电力机车弓网电接触研究现状分析

电力机车弓网电接触研究现状分析

张忠青

中国铁路呼和浩特局集团有限公司集宁机务段呼和整备车间 内蒙古 呼和浩特市

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摘要：近年来，我国的电力行业有了很大进展，对电力机车的应用也越来越广泛。文章首先分析了弓网检测系统控制策略，其次探讨了电力机车弓网电接触研究现状，并根据各相关因素的影响提出研究建议，以供参考。

关键词：电力机车；受电弓；接触线；电接触；磨损

引言

随着电力机车速度的提高,受电弓滑板和接触网导线之间摩擦振动现象加剧,导致接触导线与受电弓滑板之间接触不连续,引起弓网间受流质量下降、离线概率增加,导致弓网电弧频发,给滑板工作寿命和机车安全稳定运行造成较大影响,因此弓网滑动电接触摩擦振动特性是值得研究的问题。

1弓网检测系统控制策略

重载机车智能运维的弓网检测系统以在线运营的多轴机车为载体，并综合运用车载网络、云计算、图像识别、机器视觉技术、紫外燃弧检测技术、红外成像技术和弓网运行热图像等系列关键技术，通过模块化设计将硬件和软件集成为弓网检测系统智能运维平台，实现接触网状态巡检、受电弓动态运行参数检测和弓网动态相互作用关系的检测。接触网是轨道交通的重要组成部分，主要由支持装置、定位装置和悬挂装置等组成。随着电力机车高密度地运行，接触网系统长期处于环境载荷、剧烈振动和牵引载流等复杂工况，零部件的松脱和断裂都有可能诱发弓网故障或恶性弓网事故。因此，对接触网零部件服役状态全方位检查是安全、高效运输的重要保障。接触网状态检测包括接触网几何参数、接触线磨耗、接触线硬点、定位器坡度和接触网悬挂装置状态检测，结合定位系统精确定位接触网异常点的功能，可实时提供缺陷位置、缺陷种类和故障等级等相关信息，从而有效地指导供电段快速对弓网进行维护，同时也为接触网检修后的动态复查提供指导依据。受电弓动态运行参数检测包括弓网视频监测、关键部件应力监测、滑板冲击加速度监测和气路压力检测，综合分析受电弓和弓网运行状态，实现运行状态记录和故障识别报警等功能。弓网动态相互作用检测包括弓网温度、弓网接触压力和弓网燃弧，通过实时准确检测弓网间的燃弧和运行热图像，实现弓网动态相互作用的在线检测。

2电力机车弓网电接触研究现状

2.1接触压力对弓网电接触的影响

在电力机车的弓网电接触系统中，当压力比较小时，由于弓网受流不稳定，会频繁产生电弧，此时的磨损以电弧烧蚀磨损为主，磨损量会随着载荷的增大而减小；当接触压力比较大时，磨损主要为机械磨损，磨损量随着载荷的增大而增大。这项研究同时表明，弓网电接触中，存在一个最优载荷值，使得弓网系统中滑板磨损量最低。陈忠华等通过数据拟合建立了电流相对稳定系数、磨损率与电流、速度和压力的预测模型，该方法能够求解出在一定电流和车速状态下弓网最优载荷，这对实际工程中弓网的设计使用，延长滑板寿命具有重要意义。

2.2载流参数

对载流摩擦性能影响较大的载流参数主要包括电流和电压等。其中，电流又包括了电流极性、直流电或交流电、电流大小等。例如，丁涛等通过销-盘试验机研究了电流正负极对载流摩擦性能的影响，在实验中观察到两种不同的电弧放电现象：当碳滑板与电源阴极相连时，火花放电占主导地位；当碳滑板与电源阳极相连时，以电弧放电为主。电弧放电和火花放电都属于气体放电，火花放电是电极间的气体被强电场击穿而产生自激导电的现象，电弧放电是气态带电粒子（如电子或离子）维持导电的现象。电弧放电通常分为直流电弧放电和交流电弧放电。电弧放电会引起电流的变化，当发生离线电弧放电时，直流电流波形的变化幅度（轻微波动的水平线）会加剧，出现不稳定现象。同样，交流电流波形（正弦曲线）也会出现畸变和失真。

