地鐵弓網(wǎng)燃弧能量與牽引電流擾動分析

1、國內(nèi)圖書分類號：U226.5 密級：公開國際圖書分類號：621.3西 南 交 通 大 學研 究 生 學 位 論 文地鐵弓網(wǎng)燃弧能量與牽引電流擾動分析年 級： 二一二級 姓 名： 劉寶軒 申請學位級別： 工程碩士 專 業(yè)： 電氣工程 指 導 教 師： 陳唐龍 教授 二一四年五月Classfied Index: U226.5U.D.C: 621.3Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisPANTOGRAPH-CATENARY ARC ENERGY AND ANALYSIS ON CURRENT DISTURBANCE IN METRO Gr

2、ade: 2012Candidate: LIU Bao XuanAcademic Degree Applied for: Master Degree Speciality: Electrical EngineeringSupervisor: Prof. CHEN Tang-longMay, 2014西南交通大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。

3、本學位論文屬于1保密，在 年解密后適用本授權(quán)書；2不保密，使用本授權(quán)書。（請在以上方框內(nèi)打“”）學位論文作者簽名： 指導老師簽名：日期： 日期：西南交通大學碩士學位論文主要工作（貢獻）聲明本人在學位論文中所做的主要工作或貢獻如下：1. 基于電接觸理論，深入分析了弓網(wǎng)燃弧特性，簡述了弓網(wǎng)燃弧的危害以及其檢測方法；利用實驗手段，測量得出了非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置的檢測最小功率密度。2. 搭建了弓網(wǎng)燃弧發(fā)生裝置，進行了交流燃弧、直流燃弧發(fā)生試驗，定量分析了輸入電壓輻射對燃弧能量的影響。通過對交流燃弧參數(shù)的時頻特性分析可知，造成電流擾動的主要原因是電路中3次諧波成分的增加。統(tǒng)計大量直流燃弧數(shù)據(jù)，得出了

4、直流燃弧能量與燃弧特征波段25010nm紫外能量呈線性相關的結(jié)論，并探討了極性對燃弧能量、燃弧率的影響。3基于廣州地鐵二、三號線弓網(wǎng)燃弧試驗檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各區(qū)段機車啟動、勻速、制動階段弓網(wǎng)燃弧率、燃弧發(fā)生前后電流幅值，提取了500余次燃弧發(fā)生時刻燃弧信號、牽引電流信號和速度信號。根據(jù)EN50317要求，分析了速度因素對燃弧率的影響，通過對燃弧發(fā)生前牽引電流幅值、燃弧能量的統(tǒng)計，得出了燃弧能量與燃弧發(fā)生前電流幅值無關的結(jié)論。4. 將燃弧發(fā)生前后牽引電流擾動程度，作為燃弧發(fā)生對弓網(wǎng)受流危害程度的量化指標?；谛〔ǘ喾直媛史治雠cParseval理論，通過對廣州地鐵二、三號線燃弧檢測數(shù)據(jù)分析運算，得到

5、了燃弧能量、燃弧持續(xù)時間與牽引電流擾動程度的關系方程，為指導現(xiàn)場準確定位弓網(wǎng)受流薄弱點提供了理論依據(jù)。本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是在導師指導下獨立進行研究工作所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明。本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責任將由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期：第I頁西南交通大學碩士研究生學位論文摘 要受電弓與接觸線的良好接觸是保障電力機車正常受流和安全運行的可靠前提。隨著機車運行速度的逐步提高，弓網(wǎng)離線現(xiàn)象越來越頻繁，弓網(wǎng)離線會引發(fā)弓網(wǎng)燃弧，弓網(wǎng)燃弧

6、在一定程度上能夠反映出弓網(wǎng)受流性能的優(yōu)劣。弓網(wǎng)燃弧的頻繁發(fā)生會造成弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，尤其受電弓滑板的電氣侵蝕，更嚴重甚至燒損接觸網(wǎng)設備，引起變電所跳閘，威脅行車安全。因此，實現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧在線監(jiān)測的同時，及時定位并維護弓網(wǎng)受流薄弱點對于保障行車安全具有重要意義。本文首先利用實驗手段，測量得到了非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置的檢測最小功率密度。搭建了一套弓網(wǎng)燃弧發(fā)生裝置，模擬了交流燃弧、直流燃弧的發(fā)生過程，研究了輸入電壓幅值對燃弧能量的影響，結(jié)果表明，輸入電壓幅值與燃弧能量呈正相關性，且相同輸入電壓幅值、間隙距離情況下，直流燃弧比交流燃弧所釋放的燃弧能量更大。通過分析交流燃弧電流頻域特性可知，造成交流電流擾動

7、的主要原因是電路中三次諧波成分的增加。直流燃弧實驗中，測量得到了直流燃弧能量與燃弧特征波段25010nm紫外能量的關系方程，解決了實際弓網(wǎng)燃弧能量不能夠檢測的難題，并探討了極性對燃弧能量、燃弧率的影響，分析結(jié)果表明，相同實驗條件下，接觸線為陽極較接觸線為陰極情況，燃弧能量更大，燃弧發(fā)生對碳滑條所造成的電氣侵蝕也更嚴重?；趶V州地鐵二、三號線弓網(wǎng)燃弧試驗檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各檢測區(qū)段機車啟動、勻速、制動階段弓網(wǎng)燃弧率、燃弧發(fā)生前后電流幅值，提取了500余次燃弧發(fā)生時刻燃弧信號、牽引電流信號和速度信號。根據(jù)EN50317要求，分析速度因素對燃弧率的影響，并通過對燃弧發(fā)生前牽引電流幅值、燃弧能量的統(tǒng)計，得

