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。     

考虑电极熔化的弓网电弧与电极耦合模型

为了探明弓网电弧对受电弓滑板与接触线材料的侵蚀规律,基于磁流体动力学(MHD)理论并考虑弓网电弧与电极之间的能量传递,建立了弓网电弧与电极熔化耦合分析模型。采用熔化/凝固模型求解弓网电极材料内部的能量方程,分析弓网电弧作用下的弓网电极材料熔化特性;通过计算稳态弓网电弧特性,得到弓网电弧对电极的热流密度分布情况,将热流密度注入受电弓滑板与接触线来分析弓网电极的熔化特性;研究了弓网电弧燃弧时弓网电极材料的熔池特性随时间的变化情况;分析了弓网电极材料在不同弓网电弧电流情况下的熔池特性。研究结果表明:弓网电弧对接触线和受电弓滑板的热流密度注入呈现高斯分布形态;接触线与受电弓滑板的熔池深度、熔池半径均随着弓网电弧作用时间的增大而增大;随着弓网电弧作用时间增加,接触线表面的熔池深度始终大于受电弓滑板表面的熔池深度,受电弓滑板与接触线表面的熔池半径大小出现2次交点;400 A弓网电弧电流作用0.2 s时间后,受电弓滑板和接触线的熔池半径分别达到3.86 mm和4.3 mm,熔池深度分别达到1.24 mm和2.95 mm;随着弓网电弧电流的增加,弓网电极材料表面的熔池深度与熔池半径均增大,且受电弓滑板与接触线的熔池半径随弓网电弧电流的变化趋势相同,接触线表面的熔池深度随弓网电弧电流的变化率更大。计算结果可为轨道车辆的弓网系统的设计和评估提供参考意见。     

基于光谱的降弓过程弓网电弧研究

高速铁路运营速度的提升,导致弓网振动加剧,离线频繁,电弧频发,严重烧蚀弓网材料,而电弧的燃炽强度和熄灭特性会受到温度这一重要参数的影响。为此基于光谱诊断法和红外图像,对降弓过程的弓网电弧等离子体的温度以及受电弓滑板、接触线的温升情况进行了研究。首先基于弓网电弧试验装置,记录了降弓过程中弓网电弧电压电流波形;并且同步采集了弓网电弧等离子体发射光谱;利用Boltzmann斜线法,计算得出了弓网电弧等离子体激发温度的变化,并且分析了电流对激发温度的影响;此外,分析了降弓过程中受电弓滑板和接触网导线的温度变化情况。实验结果表明:在16～22 A的电流范围内,燃弧电压在30～36 V之间变化,降弓时随弓网间隙增大而逐渐增大,弧压基本呈现线性增长趋势;在同一电流下,弓网电弧等离子体的激发温度在降弓过程中逐渐降低,但在同一间隙下,电弧温度随着电源输出电流的增加而上升。通过受电弓滑板和接触网导线的红外图像,可知降弓过程中,接触线温度始终高于受电弓滑板,滑板导线的最高温度的上升趋势逐渐放缓。     

电弧作用下触头烧蚀特性的仿真研究

开断电弧对断路器触头的烧蚀会影响其使用寿命和可靠性。针对空气电弧作用下的断路器触头烧蚀行为进行了仿真研究。将电弧等效为正态分布的热源,基于传热学和流体学,分析了触头材料的温度变化过程和相变过程;此外,研究了熔池受力对熔池流动及温度的影响;最后,考虑触头材料的蒸发,模拟了触头表面的形貌及温度变化。仿真结果表明：触头温度由表面向内以半圆弧的形式扩散,熔池会先逐渐增大,在电弧作用消失一段时间后才逐渐减小;表面张力对熔池区域内的流动起主导作用,电磁力和浮力依次;考虑触头材料的蒸发时,触头表面会形成烧蚀凹坑,凹坑处的温度最高,凹坑随燃弧时间持续增大。     

电弧作用下浸铜碳材料烧蚀过程的数值模拟

电弧侵蚀是影响浸铜碳材料使用寿命的关键因素之一。首先,将电弧等效为高斯分布的热源,基于热传导理论和流体理论,考虑材料相变,探讨了浸铜碳材料的温度变化过程、材料发生相变的熔化-凝固过程;接着,分析了液体表面张力是烧蚀熔池流动的主导因素,影响材料内部的温度分布;最后,考虑浸铜碳材料的蒸发升华,求解了材料表面的形貌及温度分布。仿真研究结果表明:电弧作用下,浸铜碳材料相变形成熔池域,电弧熄灭后,熔池域继续扩大一段时间才逐渐减小;熔池表面散热较内部散热快。液体表面张力导致熔池表面流动,进而加快材料表面散热。电弧持续作用下,浸铜碳材料表面逐渐形成烧蚀熔池和烧蚀凹坑。烧蚀熔池的半径和深度随着时间的变化近似线性增长,材料表面烧蚀凹坑处的温度最高,其值在碳的升华温度附近波动。     