2.3弓网接触压力检测

弓网接触压力检测采用非接触式加速度进行检测，依靠图像处理方式间接检测受电弓的位移变化，从而得到受电弓的加速度变化，并基于机器视觉的非接触式测量方式测量受电弓在运行中的振动状态，从而得到受电弓在运行过程中的抬升力f(y)；同时，基于非接触式加速度测量得到的受电弓加速度值，计算可得受电弓运行过程中的惯性力f(a)。受电弓在运行中受接触网硬点冲击的压力可表示为F=f(y)+f(a)。

2.4实验数据归一化处理

在构建摩擦振动加速度回归模型时输入量涉及到的压力波动幅度、受流电流、滑动速度,输入量不属于同一数量级。为了避免收敛速度过慢或无法收敛,使各指标处在同一数量级,在建立回归模型之前,先进行归一化处理。

2.5环境工况

弓网系统是一个开放的摩擦学系统，受电弓滑板和接触网导线间的接触状态会受到复杂多变的环境，如风、沙、雨、雪天气，甚至盐雾、酸雨、沙尘暴等恶劣极端环境条件的影响。通过洒水模拟了雨天运行时弓网系统的磨耗问题，发现载流时产生的焦耳热和电弧热会使水汽化，产生散热效果，显著减轻了磨损，但电弧现象明显增多。通过在垂直接触面上喷水，并通过阀门控制水量，模拟小雨、中雨和大雨三种天气状况，发现随着降雨量的增加，电弧烧蚀磨损增加。此外，非常薄的水膜可以在一定程度上减少磨耗，改善弓网摩擦副之间的接触性能，但过厚的水膜和垂直滑板表面的浸入力会影响弓网间的电信号传输，导致载流质量变差，且电弧放电现象也会相应增强。张会杰等比较了空气和氮气环境对C/C复合材料载流摩擦学性能的影响，并从以下两个角度讨论了氮气气氛下摩擦系数更高的原因：一是氮气具有惰性保护作用，摩擦过程中摩擦副材料始终处于直接接触状态，接触表面更加粗糙；而空气条件下，摩擦表面易氧化，在接触表面会形成稳定的氧化膜，使摩擦系数降低。二是在氮气气氛下，摩擦副材料接触表面的活性较弱，空键键能较高，故而摩擦系数略高。目前，涉及不同环境工况的摩擦磨损研究较少，主要依靠力学计算和仿真模拟的方式进行理论研究。邢立成结合摩擦试验和仿真计算分别研究了表面覆冰，雾霾和横风3种环境对弓网电弧的影响，发现覆冰条件下弓网电弧的发生次数会增加，导致受流质量恶化，但同时会降低弓网接触界面的温度，从而减少弓网的摩擦损耗；雾霾条件下会加剧电弧的发生，因为雾霾中的气溶胶、硝酸盐等物质会导致绝缘性能下降，同时雾霾颗粒会在弓网接触表面聚集，更易导致电弧离线；横风条件下会改变电弧的形态，当风力一定大时甚至可以加速电弧的熄灭。

结语

综上所述，在轨道交通方面，随着信息时代的发展，越来越快的生活节奏，电力机车提速是一个必然趋势，提速过程中，电力机车运行的安全性与稳定性是必须考量的因素，由此对弓网电接触性能提出了更高的要求。燃弧时间对接触网温度分布的影响更大，然而在整个升弓过程中，若整体间隙相同，速度越大则燃弧的时间会更短。综合考虑两方面的因素，加快升弓速度可以减少燃弧时间进而减轻电弧对接触线的热侵蚀。

参考文献

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