8、出了燃弧能量與燃弧發(fā)生前電流幅值無關的結(jié)論。最后，基于小波多分辨率分析與Parseval理論，將燃弧發(fā)生前后牽引電流擾動程度，作為燃弧發(fā)生對弓網(wǎng)受流危害程度的量化指標，分析了廣州地鐵二、三號線燃弧檢測數(shù)據(jù)，得到了燃弧能量、燃弧持續(xù)時間與牽引電流擾動程度的關系方程，解決了過多定位燃弧發(fā)生點的難題。關鍵詞：弓網(wǎng)燃弧；模擬裝置；燃弧能量；多分辨率分析；牽引電流擾動第III頁西南交通大學碩士研究生學位論文AbstractIn electrified railways, current collection results from sliding contact between the moving

9、pantograph and the overhead contact wire.With the running speed increasing, the pantograph lose contacting the overhead contact wire more frequently, which can cause arcing phenomena, pantograph-catenary arcing can reflect the pros and cons of pantograph-catenary current collection, in extent.pantog

10、raph-catenary arcing occurs instantaneously accompanied by large amounts of energy conversion, resulting pantograph electrical system, especially the pantograph erosion , even more serious burned the catenary equipment, and even caused the substation to trip, threatened traffic safety.Therefore, Rea

11、lization the pantograph-catenary arcing online monitoring, positioning and maintaining pantograph weak point is important for the protection of traffic security.Firstly, measuring the minimum power density of the UVM non-contact pantograph- catenary arcing detection device with experimental methods.

12、 Building a set of simple pantograph-catenary arcing occurs devices, simulation arcing occurs AC and DC arcing, analysising the influence bettwen arc energy and voltage amplitude, The results showed that arc energy and voltage amplitude is positive correlation, DC arcing energy is larger than AC arc

13、ing energy under the same conditions.the AC arcing current frequency domain characteristics showed that harmonic component is 3 times harmonic,based on the simulink experimental platform.experiment measured the actual energy DC arcing and the 250 10nm bands UV characteristic energy in DC arcing curv

14、e,realized the detection on DC arcing energy.changing the polarity of the output voltage of DC, test the influence of the polarity on the arcing rates , when contact line is anode,the arcing energy is larger.According to EN50317, statistics of Guangzhou Metro detect arcing rate, obtained by comparat

15、ive analysis of the factors affecting the speed of the rate of arcing. extracted more than 500 time metro arcing occurs detection parameters, the results showed that the traction current amplitude is regardless of arcing energy.Finally, based on the theory of wavelet multi-resolution analysis, analy

16、sised the level of traction current disturbance while pantograph-catenary arcing occurred moments, and regarded it as quantified pantograph quality indicators as a basis for determining the weak points and so as a basis for quantifying pantograph quality indicators, as determined by the flow of curr

17、ent collection weak points.Analysised the Guangzhou Metro II, Line 500 times arcing test data and put forward arcing energy, duration and extent of the disturbance traction current curve, which solved the excessive positioned the arcing occurs point problem.Key words: Pantograph-catenary arcing; Sim

18、ulation device; Arcing energy; Wavelet multi-resolution analysis; traction current disturbance第V頁西南交通大學碩士研究生學位論文目 錄第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 弓網(wǎng)燃弧檢測21.2.2 弓網(wǎng)燃弧模擬實驗31.2.3 燃弧能量與燃弧電流擾動41.3 本文研究內(nèi)容5第2章 弓網(wǎng)燃弧特性62.1 弓網(wǎng)燃弧電接觸理論62.2 直流燃弧、交流燃弧特性82.2.1 直流燃弧伏安特性與燃弧能量、持續(xù)時間82.2.2 交流燃弧伏安特性與燃弧能量102.3 牽引電流擾動

19、122.4 弓網(wǎng)燃弧危害122.5 本章小結(jié)14第3章 弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)及模擬燃弧試驗裝置163.1 非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)163.1.1 非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置工作原理163.1.2 弓網(wǎng)燃弧能量輻射模型183.2 檢測系統(tǒng)最小功率密度測量193.2.1 檢測氘燈光源輻射模型193.2.2 檢測裝置采集光源模型213.2.3 最小功率密度測量223.3 模擬弓網(wǎng)燃弧試驗裝置233.4 本章小結(jié)25第4章 基于模擬燃弧裝置的燃弧參數(shù)分析264.1 不同輸入電壓交流燃弧試驗264.1.1 輸入電壓60V交流燃弧試驗264.1.2 輸入電壓100V交流燃弧試驗294.1.3 輸入電壓120V交

20、流燃弧試驗314.2 不同輸入電壓直流燃弧試驗334.2.1輸入電壓70V直流燃弧試驗344.2.2輸入電壓110V直流燃弧試驗354.2.3輸入電壓140V直流燃弧試驗364.3 直流燃弧能量與燃弧特征波段紫外能量384.4 極性對燃弧影響404.5 本章小結(jié)42第5章 地鐵燃弧能量、持續(xù)時間與牽引電流擾動435.1 小波變換理論435.1.1 時頻局部化特性435.1.2 多分辨率分析445.2 廣州地鐵二、三號線燃弧試驗數(shù)據(jù)分析455.2.1 檢測系統(tǒng)組成及檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計455.2.2 速度對燃弧率影響475.3 基于多分辨率的牽引電流擾動分析505.3.1 牽引電流信號去噪研究505.3

