列车升弓过程弓网电弧的形态特性分析

为研究列车升弓过程弓网电弧的外在形态特性,基于弓网电弧试验系统和高速COMS(complementary metal oxide semiconductor)相机图像采集系统采集了弓网电弧图像,分析了弓网电弧燃烧过程的运动机理,并利用数字图像处理技术对图像进行了图像增强、边缘检测、灰度等值线绘制等处理,进而又计算了电弧面积,分析了输入电流对电弧面积的影响。结果表明:静态弓网燃弧过程一般经历触发—扩散—稳定燃弧—再次扩散—熄弧5个阶段,形貌呈椭圆形;图像增强、边缘检测和灰度等值线绘制分别对弓网电弧实现了能量辐射范围的显示、局部形态的精确提取和温度梯度与等离子体密度梯度的描述;电弧面积随输入电流的增大而显著增大,但并不与电流的二次方成正比;输入电流越大,电弧达到稳定燃烧所需时间越短。以上结论为进一步研究高速铁路弓网电弧外部形态特性和内部等离子体参数提供了理论基础。     

基于磁流体动力学模型的弓网电弧温度场仿真

笔者针对弓网电弧产生的瞬时高温严重烧蚀受电弓滑板和接触网导线的问题展开研究。以磁流体动力学(MHD)理论为基础,考虑电弧的基本物理特性及电磁效应、热效应和辐射效应,建立了静态弓网电弧二维磁流体动力学模型,仿真计算了电弧的温度场分布,得到了电弧弧柱和两电极内部的温度分布特性。仿真结果表明,弧柱中心区域温度最高,并逐渐向外衰减;滑板表面温度高于导线表面,两电极表面温度低于弧柱温度;受电弓滑板表面的温度随着滑板材料热导率的增大而降低;电弧区域、滑板和导线上的温度随电流的增加而增大,而两电极之间的电位差基本保持不变。     

带载工况下降弓电弧磁流体建模分析

带负载降弓会造成大电流电弧严重烧蚀弓网系统材料,甚至导致接触线断裂等事故。为了分析降弓电弧动态特性,建立了降弓电弧二维轴对称磁流体动力学模型。采用固定电导率以及LTE-diffusion近似方法处理阴极鞘层和阳极鞘层,使用动网格方法模拟降弓过程,研究了降弓速度、电弧电流对电弧特性的影响。研究结果表明:降弓过程中接触线底部和受电弓滑板顶部存在高气压区域,降弓电弧最高气压约为800 Pa;加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭,减轻降弓对弓网材料的烧蚀;降弓速度对于降弓电弧电压的变化起主导作用。研究结果为进一步研究降弓电弧侵蚀接触线的热过程以及降弓电弧烧蚀防护奠定了基础。     

高速列车弓网电弧模型及其电气特性仿真研究

弓网电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重威胁列车的运行安全。因此,研究弓网电弧模型,分析弓网电弧的电气特性,对降低弓网电弧造成的危害很有必要。笔者运用MATLAB/Simulink仿真软件,考虑到列车在运行时高速气流场对弓网电弧模型参数变化的影响,建立了弓网电弧模型;通过弓网电弧仿真波形与实验波形的对比分析,验证了弓网电弧模型搭建的合理性。为了对比分析弓网静态燃弧和动态燃弧的差别,利用搭建的弓网电弧模型进行了列车在进行升、降弓操作过程和高速列车运行速度为200 km/h时3种工况下的弓网电弧仿真,最后通过弓网静态燃弧过程中和动态燃弧过程中电弧电气特性的对比分析,得到了相关结论。从而为研究弓网电弧的电气特性提供了理论基础。     

城际列车升降弓电磁辐射特性研究

弓网放电辐射是轨道交通系统电磁干扰的重要来源,在此通过结合快速暂态过电压与电磁理论,建立了城际列车弓网放电辐射仿真模型,研究了弓网辐射骚扰的时域及频域特性。通过对某型短编城际动车组升降弓工况下的辐射骚扰进行测试,记录弓网电弧辐射的时域波形,借助快速傅里叶算法对数据进行后处理,分析了在弓网辐射骚扰能量集中的20～100 MHz频段内放电辐射波形时域及频域特性,验证了仿真模型的准确性。     

