如忽略汇流排长度与弯曲半径对滑板几何形状的影响。

基于所建立的弓网系统的求解模型，设置如图1所示的求解域，并划分网格如图2所示。

图2 计算域网格划分示意图

基于上述弓网系统模型，采用fluent后处理软件对其进行计算。在计算过程中，采用特定的边界条件，即电场边界条件和温度场边界条件。仿真过程中所采用的接触线材料为铜锡合金导线，其材料的物性参数如表1所示。直接分析在电弧产生后并稳定燃烧情况下的结果。在计算时，设置拉出值分别为200，250，300，350 mm，得出接触线表面温度的变化情况，如图3所示。滑板表面最高温度的变化情况如图4所示。

表1 弓网系统电极材料物性参数表

图3 不同拉出值情况下的接触线表面温度曲线图

图4 不同拉出值情况下的滑板表面温度曲线图

由图3可知，随着拉出值的不断增大，接触线表面温度呈上升趋势，即弓网离线电弧对接触线表面的磨损会随着拉出值的增大而变得更严重。

分析电弧燃烧过程和电弧对接触线的磨损机理，可以知道，随着接触线拉出值的不断增大，在列车运行速度一定的情况下，电弧在接触线上某一固定点停留的时间越短，接触线上电弧弧根的位置变化频率就越快。因此，弓网电弧在接触线上固定点处的集中磨耗越少，使得接触线表面各点处的磨耗降低。

分析图4可知，随着接触网拉出值的不断增大，滑板表面温度不断降低，即是滑板表面材料的电气磨损降低。这是因为当拉出值增大时，受电弓滑板表面的电气磨损面积增大。在固定时间范围内，电弧弧根在滑板特定区段停留的时间缩短，滑板磨损降低。

4 理论分析

综合以上仿真结果分析，可以知道，随着高速铁路接触网拉出值的不断增大，接触线表面材料的磨损情况会更加严重。因此，降低接触网拉出值可以在一定程度上减轻弓网系统接触线的电气磨损程度。但是，不断减小拉出值会直接导致滑板材料表面的电气磨损更严重。这是因为，接触线材料的主要组成部分是金属，金属材料的热导率较大，电弧热源在接触线内部的热传导会加快。因此，在固定拉出值情况下，电弧稳态燃烧时，滑板表面材料的电气磨损较接触线更严重。综上所述，如果不断降低接触网的拉出值，会使得滑板材料表面的电气磨损情况成倍增加。

5 结语

本文利用有限元仿真软件Ansys，建立弓网系统的电弧模型，仿真分析了不同接触网拉出值情况下的接触线表面和受电弓滑板表面的最高温度变化情况，从而研究不同情况下弓网系统的电气磨损。得到结论：随着拉出值的不断增大，接触线表面最高温度升高，而滑板材料表面的最高温度不断降低。

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[3] 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.

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[5] 王伟宗，吴翊，荣命哲，等. 空气开关电弧仿真技术及其应用的研究[J].低压电器，2010，（5）：7-11.

With regard to the arcing erosion characteristics, the paper studies the arcing erosion of contact wire with different stagger values, and analyzes quantitatively the wear between contact wire and collector strip under different stagger values.

Electrified railway; off-line arcing; wear, stagger

U225.4

：B

：1007-936X(2015)05-0005-02

2015-01-07

夏天久.中铁五局集团电务城通有限责任公司，工程师，电话：13935087357；

高 保，邵 岩.中铁二院工程集团责任有限公司。