21、.2 基于多分辨率與Parseval理論的燃弧電流能量分布525.3.3 燃弧能量、持續(xù)時間與牽引電流擾動545.4 電流幅值對燃弧能量的影響585.5 本章小結(jié)59結(jié) 論60致 謝62參考文獻63攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研成果67第69頁西南交通大學碩士研究生學位論文第1章 緒論1.1 研究背景及意義電氣化鐵路作為近現(xiàn)代鐵路集成創(chuàng)新的一項重要成就，以其顯著的經(jīng)濟技術優(yōu)勢，成為世界鐵路發(fā)展的主要趨勢。隨著全球化趨勢不斷推進、城市化不斷加快，我國高速鐵路技術異軍突起，建設里程逐年加大，這對于優(yōu)化我國資源配置，拉動地方經(jīng)濟，實現(xiàn)區(qū)域城市間“同城化”等方面起到了不可替代作用，中國高鐵，作為一張

22、走向世界的國家名片，展現(xiàn)了我國的自主創(chuàng)新能力。與此同時，近年來隨著城市規(guī)模的迅速膨脹，城市軌道交通建設也迎來一個發(fā)展的黃金時期，城市軌道交通以其運量大、速度快、安全可靠、污染小等技術優(yōu)點，對于改善日趨擁堵的城市交通問題，提供了最為理想的解決途徑。電力機車通過受電弓與接觸網(wǎng)（弓網(wǎng)系統(tǒng)）的接觸獲取電能，因此，弓網(wǎng)系統(tǒng)在電氣方面和機械方面是相互依賴、相互制約、相互作用的1。弓網(wǎng)的良好接觸是保證機車受流的可靠前提，而隨著電力機車運行速度逐步提高，弓網(wǎng)離線越來越頻繁，弓網(wǎng)離線會引起弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，弓網(wǎng)燃弧發(fā)生瞬間伴隨著大量能量的轉(zhuǎn)換，并以光、熱以及輻射的形式向空間傳播，對弓網(wǎng)受流系統(tǒng)尤其受電弓滑板造成嚴重

23、電氣侵蝕，甚至能夠燒損接觸網(wǎng)設備，引起變電所跳閘2；弓網(wǎng)離線造成電力機車牽引電流擾動，影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量，同時也嚴重惡化了牽引電動機整流條件。大量研究表明，弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時常常伴隨著高頻噪聲，對機車通訊和無線信號造成干擾，嚴重時甚至造成通訊中斷3-4。弓網(wǎng)受流問題是制約電氣化鐵路提速的瓶頸之一，而弓網(wǎng)離線燃弧是影響高速列車受流質(zhì)量的關鍵問題。當離線電壓達到23.5V，局部熱量使液橋汽化而斷裂，并伴隨熱電子和場電子效應產(chǎn)生弓網(wǎng)電火花；而離線電壓達到1020V，空氣中氣體分子發(fā)生電離，產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，產(chǎn)生弓網(wǎng)燃弧5。弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象是弓網(wǎng)關系的實質(zhì)性表現(xiàn)之一。因此，實現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧的在線監(jiān)測，及時定位并維護

24、弓網(wǎng)受流薄弱點對于保障行車安全具有重要意義。歐洲標準EN50317:20026，即：鐵路應用-受流系統(tǒng)-受電弓與架空接觸網(wǎng)之間的動態(tài)相互作用測量方法的要求和確認，規(guī)定檢測弓網(wǎng)受流特性至少應測量接觸力或者燃弧率；受電弓通過定位點時接觸線的抬升。燃弧率是評價線路受流質(zhì)量的重要指標，對于弓網(wǎng)燃弧的檢測參數(shù)包括：燃弧次數(shù)，燃弧持續(xù)時間總和，燃弧率等。目前，國外日本、意大利采用光學檢測法實現(xiàn)燃弧的非接觸式檢測7-9，而對弓網(wǎng)燃弧與弓網(wǎng)電火花不能夠有效的區(qū)分鑒別，造成被檢測線路燃弧率較實際值偏高，過多定位燃弧發(fā)生地點即弓網(wǎng)受流薄弱點，增加了線路維護成本。國內(nèi)，西南交通大學電氣工程學院研制出基于紫外光的燃弧

25、檢測裝置10，在實現(xiàn)了弓網(wǎng)燃弧率的精確測量同時，能夠?qū)恳娏鳌⒐W(wǎng)動態(tài)壓力、機車速度、受電弓滑板對地電壓等參數(shù)實時檢測，實現(xiàn)了燃弧率以及燃弧參數(shù)的同步檢測。基于上述分析，本文基于小波多分辨率分析與Parseval理論，提出了將燃弧發(fā)生前后牽引電流擾動程度，作為燃弧發(fā)生對弓網(wǎng)受流危害程度的量化指標，并依此作為量化弓網(wǎng)受流質(zhì)量指標和定位受流薄弱點的依據(jù)，為指導現(xiàn)場線路維護提供理論依據(jù)，具有重要實際意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀弓網(wǎng)燃弧作為弓網(wǎng)受流惡化的重要表現(xiàn)形式，越來越受到了國內(nèi)外學者重視和廣泛研究，本節(jié)系統(tǒng)總結(jié)介紹了國內(nèi)外最新的弓網(wǎng)燃弧檢測方法、模擬燃弧裝置研究進展，概括了燃弧能量與燃弧電氣侵

26、蝕的研究進展。1.2.1 弓網(wǎng)燃弧檢測文獻11采用電流檢測法：電力機車采用兩個受電弓供電，且兩個受電弓之間連接了一條等勢線，如圖1-1所示，正常情況下等勢線流過的電流為零，而當某一受電弓發(fā)生離線情況下，兩個受電弓間產(chǎn)生電勢差，導致等勢線中流過電流，當?shù)葎菥€中電流超過一定閾值，則認為發(fā)生弓網(wǎng)離線現(xiàn)象。圖1-1 電流檢測法原理圖1-1中：V1、V2分別為兩受電弓與接觸線間電壓，電流I為左側(cè)受電弓發(fā)生離線時等勢線中電流的方向。但是，在實際應用中，我國電力機車采用雙弓同時受流模式較少，不具有普遍性，另外，由于檢測線路和設備中存在阻抗，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對弓網(wǎng)離線程度較大情況測量，而對弓網(wǎng)離線時間較短且離線

