受电弓——接触网系统电接触特性研究

受电弓——接触网系统电接触特性研究
作者：肖晓斌
来源：《环球市场》2017年第09期
摘要：近年来，弓网系统接触不良导致的接触线断线及材料烧损事故占弓网事故的比例逐年递增，对弓网系统的燃弧与火花现象，专家学者存在不同见解。

随着货物列车重载化及旅客列车高速化的实施，一定要根据电接触理论，进行研究弓网系统电接触特性，对弓网系统运行中合理解释出现的一些现象和事故，提供理论依据来更好的解决这些问题。

弓网系统电弧虽然会产生电磁干扰周围环境，但却能确保电动列车正常取流的连续性。

关键词：弓网系统；接触特性；要点
通常在电气列车车顶安装受电弓，电气列车通过接触线与受电弓滑板接触取得电能。

以下所称的弓网系统即是由接触网与受电弓构成的系统，弓网系统是电气列车的受流方式之一，是移动能量消耗设备和固定设备即车辆之间联系的纽带。

在构成电气回路的同时，弓网系统是运行中一定要保持存在接触压力的机械装置。

世界上高速铁路具有代表性的，均是采用弓网系统受流。

由普通速度提高到高速运行时，电气列车的接触网与受电弓的相互作用就会发挥非常重要的作用，这是因为限制列车实现最高速度的重要因素就是电能传输。

1 弓网系统电接触特点
相对静止不动时，弓网系统的接触网与受电弓接触区域表现为接触线圆弧面与滑板平面之间的线接触。

无论如何加工、打磨接触部分及运行过程中的相互磨损，从微观上来看总是凸凹不平的，即使有很大的接触压力相互压紧滑板与接触线，实际发生真正接触的也只有少数的点或小面，全部的弓网接触压力实际上就是由这些接触的点或小面提供的。

由于滑板表面和接触线一般都覆盖着一层其它种类的杂质特别是导电不良的氧化膜，因而在实际小面或接触点内，只有少部分的氧化膜被摩擦或者挤压才可以形成电的直接接触，实际上电流只能从这些更小的接触点传输，把实际发生机械接触的点或小面称为接触斑点，接触斑点中那些金属或准金属接触形成的更小面实际传导电流的面称为导电斑点。

2 弓网系统的接触电阻
在导电斑点附近由接触线流向滑板的电流发生收缩，使电流流过的有效导电面积减小，路径增加，因而就会存在局部的附加电阻，称为“收缩电阻”。

通过接触区域时电流还会遇到准金属接触，通过极薄的膜时电子还会遇到另一附加电阻，称为“膜电阻”。

在电路上这两部分附加电阻是串联的，构成弓网系统的接触电阻就是收缩电阻与膜电阻相加后的总电阻。

对于弓网系统点状接触的粗糙表面，表征弓网电接触特征的参数是接触电阻，每个导电斑点的接触电阻可用下式计算：
式中： Rf为单个导电斑点的表面膜电阻；Rc为单个导电斑点的接触电阻；ρ1，ρ2分别为滑板材料和接触线的电阻率；a为单个导电斑点的半径。

如果通过导电斑点的接触电阻增高或电流增大，则必然会增大接触点的电压降，收缩区内和导电斑点的温度也一定会相应增高，当温度达到滑板材料或接触线的熔化点和软化点时，就会导致导电斑点及其附近的接触线或滑板软化和熔化。

实际上，受电弓滑动次数较少的接触线表面或新开通的电气化铁路均有一层表面膜，其导电率较差，弓网滑动接触过程中，会出现较明显的电火花现象。

随着接触线的表面膜受电弓滑动次数的增加而逐渐被破坏的过程，也可能被较高的电场破坏，此时的接触电阻只剩下收缩电阻部分，即
1个导电斑点的接触电阻，假设接触线和滑板之间的导电斑点有n个，两个导电斑点之间的距离比a值大得多，那么多斑点间的收缩电阻就是一种并联关系，弓网系统的接触电阻R为
在考虑材料的硬度定义时，认为接触硬度为：
式中：H为接触线和滑板两者中较软材料的接触硬度；F为弓网接触力。

弓网系统的接触电阻与导电斑点数目、滑板及接触线材料的电阻率、接触力大小、接触硬度有关。

对弓网系统的接触电阻进行准确计算比较困难，通常进行估算或通过试验得到。

3 弓网系统的稳态热效应
电气列车的滑板与接触线在静止状态下相对静止不动时，接触点局部区域的温度会通过弓网接触电阻的电流产生的焦耳热而升高，在温度超过一定值后滑板和接触线尤其是接触线机械强度会明显下降。

接触温升与接触电阻、导电斑点超过接触点外的温度及通过接触点的电流成简单的函数关系：
接触材料一定时，通过接触点的电流的平方与接触温升成正比，与接触电阻的平方成正比。

我国电气化铁路的接触线与主流滑板不是同种材料，两种材料具有不同的热导率和电阻率，两者属于非对称接触。

当接触线和滑板分别使用碳、铜或铜合金材料时，收缩电阻的主要存在于碳滑板内，因为对碳来说，可以近似地将导电斑点表面看成是等位和等温的，铜或铜合金是很好的良导体，然而相互对称的点两半收缩区的温度不再相等。

接触温升比较困难，通常用通过试验得到或者经验公式估算特定条件下的接触温升。

4 弓网系统中的电火花和电弧现象
4.1 滑动接触过程中的弓网电火花现象
弓网系统接触线和滑板的接触区域是属于机械接触，有着非常小的实际接触面积，滑动接触很快变换其位置。

当在滑板和接触线之间施加电压时，电流流过与各种参数有关的、在机械接触面的一系列导电斑点。

导电斑点通过电流接触面产生的能量加热，要么导电斑点错位后的间隙产生电火花，要么导电斑点的迅速升温并被熔化或气化而形成电火花。

电火花不被熔化的、一直持续到新的导电斑点产生为止。

这也说明接触线与滑板接触斑点的寿命是短暂的。

4.2 滑动接触过程中的弓网电弧现象
在滑动接触弓网系统中，接触网与受电弓相互振动，接触网弹性的周期性变化及受电弓通过不规则比如接触线安装缺陷、接触线不均匀抬升量、单一质量块、接触线本身缺陷等地方时，使得弓网接触压力波动加剧。

当接触压力逐渐下降时，接触线和滑板的接触面积减小，电流通过接触电阻引起的焦耳热随着两者之间的接触电阻的增加而增加，接触面的温度上升。

当接触线和滑板之间机械脱离、两者之间的接触压力为零时，弓网系统的电弧现象也产生了。

参考文献：
[1]梅桂明，张卫华.受电弓/接触网系统动力学模型及特性[J].交通运输工程学报，2002，01：20-25.
[2]吴杰，高国强，魏文赋，陈光雄，刘贤汭.弓网系统滑动电接触特性[J].高电压技术，2015，11：3635-3641.。