高速电气化铁路中的弓网电弧现象研究综述

高速电气化铁路弓网系统中的电弧已经成为制约我国高速铁路发展的技术瓶颈。笔者论述了电弧对接触导线、受电弓滑板、通讯信号、无线电信号和供电质量等的危害,从电弧产生的机理和特征、电弧模型、电弧能量、电弧侵蚀和载流摩擦磨损方面综述了相关电弧问题的研究现状,为深入开展弓网电弧现象、机理及抑制措施的研究打下了基础。     

高速列车静态升降弓电弧的磁流体动力学仿真研究EI北大核心CSCD

为了分析列车在站内起动和进站制动时弓网系统接触面材料的电气磨损情况,对弓网系统静态升降弓过程所产生的弓网电弧特性开展了研究。基于磁流体动力学理论,建立了弓网电弧等离子体有限元分析模型,利用有限元仿真软件计算了电弧的动力学方程和电磁学方程,得出了在不同间隙距离下的电弧温度场分布情况和不同接触线廓型情况下的接触线温度场分布情况。并通过仿真结果与试验结果对比验证了仿真模型的正确性。研究结果表明,随着弓网间隙的不断减小,靠近接触网导线处的电弧弧柱半径增大,接触线表面最高温度从1 872 K下降为956 K,受电弓滑板表面的最高温度由5 400 K下降为3 590 K;且在一定弓网间隙情况下,接触线表面最高温度较滑板表面最高温度低。同时,当接触线廓型半径由8 mm增加至15 mm,接触线表面最高温度有一定程度的降低。分析仿真结果可得,列车静态升降弓时,不同弓网间隙情况下的电弧温度场分布不同,但滑板表面材料的电气磨损均较接触线严重。此外,通过适当增大接触网导线廓形半径可降低接触线表面的电气磨损。     

基于ATP-EMTP的电弧接地故障的建模及仿真

对配网频发的单相电弧接地故障,建立能够正确反映其特征的数学模型是十分必要的。运用弧隙能量平衡理论在ATP-EMTP上建立接地电弧模型,进一步研究了电弧模型中主要参数对电弧特性的影响规律,达到了反映电弧故障物理特性的目的;最后,将此模型应用于某10 k V配网间歇性电弧接地故障,其过电压倍数符合实际情况,验证了模型正确性。     

降雨环境下弓网电弧动态特性研究

弓网电弧的危害严重阻碍了高速铁路的发展,恶劣的环境条件会促使弓网离线电弧频发,造成滑板和接触网导线磨耗加剧,受流质量下降。为提高高速铁路运行的安全性和稳定性,研究了降雨条件下弓网电弧运行动态特性。基于自制的弓网电弧实验系统,分别采集正常运行、小雨(降雨量30 g)及大雨(降雨量150 g)环境下电流电压波形,并利用高速摄像机拍摄弓网电弧图像。研究结果表明,工况条件一定时,降雨环境下弓网电弧被拉伸,呈现不规则状态,电弧面积和周长增大,且小雨环境下电弧周长和面积最大;降雨环境使电流纹波加重,零休时间变长,电弧尖峰电压增大,缩短了弓网电弧燃弧时间,提高了电弧发生率,其中小雨环境变化最为明显;降雨环境下电弧功率增大,电弧最小电阻值出现在电流峰值附近,且较无雨环境电弧最小电阻值增大。     

基于Hilbert分形天线的弓网电弧电磁辐射研究

弓网(PC)电弧带来的电磁干扰会影响到车载数字设备的正常工作。因此,有必要研究弓网电弧的电磁辐射特性。首先,基于ANSOFTHFSS仿真软件建立仿真工程,设计了一种用于监测电弧电磁辐射的4阶Hilbert分形天线。其次,搭建了弓网电磁辐射信号测量实验装置,以铜合金接触导线-纯碳滑板为研究对象,在不同试验电流及不同电极间距下,分别开展多组弓网电弧辐射电磁实验。对采集到的电磁辐射时域脉冲信号进行快速傅立叶变换,提取频谱分布范围及典型频率值。研究结果表明:弓网电弧电磁辐射频段主要分布在0～160 MHz,特别是在0～40、60～100 MHz频段内强度较大。改变试验电流和电极间隙,电弧电磁辐射频谱分布整体相似,且频域峰值都出现在18MHz。通过对电磁辐射的实时监测,可获得电弧发生时刻和持续时间等信息,提供了一种有效的弓网电弧监测方法,有助于对弓网系统受流水平进行评价。