27、程度較小情況不能夠準確有效檢測，即對弓網(wǎng)離線的 “靈敏度”檢測不夠敏感，從而易導致檢測線路離線率較實際情況低很多。文獻12采用圖像處理法：通過安裝在車頂?shù)母咝阅苊骊囅鄼C，實時監(jiān)測弓網(wǎng)運行狀態(tài)，并采用相應的圖像處理算法實現(xiàn)對弓網(wǎng)狀態(tài)實時處理，從而準確判斷弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象是否發(fā)生。但是，由于該方法采用高幀率面陣相機，數(shù)據(jù)量大，對后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)性能要求很高，另外，由于在檢測過程中需要進行較復雜的算法處理，所以檢測系統(tǒng)不能夠?qū)崿F(xiàn)實時性。文獻7、8、9采用光學檢測法：即通過安裝在車頂?shù)墓怆妭鞲衅鱽硖綔y弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時刻，紫外光中的特定波段來實現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧檢測。但是，該方法對弓網(wǎng)燃弧與弓網(wǎng)電火花不能夠有效的區(qū)分

28、鑒別，造成被檢測線路燃弧率較實際值偏高，過多定位燃弧發(fā)生地點，增加了線路維護成本。國內(nèi)，西南交通大學研制出基于紫外光的燃弧檢測裝置10，實現(xiàn)了對燃弧非接觸式檢測，同時實現(xiàn)對牽引電流、機車運行速度、弓網(wǎng)動態(tài)壓力和受電弓滑板對地電壓的同步檢測。綜上所述，以上各檢測方法都單純強調(diào)對燃弧率的檢測，提供被檢測線路弓網(wǎng)受流質(zhì)量總體評估指標，而結(jié)合實際弓網(wǎng)燃弧檢測數(shù)據(jù)，定量分析燃弧能量、持續(xù)時間于牽引電流擾動程度影響，并根據(jù)牽引電流擾動程度指標，指導現(xiàn)場定位并維護故障線路的研究很少。1.2.2 弓網(wǎng)燃弧模擬實驗受弓網(wǎng)燃弧發(fā)生、采集、測量等種種因素限制，國內(nèi)外關于燃弧研究，大多采用設計的特定弓網(wǎng)燃弧發(fā)生裝置來

29、模擬產(chǎn)生弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，并依此開展深入廣泛研究。國外，文獻13中分別介紹了交流、直流模式下的弓網(wǎng)燃弧仿真平臺，研究電氣化鐵路中的弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，通過對比分析得出直流燃弧與交流燃弧特性區(qū)別。文獻14中，燃弧發(fā)生裝置電源電壓為6.35kV，頻率為50Hz，直流實驗裝置中添加一個整流單元，使得輸出直流電壓為正負800V，實驗電路中電流的變化范圍為10A20A，電路中負載電阻R=60100，電感L=04H。實驗過程中調(diào)節(jié)控制和測量參數(shù)分別為：控制調(diào)節(jié)參數(shù)：電源電壓、電阻、電感、線速度、拉出值長度、拉出值速度。連續(xù)測量參數(shù)：燃弧電壓、燃弧電流、空氣間隙、電壓降。得出的實驗結(jié)論為：相同電壓等級下直流電路更容易

30、引發(fā)燃弧的發(fā)生。弓網(wǎng)燃弧結(jié)尾發(fā)現(xiàn)了一些短暫的電壓和電流波峰。即燃弧發(fā)生時電壓上升電流下降，開路時電流瞬時值為零，電壓突增。電壓為正，其他條件相同，比電壓為負其他條件相同產(chǎn)生燃弧要更加頻繁。文獻15中，通過實驗探討了燃弧電壓和電流波形是如何被接觸線速度、電感負載和受電弓材料所影響的。實驗過程中電源電壓為6.35 kV，頻率為50Hz，每次試驗持續(xù)時間為10s，電壓變化為25 kV變化步距為1 kV，接觸線相對移動最高速度為108km/h。實驗結(jié)論為：電流零區(qū)段總是在電流過零之后，電壓沖擊變的更加的持久。線速度越大電流波形為零的區(qū)域持續(xù)的時間越長，與此同時電壓波形中的突變時間越小。弓網(wǎng)燃弧突然開始

31、的瞬間電磁干擾更加敏感。對于交流燃弧影響因素有：接觸線滑板相對速度、電流、電壓、負載、電極材料、電極的幾何參數(shù)如形狀。國內(nèi)，文獻16，介紹了北京交通大學設計的一套弓網(wǎng)燃弧模擬發(fā)生裝置，該裝置能夠模擬受電弓與接觸網(wǎng)的相對運動。實驗系統(tǒng)最高電壓和電流分別為100V與20A，實驗過程中，采用LABVIEW軟件分別分析了靜態(tài)交流燃弧、動態(tài)交流燃弧的電流、電壓參數(shù)頻域特性，得出了交流燃弧電流和電壓中諧波成分主要集中在500Hz以下的結(jié)論。文獻17、18、19，介紹了西南交通大學吳廣寧教授研究團隊所開發(fā)的一套系統(tǒng)的弓網(wǎng)燃弧模擬裝置，該裝置能夠模擬弓網(wǎng)之間的垂向振動和拉出值相對滑動，采用平直、柔性線接觸狀態(tài)

