肖曉斌

濟南鐵路局青島機車車輛監(jiān)造項目部

受電弓
——接觸網系統(tǒng)電接觸特性研究

肖曉斌

濟南鐵路局青島機車車輛監(jiān)造項目部

近年來，弓網系統(tǒng)接觸不良導致的接觸線斷線及材料燒損事故占弓網事故的比例逐年遞增，對弓網系統(tǒng)的燃弧與火花現(xiàn)象，專家學者存在不同見解。隨著貨物列車重載化及旅客列車高速化的實施，一定要根據電接觸理論，進行研究弓網系統(tǒng)電接觸特性，對弓網系統(tǒng)運行中合理解釋出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和事故，提供理論依據來更好的解決這些問題。弓網系統(tǒng)電弧雖然會產生電磁干擾周圍環(huán)境，但卻能確保電動列車正常取流的連續(xù)性。

弓網系統(tǒng)；接觸特性；要點

通常在電氣列車車頂安裝受電弓，電氣列車通過接觸線與受電弓滑板接觸取得電能。以下所稱的弓網系統(tǒng)即是由接觸網與受電弓構成的系統(tǒng)，弓網系統(tǒng)是電氣列車的受流方式之一，是移動能量消耗設備和固定設備即車輛之間聯(lián)系的紐帶。在構成電氣回路的同時，弓網系統(tǒng)是運行中一定要保持存在接觸壓力的機械裝置。世界上高速鐵路具有代表性的，均是采用弓網系統(tǒng)受流。由普通速度提高到高速運行時，電氣列車的接觸網與受電弓的相互作用就會發(fā)揮非常重要的作用，這是因為限制列車實現(xiàn)最高速度的重要因素就是電能傳輸。

1 弓網系統(tǒng)電接觸特點

相對靜止不動時，弓網系統(tǒng)的接觸網與受電弓接觸區(qū)域表現(xiàn)為接觸線圓弧面與滑板平面之間的線接觸。無論如何加工、打磨接觸部分及運行過程中的相互磨損，從微觀上來看總是凸凹不平的，即使有很大的接觸壓力相互壓緊滑板與接觸線，實際發(fā)生真正接觸的也只有少數(shù)的點或小面，全部的弓網接觸壓力實際上就是由這些接觸的點或小面提供的。由于滑板表面和接觸線一般都覆蓋著一層其它種類的雜質特別是導電不良的氧化膜，因而在實際小面或接觸點內，只有少部分的氧化膜被摩擦或者擠壓才可以形成電的直接接觸，實際上電流只能從這些更小的接觸點傳輸，把實際發(fā)生機械接觸的點或小面稱為接觸斑點，接觸斑點中那些金屬或準金屬接觸形成的更小面實際傳導電流的面稱為導電斑點。

2 弓網系統(tǒng)的接觸電阻

在導電斑點附近由接觸線流向滑板的電流發(fā)生收縮，使電流流過的有效導電面積減小，路徑增加，因而就會存在局部的附加電阻，稱為“收縮電阻”。通過接觸區(qū)域時電流還會遇到準金屬接觸，通過極薄的膜時電子還會遇到另一附加電阻，稱為“膜電阻”。在電路上這兩部分附加電阻是串聯(lián)的，構成弓網系統(tǒng)的接觸電阻就是收縮電阻與膜電阻相加后的總電阻。

對于弓網系統(tǒng)點狀接觸的粗糙表面，表征弓網電接觸特征的參數(shù)是接觸電阻，每個導電斑點的接觸電阻可用下式計算：

式中： Rf為單個導電斑點的表面膜電阻；Rc為單個導電斑點的接觸電阻；ρ1，ρ2分別為滑板材料和接觸線的電阻率；a為單個導電斑點的半徑。

如果通過導電斑點的接觸電阻增高或電流增大，則必然會增大接觸點的電壓降，收縮區(qū)內和導電斑點的溫度也一定會相應增高，當溫度達到滑板材料或接觸線的熔化點和軟化點時，就會導致導電斑點及其附近的接觸線或滑板軟化和熔化。

