受电弓与接触网电接触特性与电弧产生分析调研研究

关键词：接触网；弓网关系；受流；电弧；
0 引言
电火花的能量较弱，对弓网系统的影响有限。
1.2 导电斑点导致电弧的产生
电力机车通过受电弓滑动与接触网系统（简称弓网）取
宏观肉眼可见的电弧现象就是机车受电弓在升起或降
得电能。受电弓滑板和接触线脱离接触（即通常说的“离线”） 下的一瞬间我们看到的类似电焊火光的电弧，我们叫燃弧，
3.２ 恰当选取弓网系统的静态接触压力
弓网接触电阻与接触面内导电斑点的数目、尺寸及分 布是一个统计变量关系，接触压力变化时，导电斑点的数目、 尺寸及分布也发生变化，接触电阻也随之改变。接触 电阻与导电斑点数目不是线性关系，也就是说：弓网系统的 接触压力Ｆ对 R c 虽然有重要影响，但在一定接触压力范围 内，只靠加大Ｆ并不一定使 R c 显著减小。Ｆ减小到一定值 后， R c 明显上升，电弧产生的可能性增加。因此，应尽可 能将弓网静态接触压力控制在一定范围内。
Re1 Re2 Rf

1 4a

2 4a

Rf
（4-3）
式中������c为收缩电阻（Ω），������������1������������2分别为两接触面收缩
电阻（Ω），R f 为膜电阻（Ω），1、2 分别为接触线、滑
板材料的电阻率（Ω ∙ m）， a 为导电斑点的半径（m）。
加，电流通过接触电阻引起的焦耳热增加，接触面的温度上 升。当滑板和接触线之间的接触压力为零、两者之间机械脱 离时，弓网系统的电弧现象也就产生了。
实际运行经验表明，双滑板受电弓的任一根滑板与接触 线脱离接触时，即使另一根滑板与接触线接触良好，脱离接 触的那一根滑板与接触线之间也会产生电弧。当弓网接触恢 复正常之后，电弧会自动熄灭，如果弓网电弧拉开一定距离， 则电弧也会熄灭。对于高速运行的列车来说，弓网系统中的 电弧，可能与弓网一起快速移动，也可能在较短的时间内瞬 间熄灭。虽然电弧的温度比较高，但是热流对弓网系统的侵 蚀作用十分有限，也不会对弓网系统产生过多影响。
1.１ 受电弓与接触网之间的接触电阻
的、不被熔化的导电斑点产生为止。导电斑点间隙电压和开
受电弓与接触网之间的接触表现为接触线的圆弧（平 断电流大到一定程度时表现为电弧。这种情况在电力机车滑
面）与滑板平面的线接触（或面接触）。无论接触部分如何 动取流过程中经常能够见到，需要强调的是滑板与接触线并
平滑，在微观上总是凸凹不平的。即使滑板和接触线之间有 未出现机械脱离或接触压力不足[2]。
很大的接触压力，接触部分十分紧密，受电弓与接触线之间 1.3 机车向前滑动时引起接触网的振动。
也只有少数的点（导电斑点）实现了真正的接触。导电斑点
这些振动在遇到接触网不规则处所如接触线和不均匀
承受着全部的弓网接触电压。根据弓网受流理论，接触电阻 抬升、安装缺陷、接触线缺陷等表现得异常突出和明显。接
R c 可用如下公式进行计算:
Rc