32、模擬現(xiàn)場接觸懸掛，通過調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)導線張力，改變弓網(wǎng)靜態(tài)壓力。通過控制試驗條件，得出了燃弧的平均持續(xù)時間隨著牽引電流的增大呈指數(shù)增長；弓網(wǎng)接觸壓力控制在80N左右最為合適；通過研究負載特性與燃弧關系得到了感性負載模式燃弧持續(xù)時間較阻性負載要長的結(jié)論；且負載功率因數(shù)越大，燃弧能量越小。文獻20研究證明，當電路電流增大到一定程度以后，滑板溫升的主要原因是焦耳熱轉(zhuǎn)變?yōu)槿蓟幔宜俣仍酱?，受流穩(wěn)定性越差，摩擦性能越低，而燃弧造成的燒蝕也逐漸加重。以銅基粉末冶金鉻青銅摩擦副為對象，研究載流條件下摩擦副的表面粗糙度對燃弧電氣侵蝕的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，表面越光滑，燃弧時間越長，燃弧能量越高；而燃弧發(fā)生及能

33、量大小的隨機性與不確定性、燃弧對試樣表面的侵蝕都導致了電壓與電阻的波動，是載流效率和載流穩(wěn)定性變差的主要原因。1.2.3 燃弧能量與燃弧電流擾動燃弧能量的大小直接影響到燃弧對于接觸網(wǎng)裝置電氣特性侵蝕程度以及弓網(wǎng)離線程度，因此，探究燃弧對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電氣侵蝕應加強對燃弧能量的深入研究21。KUBO等在文獻22中提出了燃弧能量的計算公式如式(1-1)所示： (1-1)式中，E為單次離線的燃弧能量，單位J；U為單次離線燃弧電壓，單位V；I為燃弧為電流，單位A；t為單次燃弧時間，單位s。王其平在電弧與電氣理論23中提出燃弧侵蝕量與電流和燃弧燃熾時間關系的數(shù)值表達式如式(1-2)所示： (1-2)式中：

34、s為材料的侵蝕量；I為電流有效值，A；ta為燃弧燃熾時間，s；k為與材料有關的系數(shù)。國外，博爾科夫斯基在文獻24中提出，燃弧能量絕大部分是通過燃弧幾何側(cè)面損失的，并給出電極表面接受到的燃弧能量公式。史溫格在文獻25中提出，燃弧能量輸入到電極有輻射傳輸和燃弧通道傳輸兩種方式，輻射傳輸過程是燃弧能量損失的主要原因，電極表面所得的燃弧能量是部分輻射傳輸和全部燃弧通道傳輸之和。國內(nèi)，梁慧敏在文獻26經(jīng)過試驗論證分析了觸電分量速度與燃弧能量的關系，提出了觸點分離速度越高燃弧能量越低的觀點。周瑋在文獻27中分析了燃弧間隙電壓電壓和電流等參數(shù)與直流燃弧特性關系，得出了電壓會極大地影響燃弧的能量，電流對燃弧能

35、量的影響是線性的結(jié)論?；谌蓟∧芰垦芯浚婕暗疥P于燃弧能量與牽引電流擾動間相關研究文獻較少，因此，該研究方向具有很強的發(fā)展?jié)摿Α?.3 本文研究內(nèi)容本文基于電接觸理論，分析了弓網(wǎng)燃弧的產(chǎn)生機理，搭建弓網(wǎng)燃弧發(fā)生裝置，簡要概述交流、直流燃弧特性。實驗測量得到了燃弧特征波段紫外能量與燃弧能量間關系方程。基于廣州地鐵二、三號線十次試驗數(shù)據(jù)，提取全部500余次燃弧發(fā)生，燃弧信號與牽引電流信號，并統(tǒng)計各個燃弧紫外燃弧能量、持續(xù)時間。提出將弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時刻，牽引電流擾動程度作為惡化弓網(wǎng)受流指標，作為指導現(xiàn)場準確定位、維護弓網(wǎng)受流薄弱點的參考依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下：第一章 介紹了弓網(wǎng)燃弧的產(chǎn)生機理及其

36、檢測意義，分析國內(nèi)外弓網(wǎng)燃弧檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀，以及弓網(wǎng)燃弧模擬平臺的研究進展。第二章 基于電接觸理論，深入分析直流弓網(wǎng)燃弧、交流弓網(wǎng)燃弧特性，闡述了弓網(wǎng)燃弧對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響，以及其對接觸網(wǎng)設備所造成的電氣侵蝕。第三章 簡要介紹了非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置的基本工作原理，推導了氘燈光源輻射模型、檢測光源模型，通過實驗手段測量到的檢測裝置最小燃弧功率密度。搭建了模擬弓網(wǎng)燃弧平臺。第四章 基于模擬燃弧發(fā)生裝置，模擬發(fā)生交流、直流燃弧發(fā)生過程。通過改變實驗條件分析了輸入電壓幅值對燃弧能量的影響；根據(jù)交流燃弧參數(shù)頻域特性，分析得出了三次諧波成分增加是交流電流擾動的根本原因。試驗測量得到直流燃弧能量與

37、燃弧特征波段25010nm紫外燃弧能量的關系方程，并探究了極性對燃弧率的影響。第五章 提出了將燃弧發(fā)生前后牽引電流擾動程度，作為燃弧發(fā)生對弓網(wǎng)受流危害程度的量化指標，基于小波多分辨率分析與Parseval理論，分析了廣州地鐵二、三號線燃弧試驗數(shù)據(jù)，得到了燃弧能量、燃弧持續(xù)時間與牽引電流擾動程度的關系方程，為指導現(xiàn)場真實定位弓網(wǎng)受流薄弱點提供了理論依據(jù)。第2章 弓網(wǎng)燃弧特性2.1 弓網(wǎng)燃弧電接觸理論當受電弓與接觸網(wǎng)正常運行或者相對靜止時，弓網(wǎng)之間的接觸形式表現(xiàn)為滑板平面與接觸線圓弧面之間的線接觸。從微觀形態(tài)上看，二者表面都非絕對光滑，如圖2-1所示，在電氣列車運行過程中兩者總會相互磨損，表面是凸