實際上，受電弓滑動次數(shù)較少的接觸線表面或新開通的電氣化鐵路均有一層表面膜，其導電率較差，弓網滑動接觸過程中，會出現(xiàn)較明顯的電火花現(xiàn)象。隨著接觸線的表面膜受電弓滑動次數(shù)的增加而逐漸被破壞的過程，也可能被較高的電場破壞，此時的接觸電阻只剩下收縮電阻部分，即

1個導電斑點的接觸電阻，假設接觸線和滑板之間的導電斑點有n個，兩個導電斑點之間的距離比a值大得多，那么多斑點間的收縮電阻就是一種并聯(lián)關系，弓網系統(tǒng)的接觸電阻R為

在考慮材料的硬度定義時，認為接觸硬度為：

式中：H為接觸線和滑板兩者中較軟材料的接觸硬度；F為弓網接觸力。

弓網系統(tǒng)的接觸電阻與導電斑點數(shù)目、滑板及接觸線材料的電阻率、接觸力大小、接觸硬度有關。對弓網系統(tǒng)的接觸電阻進行準確計算比較困難，通常進行估算或通過試驗得到。

3 弓網系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱效應

電氣列車的滑板與接觸線在靜止狀態(tài)下相對靜止不動時，接觸點局部區(qū)域的溫度會通過弓網接觸電阻的電流產生的焦耳熱而升高，在溫度超過一定值后滑板和接觸線尤其是接觸線機械強度會明顯下降。

接觸溫升與接觸電阻、導電斑點超過接觸點外的溫度及通過接觸點的電流成簡單的函數(shù)關系：

接觸材料一定時，通過接觸點的電流的平方與接觸溫升成正比，與接觸電阻的平方成正比。

我國電氣化鐵路的接觸線與主流滑板不是同種材料，兩種材料具有不同的熱導率和電阻率，兩者屬于非對稱接觸。當接觸線和滑板分別使用碳、銅或銅合金材料時，收縮電阻的主要存在于碳滑板內，因為對碳來說，可以近似地將導電斑點表面看成是等位和等溫的，銅或銅合金是很好的良導體，然而相互對稱的點兩半收縮區(qū)的溫度不再相等。接觸溫升比較困難，通常用通過試驗得到或者經驗公式估算特定條件下的接觸溫升。

4 弓網系統(tǒng)中的電火花和電弧現(xiàn)象

4.1 滑動接觸過程中的弓網電火花現(xiàn)象

弓網系統(tǒng)接觸線和滑板的接觸區(qū)域是屬于機械接觸，有著非常小的實際接觸面積，滑動接觸很快變換其位置。當在滑板和接觸線之間施加電壓時，電流流過與各種參數(shù)有關的、在機械接觸面的一系列導電斑點。導電斑點通過電流接觸面產生的能量加熱，要么導電斑點錯位后的間隙產生電火花，要么導電斑點的迅速升溫并被熔化或氣化而形成電火花。電火花不被熔化的、一直持續(xù)到新的導電斑點產生為止。這也說明接觸線與滑板接觸斑點的壽命是短暫的。

4.2 滑動接觸過程中的弓網電弧現(xiàn)象

在滑動接觸弓網系統(tǒng)中，接觸網與受電弓相互振動，接觸網彈性的周期性變化及受電弓通過不規(guī)則比如接觸線安裝缺陷、接觸線不均勻抬升量、單一質量塊、接觸線本身缺陷等地方時，使得弓網接觸壓力波動加劇。當接觸壓力逐漸下降時，接觸線和滑板的接觸面積減小，電流通過接觸電阻引起的焦耳熱隨著兩者之間的接觸電阻的增加而增加，接觸面的溫度上升。當接觸線和滑板之間機械脫離、兩者之間的接觸壓力為零時，弓網系統(tǒng)的電弧現(xiàn)象也產生了。

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