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。     

弓网电弧等离子体光谱特性实验

弓网电弧等离子体具有高温度、高能量的特点,对高速铁路弓网电接触的性能造成了威胁。基于弓网电弧模拟实验平台,利用光谱诊断法对弓网电弧等离子体进行研究。对辐射的主要特征谱线进行标识和归属,并计算弓网电弧等离子体的激发温度、转动温度、振动温度和电子密度。此外,还研究了电源输出电流对激发温度和电子密度的影响。实验结果表明,弓网电弧等离子体对接触网铜导线和浸金属碳滑板强烈的烧蚀作用会产生丰富的铜原子谱线、铁原子谱线和CN B2∑+→X2∑+谱线。同时,基于Boltzmann斜线法,发现了弓网电弧等离子体激发温度随电流的增加而增加。通过拟合电弧等离子体中CN B2∑+→X2∑+谱线,可知在30A电流条件下,弓网电弧等离子体的转动温度和振动温度分别达到6 800K和9 000K。最后,讨论了特征谱线的展宽机制,并利用Cu I 521.82nm谱线,探讨了弓网电弧等离子体的电子密度随电流的增加而上升的情况。     

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。     

波动载荷下弓网动态接触电阻特性研究

在实际的列车运行过程中压力载荷是以正弦形式波动变化,波动载荷对弓网系统中的接触电阻特性有重要影响。文中利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机模拟弓网系统中的压力波动状态,研究了波动载荷、滑动速度和接触电流对动态接触电阻特性的影响,结合表面形貌对其变化规律产生的原因进行了分析。结果表明:载流滑动接触且压力波动频率一定时,动态接触电阻随压力波动幅度的增大先减小后增大;压力波动幅度一定时,动态接触电阻随压力波动频率的增大而缓慢增大;波动载荷条件下,动态接触电阻随滑动速度的增大而逐渐增大,随接触电流的增大而逐渐减小。高温电弧和接触温升是导致动态接触电阻变化的主要原因。     

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。     

分断速度对触头电弧侵蚀影响的数值分析

将电弧发展进程与触头分断过程结合起来,建立了电弧侵蚀热传播过程的数学模型。对触头分断过程中的电弧侵蚀现象进行了数值计算,分析了分断速度对输入触头能量、熔池尺寸的影响。分析表明,控制分断速度在一定范围内可有效地减小电弧对触头的侵蚀。     

稳态电弧作用下触头烧蚀特性的试验研究

稳态电弧作用下触头烧蚀特性的研究对于探究触头性能退化及失效机理具有重要意义。针对稳态电弧作用下的触头烧蚀特性展开了试验研究。采用触头开距可调的电弧试验系统进行了不同稳态电弧电流下的烧蚀试验,得到了触头烧蚀量和表面形貌的变化。结合试验结果分析了稳态电弧大小对于触头侵蚀和材料转移的影响。     

波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型研究

电气化铁路中接触网与受电弓良好的接触是列车安全可靠运行的前提条件,而弓网的接触是载流条件下的摩擦接触,因此有必要对其摩擦接触进行深入研究。文中通过滑动电接触实验机,开展不同工况(压力波动幅度、压力波动频率、接触电流、滑动速度)条件下的弓网滑动电接触摩擦力研究。研究表明:作用于滑板上的接触电流增大时,弓网间的滑动摩擦力随之减小;压力波动幅度和滑动速度增大时,弓网间的摩擦力也随之增大;压力波动频率对弓网摩擦力的影响极小。利用曲线估计的基本思想,优选出最能表达压力波动幅度、接触电流、滑动速度各参量对弓网间滑动摩擦力影响的单一因素数学模型;在此基础上,通过多元回归方法建立压力波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型并验证模型的有效性。     

断路器喷口材料PTFE耐烧蚀性能的研究

喷口材料的性能直接影响着断路器的开断特性,为研究喷口材料的耐烧蚀性能,文中设计了一套直流电弧发生装置,可以产生电压、电流、时间、弧长可控的直流电弧,在电弧轴向中充入气流模拟断路器吹弧对聚四氟乙烯(PTFE)的烧蚀,以PTFE材料经受一次电弧烧蚀所损失的质量作为其烧蚀性能的指标。结果表明:稳定燃烧的直流电弧呈现负电阻特性,PTFE的烧蚀量随着电弧电流的增大而增大,随着电弧功率的增加而增大,在电弧中充入气流,电弧燃烧不稳定,并且气流可以明显减少电弧对PTFE的烧蚀量。     

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明：近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。     

高速列车静态升降弓电弧的磁流体动力学仿真研究

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。     

波动载荷下弓网滑动电接触载流特性研究

为获取波动载荷下弓网滑动电接触载流特性,利用FCH-03型销盘式滑动电接触摩擦磨损试验机模拟弓网接触状态,进行强电流密度、不同速度与波动接触压力条件下的浸金属碳/铜对磨实验。根据实验数据获得载流效率、载流稳定性在不同条件下的特性规律,并针对影响受流的运行速度、接触电流、波动接触压力等因素作出深入的机理分析及电弧能量干扰相关性分析。研究表明:载流效率随接触压力振幅的增大而减小,随接触压力频率的增大呈较小的增大趋势。载流稳定性随接触压力振幅的增大而减小。低速时基本不随接触压力频率变化;高速时随接触压力频率增大呈先增大后减小。弓网离线及离线电弧是导致高速弓网系统载流质量下降的主要原因。     

直流牵引供电系统弓网电接触特性研究

为避免电气化铁路弓网烧蚀,毁坏受电弓断接触网,结合列车运行工况数据,建立弓网电接触模型,研究接触网拉出值、列车运行速度、运行工况及受电弓碳滑板设计与弓网电接触温升之间的关系,计算了电力机车动力负荷条件下弓网温升过程.研究表明,弓网温升随着列车运行速度增大而减小,牵引工况双受电弓六碳滑板情况,弓网接触温升超出标准限制.研...     

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。