38、凹不平的28。圖2-1 接觸線與受電弓滑板表面圖因此，當受電弓滑板與接觸線相接觸時，其實際接觸區(qū)域是由一些微小并且分散的接觸點組成。因此我們把實際發(fā)生機械接觸的點稱為接觸斑點，把接觸斑點中那些形成金屬或準金屬接觸的更小面稱為導電斑點29。如圖2-2所示，即便弓網(wǎng)之間的接觸壓力足夠大，其真實接觸面積較名義接觸面積相比也是微不足道的，而這些實際接觸的點（或小面）則承受著弓網(wǎng)全部的接觸壓力。圖2-2 導電斑點附近電流線收縮現(xiàn)象圖弓網(wǎng)系統(tǒng)正常運行過程中接觸特性受到多種因素限制，其本身具有較強的不確定性，在正?；瑒咏佑|情況下，該情況更為嚴重。根據(jù)Holm模型及膜電阻理論29，在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，單個導電斑點的

39、靜態(tài)接觸電阻，可以定義為受電弓滑板與接觸線之間收縮電阻與膜電阻的總和。用下述公式表示： (2-1)式中，導電斑點接觸電阻；、弓網(wǎng)接觸表面收縮電阻；導電斑點膜電阻；、弓網(wǎng)材料電阻率；a導電斑點直徑。地鐵機車啟動過程中電流會迅速上升，最高能夠達到2000A，隨著弓網(wǎng)間牽引電流的增大，通過導電斑點的電流值也會隨之相應的增加，那么弓網(wǎng)間的接觸電阻就會增大，弓網(wǎng)接觸表面瞬時產(chǎn)生大量熱量，使受電弓滑板導流區(qū)域溫度迅速上升，當溫度上升到一定程度后受電弓滑板會產(chǎn)生融化現(xiàn)象（動態(tài)過程中接觸線接觸部位隨時改變故其影響較?。?。對于新開通的線路，接觸線表面為圓弧形，同受電弓滑板接觸形式為面線接觸，而對于運行時間較長線

40、路來說受電弓同接觸線接觸形式為面面接觸，導電斑點的膜電阻消失式(2-2)為30： (2-2)假設弓網(wǎng)接觸區(qū)域存在個導電斑點，由于各個導電斑點電阻是以并聯(lián)的形式在電氣回路中，因此，其接觸電阻可以表示為： (2-3)接觸材料的硬度為： (2-4)式中，F(xiàn)為弓網(wǎng)接觸壓力；n為導電斑點數(shù)目；S為弓網(wǎng)實際接觸導電面積；a為導電斑點半徑。由式（2-4）可知： (2-5)則真實弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)接觸電阻如式(2-6)所示： (2-6)由式（2-6）可知，弓網(wǎng)接觸電阻與接觸材料、弓網(wǎng)壓力、接觸線與受電弓滑板表面情況、接觸材料硬度有直接關系。正常情況下弓網(wǎng)良好接觸，二者電位近乎相等，但當受電弓遇到接觸網(wǎng)硬點、導線高度

41、突變和接觸線結(jié)冰等原因造成弓網(wǎng)不可靠接觸時，會發(fā)生弓網(wǎng)離線。接觸線和受電弓滑板分離的瞬間，弓網(wǎng)間隙電壓增大，引發(fā)受電弓和接觸線之間的空氣擊穿，從而引起弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象18。2.2 直流燃弧、交流燃弧特性燃弧是由近陰極區(qū)、弧柱區(qū)、近陽極區(qū)三個區(qū)域組成，其中燃弧的兩個電極也可認為是燃弧的組成部分32-33。如圖2-3所示，其中弧柱具有超過6000K的高溫，弓網(wǎng)接觸材料與之長時間接觸會被燒灼氣化，因此，常用光譜分析儀測量間接測量燃弧溫度。圖2-3 燃弧特性圖2-3中，燃弧上的電壓降； 陰極電壓降； 弧柱上的電壓降；陽極電壓降；燃弧相當于一純阻性發(fā)熱元件，所以燃弧的消耗功率可表示為33： （2-7）式中，

42、燃弧電流（A）；近極壓降（V）。由式（2-7）可知，弧柱的功率也是在近陰極區(qū)、近陽極區(qū)、弧柱區(qū)三個區(qū)域分布，燃弧的熱量通過熱傳導、熱對流及輻射三種方式散失。2.2.1 直流燃弧伏安特性與燃弧能量、持續(xù)時間從電路角度看，直流燃弧相當于在電路中串聯(lián)了一非線性電阻，阻值隨電流及其它因素而改變。電路模型如圖2-4所示，電源電動勢為E，燃弧在兩觸頭間燃燒，可變電阻R用以改變流過燃弧的電流。起弧后電壓平衡方程式為： (2-8)圖2-4 直流燃弧伏安特性電路如果維持弧長l1不變的情況下，加載電壓，維持電流一段時間，當電路中發(fā)熱和散熱過程達到平衡后，測量燃弧間隙兩端電壓uh，如此反復得到一系列關于uh和ih的