P1
P2 4
H F
（1-1）
由公式可知，接触电阻的大小主要取决于滑板和接触线的材
触网弹性周期性变化导致弓网接触压力出现波动。接触压力 下降时，接触面积减小，导电斑点数量减少。受电弓滑板和 接触线分离到一定程度，列车取流 I 引起的热能 I2R 集中加 热最后分离的导电斑点，使其温度迅速上升，直到接触面材
的瞬闽，如果被断开的电流超过0.25A（生弧电流），断开 伴随着“吱”的一声。下面从微观上对电弧进行分析。受电
电压超过12Ｖ（生弧电压），离线间隙通常会产生一团发出 弓滑板与接触网之间的接触是机械接触，接触面较小，滑动
强光、温度极高而且能够导电的圆柱形的气体－－电弧。如 接触使这个接触位置快速变换。25Kv的牵引电压加在接触网
间隙较大时，由滑板和接触线传导的热量相对较少，绝大部 分由弧柱直接散向接触区域上部，导致接触线上部设备烧损 程度较大。电火花与电弧是造成滑板和接触线电气磨损的主 要原因，该磨损包括气化蒸发和液体喷溅两种形式。久而久 之，电弧及强劲电火花引起的电气烧伤会导致接触线表面坑 洼不平。
3 减轻电弧产生的主要措施
果电流小于一定数值，开断时只能产生为时极短的弧光放电 和滑板之间，电流流过接触面上的导电斑点。在这种情况下，
－－电火花。大多数情况下，间隙电压和开断电流都大于生 起决定作用的不再是接触面积的大小，而是导电斑点的个数，
弧电压和生弧电流，所以在机车受电弓滑动取流过程中，电 这个数字为15至20。 根据受流理论，接触点的电流密度在
部位置脱离，相互接触就会产生电火花。以上两种情况在弓 抬升量、接触线安装缺陷、接触线本身缺陷、单一质量块等)
网滑动接触中最为常见，甚至列车低速运行状态下也难以避 地方时，导致弓网接触压力波动加剧。当接触压力逐渐下降
免。此时弓网系统并未出现机械脱离或接触力不足的现象， 时，滑板和接触线的接触面积减小，两者之间的接触电阻增
4 弓网系统电接触的特征
在弓网的运输系统中，电接触主要指滑板与接触线相互 接触并通过接触界面实现电流传输的一种物理、化学现象 [3]。电接触形式包括点接触、线接触和面接触，如图 2-1 所 示。弓网系统相对静止不动时，受电弓与接触网接触区域表 现为滑板平面与接触线圆弧面之间的线接触。无论接触部分 如何加工、打磨及运行过程中的相互磨损，在微观上总是凸
过程中，电火花现象较明显。随着弓网滑动次数的增加，接
触线的表面膜逐渐被弓网相对滑动破坏，也可能被较高的电
导电斑点而发出热量，造成导电斑点的温度快速上升，当达 接触网波动周期结束，弓网恢复良好接触，电弧消失。在弓
到一定程度后，就会出现电火花。另外，在弓网相对运动过 网系统的滑动接触中，受电弓与接触网相互振动，接触网周
程中，也可能造成导电斑点的断裂问题，滑板和接触线的凸 期性的弹性变化及受电弓通过不规则(比如：接触线不均匀
3.3 改善滑板与接触线接触情况
受电弓滑板表面基本为平面，滑板与接触线表现为线 接触。接触面是滑板与接触线工作中相互磨擦后形成的，磨 擦情况对 R c 有一定影响，它表现为接触点数多少的不同。 局部缺陷会使接触线表面不平滑，必然导致接触电阻的突变， 弓网系统的电弧会不可避免地产生。受电弓滑板表面的坑、 槽以及不平滑现象也会导致弓网接触电阻的增加。为减少弓 网系统燃弧，除保证接触线的质量外，接触线的架线工艺也 非常关键，应尽可能保证接触线表面在施工放线过程中不被 损伤、变形。受电弓滑板表面也要定期整形。
2 电弧对弓网系统的影响
电弧弧柱具有6000K以上的温度，烧损是电弧对滑板和 接触线带来的主要影响。烧损与电热能量转换有关。电弧相 当予纯电阻性的发热元件，一般情况下，弓网离线间隙很小， 决定了弓网系统的电弧很短。由于滑板和接触线的温度远低 于弧柱的温度，电弧热流主要传输给滑板和接触线。电弧热功率 导致滑板和接触线温度升高，同时，热量会向周围介质传递， 输入热量大于输出热量时，滑板和接触线的温度才会升高， 并在温升达到一定程度时，接触面才会发生熔化和气化现象。 弓网相对运动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化， 引起的电弧也在不断变化位置，位置变化的速度与接触线的 拉出值、列车的运行速度有关。这在一定程度上阻止了电弧 热功率引起的弓网系统固定位置的温度升高。弓网系统离线
高速运行中的电弧对环境产生影响，但却能保证电动列 车取流的连续性，这对滑动接触下的能量传输非常重要。当 然，如果空气间隙增大，电流中断，列车会因为电源切断而 失去牵引动力。
1.４ 受电弓的升降操作
受电弓的升降操作时，滑板与接触线接触或脱离接触瞬 间，接触点有电火花现象发生。因为这种情况下机车处理停 止状态，弓网间电流很小。取流量较大时的受电弓升降或出 入无电区均能导致弓网间强烈的电弧现象。这种电弧会对弓 网系统带来严重不良后果，是不被允许的。电气列车静止不 动时，受电弓的升弓或降弓应为无负载或小负载操作，此时 的电气列车主断路器应处于分状态。滑板与接触线接触或脱 离瞬间，由于要切断或接通电气列车的电压互感器等负载， 接触区域在接触或脱离瞬间有电火花现象发生，电火花的能 量较小，一般不会对弓网系统带来严重后果。当电气列车断 路器处于合状态时，受电弓的升弓或降弓(尤其是降弓)操作 接通或开断的电流较大，滑板与接触线之间的高电压及大电 流导致弓网系统产生强烈的静止电弧现象，可能造成接触线 或承力索的熔化断线及引起金属类滑板的局部熔化。
弓网系统产生电弧的原因与列车取流、接触电阻、气 候条件等因素有关，当取流里、外界条件无法改变时，减轻 电弧的措施只能从减小弓网接触电阻着手。
3.1 选取合适滑板和接触线材料
由公式可知，当接触材料电阻率较小时，R c 相应变小， 也增大滑板和接触线材料的热导率，可以增大散热功率，从 而推迟弓线表面到达熔化、气化温度的时闻或减少一定时间 内熔化或气化接触材料的量，也就减少了接触材料的电气磨 损。
凹不平的，如图 2-2 所示。即使有很大的接触压力使滑板与 接触线相互压紧，也只有少数的点(或小面)实际发生了真正 的接触，这些实际接触的点(或小面)承受着全部的弓网接触 压力。由于接触线和滑板表面一般都覆盖着一层导电不良的 氧化膜或其它种类的杂质，因而在实际接触点(或小面)内， 只有少部分膜被压破的地方才能形成电的直接接触，电流实 际上只能从这些更小的接触点中通过，如图 2-3 所示。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 些形成金属或准金属接触的更小面(实际传导电流的面)称 为导电斑点。
薄的膜时还会遇到另一附加电阻，称为膜电阻[4]。这两部 分电阻在电路上串联，相加后的总电阻构成弓网系统的静态
接触电阻。
静态接触电阻是表征弓网系统接触面电特征的重要参
数，对于弓网系统点状接触的粗糙表面，单个导电斑点的接
触电阻可用下列公式计算
Re1

1 4a
（4-1）
Re 2

2 4a
（4-2）
Rc
受电弓与接触网电接触特性与电弧产生分析调研研究