43、曲線，即為燃弧的靜態(tài)伏安特性。當改變?nèi)蓟￠g隙，例如當l2大于l1時，如圖2-5所示，經(jīng)過上述相同過程測量，則可得到另外一條較高靜態(tài)伏安特性曲線。圖2-5 不同燃弧間隙靜態(tài)伏安曲線根據(jù)圖2-5可知，直流燃弧的靜態(tài)伏安曲線和一般金屬導體的性質(zhì)是不同的，當燃弧電流增大時，電壓反而減小，這主要是由于當燃弧電流ih增大時，燃弧所消耗的功率增大，引起弧柱溫度上升，燃弧電導率增大，弧柱直徑增大，弧柱電阻因此陡然下降。當燃弧穩(wěn)定燃燒時： (2-9)靜態(tài)直流燃弧伏安特性公式為： (2-10)在其他條件不變情況下，弓網(wǎng)燃弧間隙恒定，那么燃弧的靜態(tài)燃弧曲線只有一條，但是，動態(tài)燃弧伏安特性卻隨著燃弧電流ih的變化速度

44、不同而有無數(shù)條，這是由于燃弧的弧柱溫度和直徑具有熱慣性的原因，即當ih快速增大時，燃弧電阻來不及減小，從而導致弧柱電壓uh大于新的穩(wěn)態(tài)值；而當ih減小情況下，燃弧電阻來不及增大，導致uh小于新的穩(wěn)態(tài)值34-35。直流燃弧動態(tài)伏安曲線如圖2-6所示。圖2-6 直流燃弧伏安特性圖2-6中，1為燃弧靜態(tài)伏安特性，2、3、4、5燃弧動態(tài)伏安特性。當電源電壓不足以平衡穩(wěn)態(tài)燃弧電壓及線路電阻壓降時，燃弧電流減小直至熄滅。 從正負極接頭分開產(chǎn)生燃弧起到燃弧熄滅為止的時間，定義為直流燃弧的燃弧時間，用trh表示。一般來說然的熄滅是需要一個過程的，需經(jīng)歷一定時間，這是由于一方面電路中存在大量的感性元件，儲存了大

45、量的電磁能，另一方面就是燃弧具有熱慣性。由以上結(jié)論可知式(2-11)： (2-11)將等式兩邊同時分別乘以ihdt，并令時間t=0；時候，ih=Ih0，代表燃弧開始產(chǎn)生時的電流；令t=trh時，ih=0，兩邊積分得到： (2-12)式(2-12)左邊為燃弧期間燃弧所消耗的能量，等號右邊第一項為在此期間電源供給的能量，第二項為整個過程中電阻所消耗的能量，第三項為燃弧開始時電感存儲的能量。因此我們可以得出結(jié)論：電路中的電感越大，其中儲能越多，要熄滅燃弧必須從燃弧間隙中散發(fā)更多的能量，燃弧越難熄滅。燃弧時間計算公式為： (2-13)由式(2-13)可知，電流Ih0越大，線路中電感L越大，trh越長；

46、uh越大，分母越大，燃弧持續(xù)時間就越短。2.2.2 交流燃弧伏安特性與燃弧能量與直流燃弧不同的是，交流燃弧燃弧電流瞬時值隨時間而變化，每周期有兩次通過零點，因此，交流燃弧總是一個熄滅-重燃-熄滅-重燃的動態(tài)循環(huán)過程37。圖2-7為交流燃弧電路，當燃弧穩(wěn)定燃燒情況下，交流燃弧的一個周期內(nèi)電壓與電流的關系曲線稱為交流燃弧伏安特性曲線如圖2-8所示。圖2-7 交流燃弧電路燃弧由負值過零瞬間，燃弧暫時熄滅，此時電源電壓加與兩電極之間，當間隙電壓上升到點燃電壓udr時，燃弧重燃。由于燃弧的熱電離作用，特征曲線AB段是下降的，從B點以后，電流由峰值逐漸減小燃弧電壓相應的回升，但是由于弧柱存在熱慣性，BC段

47、低于AB段。當燃弧電流趨近于零時，燃弧電壓也近似于零，相應C點的電壓叫做熄弧電壓uxm或者熄弧尖峰uxh，燃弧過零后又在反方向重燃。圖2-8 交流燃弧伏安特性曲線在鐵路正常運行過程中，弓網(wǎng)間隙釋放燃弧能量的大小，對接觸網(wǎng)設備的工作性能有著直接的影響。計算交流燃弧能量Wh的基本計算公式如(2-14)所示： (2-14)式中， uh 燃弧電壓； ih 燃弧電流； ts從t=0至燃弧產(chǎn)生所需的時間； tx從t=0至燃弧熄滅所需的時間； t 以觸頭分開瞬間前電流過零為起點計算的時間。 在計算Wh時，通常規(guī)定：，其中E為一常數(shù)，則 (2-15)式中，n弓網(wǎng)分開瞬時所在電流半波內(nèi)到電流熄滅為止的總共燃弧半

48、波數(shù)。2.3 牽引電流擾動在電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題主要包括電壓暫降，暫升和短時中斷，諧波產(chǎn)生的電壓波形畸變等。電能質(zhì)量擾動從某種意義上來說可以分為兩大類：一類是基波幅值變化帶來的擾動，包括電壓下降、電壓膨脹和電能短時中斷等；另一類是與基波無關的其它擾動，包括電壓下限和各種暫態(tài)擾動等。弓網(wǎng)燃弧發(fā)生造成的牽引電流擾動主要表現(xiàn)為牽引電流跌落，如圖2-9所示，圖中100ms130ms，燃弧發(fā)生，牽引電流表現(xiàn)為跌落，130ms180ms時段，燃弧熄滅牽引電流表現(xiàn)為突變上升。圖2-9 牽引電流跌落目前，國內(nèi)外關于弓網(wǎng)燃弧發(fā)生所造成的牽引電流擾動的研究較少，因此，將燃弧發(fā)生所造成的牽引電流擾動程度作為評估弓

49、網(wǎng)受流質(zhì)量的依據(jù)是比較客觀的。2.4 弓網(wǎng)燃弧危害目前絕大多數(shù)電力機車是通過弓網(wǎng)接觸受流獲取電能的，弓網(wǎng)的不良接觸造成弓網(wǎng)離線現(xiàn)象的發(fā)生，弓網(wǎng)離線引發(fā)弓網(wǎng)燃弧。弓網(wǎng)燃弧發(fā)生瞬時釋放大量能量，會對接觸線和受電弓滑板造成嚴重的電氣侵蝕，同時惡化受流條件，造成牽引電流不平穩(wěn)，損害整流電動機，造成一系列威脅行車安全的事故發(fā)生。研究表明，弓網(wǎng)燃弧的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 造成高頻電磁干擾大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時，常常伴隨著大功率的高頻電磁噪聲，對鐵路沿線無線電信號及通訊設備造成極大電磁干擾(EMI)，嚴重時甚至會造成無線電信號失常、通訊中斷等現(xiàn)象40。為此，如何避免高頻電磁干擾(E

50、MI)對鐵路通訊系統(tǒng)的影響，已經(jīng)成為接下來科研人員所面臨的課題，作為電磁干擾(EMI)的一大主要來源，如何抑制弓網(wǎng)燃弧也成為了解決該問題的關鍵。(2) 造成接觸網(wǎng)設備的電氣侵蝕弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時，其瞬間釋放出的大量熱量，會造成接觸線和受電弓滑板受到嚴重的電氣侵蝕，和不同程度的損傷38-39。一般來講，燃弧對于受電弓滑板的電氣侵蝕較接觸線嚴重，這是由于列車高速行進過程中，燃弧的能量會按照一定比例的分配到一定長度的接觸線上并對該段接觸線造成電氣侵蝕，與此同時，該侵蝕同樣作用于受電弓滑板，盡管機車行進過程中存在拉出值，但是，短時間內(nèi)電氣侵蝕幾乎作用于受電弓滑板的相同位置，圖2-10(c)為燃弧發(fā)生后某段

51、接觸線表面情況，圖2-10(a)、2-10(b)為與受電弓滑板材料相同的碳滑條燃弧發(fā)生前后的表面對比，左圖2-10(a)為燃弧實驗前，右圖2-10(b)為燃弧實驗后。 （a）燃弧前碳滑板 （b）燃弧后碳滑板 （c）燃弧后接觸線圖2-10 燃弧發(fā)生前后碳滑條、接觸線變化根據(jù)圖2-10中可知，大燃弧的發(fā)生短時間內(nèi)會造成碳滑條和接觸線嚴重的電氣侵蝕。(3) 造成牽引電流擾動弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生造成牽引電流擾動，影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。在地鐵電力機車取流值較大情況下，弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生會造成牽引電流瞬時下降，而后隨著燃弧的熄滅，電流值會迅速飆升超過原有正常電流幅值，最后逐漸恢復正常；而在機車勻速運行階段，機車取流值較

52、小，小燃弧發(fā)生同樣會造成上述情況的發(fā)生，而當大燃弧發(fā)生時，甚至造成取流中斷，影響電力機車正常行駛。圖2-11為某次燃弧發(fā)生造成的牽引電流擾動情況，圖2-12為，燃弧發(fā)生造成供電中斷情況。圖2-11、2-12中上圖為實際檢測到的弓網(wǎng)牽引電流，單位A，下圖為檢測到的弓網(wǎng)燃弧信號，單位mV。圖2-11 燃弧造成牽引電流擾動圖2-12 燃弧造成機車取流中斷圖弓網(wǎng)燃弧消失時，由于回路中儲能元件的存在，會產(chǎn)生機車過電壓，對機車整流電動機造成損害，影響其工作性能，嚴重威脅機車的正常運行。2.5 本章小結(jié)本章基于電接觸理論，對弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生機理進行了詳盡的理論說明，分析了直流燃弧、交流燃弧兩種類型的伏安特性，

53、并推導了其各自燃弧能量方程；簡要介紹了地鐵弓網(wǎng)燃弧發(fā)生所造成的牽引電流擾動，為接下來深入探究燃弧能量與牽引電流擾動關聯(lián)提供了理論基礎。最后，根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)、檢測圖片介紹了弓網(wǎng)燃弧的危害，著重分析了弓網(wǎng)燃弧發(fā)生所造成的電氣侵蝕和牽引電流擾動。第3章 弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)及模擬燃弧試驗裝置第2章從燃弧現(xiàn)象產(chǎn)生機理出發(fā)，詳細分析了弓網(wǎng)燃弧的形成原因，本章首先介紹非接觸式紫外弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)的工作原理，采用實驗方法測量了該檢測系統(tǒng)的最小檢測功率密度，并搭建了一套產(chǎn)生直流、交流燃弧的弓網(wǎng)燃弧裝置，為進一步研究弓網(wǎng)燃弧特性打下了基礎。3.1 非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)由西南交通大學研制出基于紫外光的非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置，實現(xiàn)了對弓網(wǎng)燃弧的非接觸式檢測10，與此同時，該檢測系統(tǒng)能夠完成對牽引電流、機車運行速度、弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力、受電弓滑板對地電壓等參數(shù)的同步測量，目前，領先于國際先進水平。3.1.1 非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置工作原理弓網(wǎng)燃弧發(fā)生過程中，弓網(wǎng)接觸材料的電子或離子被激發(fā)造成能級躍遷，當特定材料的電子或離子由高能級躍遷