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。     

高速列车弓网电弧温度场特性仿真研究

弓网离线过程中会产生弓网电弧。弓网电弧稳态燃烧时,弧心温度很高。同时,电弧等离子体对接触网导线和受电弓滑板的热传导造成弓网系统材料的电气磨损,降低弓网系统使用寿命,严重情况时会导致列车事故。由于现有试验条件的限制,难以直接采用试验方式准确测试出电弧等离子体的温度分布。因此基于流体动力学理论,建立了弓网电弧稳态燃烧的物理分析模型,并采用流体分析软件,对模型方程进行求解,得出了电弧等离子体、接触线内部以及滑板内部的温度场分布情况。通过仿真计算不同接触线廓形半径情况下接触线内部的温度场分布情况,发现增大廓形半径可以降低接触线表面材料的电气磨损。同时,随着滑板材料热导率的增加,也可以降低滑板材料的电气磨损。     

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。     

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。     

弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副，二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应，复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能，开展电气化铁路弓网接触多物理场耦合效应研究，对降低弓网运行维护成本，提高受电弓滑板和接触网导线使用寿命等具有重要意义。该文重点归纳总结了近些年来弓网系统在电、磁、热、力多场效应下的相关研究进展。结合列车实际运行工况，综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律，针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足，提出进一步研究和完善的意见。在此基础上，从提高弓网滑动电接触性能、保障列车安全稳定运行角度，采用弓网接触电阻、燃弧率及接触温度对电接触性能的评价进行阐述和探讨，以期对弓网电接触行为进行合理预测与评估，为进一步研究弓网滑动电接触多场耦合效应提供参考。     

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。     

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。     

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。     

北京地铁6号线弓网异常磨耗原因解析及改进措施

北京地铁6号线自西延线开通试运营以来,受电弓和接触网出现异常磨耗,受电弓碳滑板磨耗速率急剧增大,表面呈粗糙形貌。汇总了该现象导致的设备故障并进行了测试试验。经分析,认为导致弓网异常磨耗的根本原因是新增电客车受电弓压力较小,引起了弓网间离线电弧发生的频率增大,导致弓网间接触位置温升增大、接触线软化、碳滑板材质变化,使弓网间磨损速率急剧增加,接触线出现拉丝形态。为此,提出了改进弓网关系的措施。     

不同受电弓滑板材料电弧烧蚀特性对比研究

列车高速运行时的弓网离线现象会导致弓网电弧的产生,烧蚀受电弓滑板,加剧滑板的摩擦磨损,影响列车的安全稳定运行。基于自制的升降台电弧烧蚀试验装置,研究纯碳和浸金属受电弓滑板的电弧烧蚀特性。通过计算单次烧蚀过程中的电荷转移量,测量烧蚀后滑板材料的烧蚀量,并观察烧蚀后的滑板表面形貌,探究滑板材料的烧蚀量及烧蚀形貌与电荷转移量间的关系。     

降弓电弧对接触线侵蚀的仿真研究

接触线是牵引供电系统必不可少的一环,降弓电弧可能导致站内接触线断线,而接触线断线又会造成接触网失电,使得列车停运,甚至引发接触网垮网等严重事故。因此,有必要开展降弓电弧对接触线侵蚀的相关研究。论文仿真研究了降弓过程中降弓电弧对接触线的侵蚀特性,分析了降弓电弧电流及不同驱动力对接触线熔池形成和熔池流动特性的影响。结合降弓电弧模型,建立了接触线传热和流体流动分析模型。研究发现:随着降弓过程的进行,注入接触线的热流密度幅值逐渐减小,接触线表面的电弧压力逐渐升高。接触线熔池面积和熔池流动速度随着电弧电流的增大而逐渐增大。此外,降弓电弧电流越大,接触线开始熔化的时间就越早。相对于电弧压力和表面张力,Marangoni效应会显著改变接触线熔池面积和熔池流动速度。通过改变接触线材料的氧元素含量可以控制Marangoni张力系数,进而提高接触线的抗烧蚀能力。研究结果可为提高接触线的抗烧蚀能力提供理论支撑。     

弓网系统滑动电接触区域温度场仿真

弓网系统滑动电接触区域的高温会使摩擦副材料的磨损加剧并影响系统的受流质量,严重时甚至发生接触线断线事故。针对弓网系统受流摩擦下接触区域温度,研究弓网系统的温度场,进一步发现影响温度变化的因素。利用COMSOL仿真软件对弓网系统进行仿真,建立三维立体有限元模型,通过实验测得的数据验证了仿真模型的准确性,得出电流、压力、速度和滑板材料对接触区域的温度影响,接触区域温度随电流与速度的增加而升高,随压力的增大呈现U型变化,为弓网系统温度分析提供理论支持。     

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。     

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。     

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。     

弓网电接触研究进展

近年来,随着列车运行速度和电流传输密度的提高,弓网电接触状况正变得越来越复杂,对弓网电接触理论与技术的系统研究提出了迫切要求。为此对弓网电接触中接触电阻、热效应、摩擦磨损性能及受电弓滑板材料4个方面的研究现状进行了综述。主要结论为:1)对弓网接触电阻的参数观测、机理分析和数学模型仍需开展大量工作,包括更为全面准确的电接触试验方法和诊断技术,以及更为科学合理的弓网接触电阻数学模型。2)弓网电接触热效应的研究需继续加强。采用试验和仿真相结合的方法获取弓网载流摩擦时,滑板、接触线以及接触面的温度及其分布值得进一步深入研究,特别是雨、雪等特殊气候条件对弓网热特性的影响。3)应重视开展更高速度等级和电弧动态特性对弓网摩擦磨损性能影响的探讨;同时深入研究弓网磨损预测模型。4)继续研究和开发新型复合受电弓滑板材料;在具体应用时,需根据不同列车运行的特定条件,选取满足该条件下关键性能要求的滑板材料。     

电气化铁路动态弓网接触电阻研究

在现代牵引供电系统中,受电弓和接触网系统为列车提供电能,滑板和接触线之间的接触电阻直接影响了电能的传输质量。本文首先基于弓网接触电阻模型,分析了静态接触电阻的影响因素;然后,考虑以往研究的不足,采用动力学理论构建了弓网仿真模型,得到弓网间接触力曲线,通过将动态接触力引入接触电阻模型,获得了实际运行中弓网接触电阻的变化趋势。考虑不同车速、电流大小等实际运行工况,分析了动态电阻的各项统计值和变化趋势。     

潮湿条件下滑板磨耗特性研究

为了研究潮湿对受电弓滑板磨耗造成的影响,利用弓网电弧电磁噪声实验平台,开展了4种潮湿条件下的载流磨耗实验,分析了不同潮湿条件下浸铜碳滑板的载流磨耗特性和滑板表面微观形貌。弓网系统间存在一个最佳潮湿度,有利于减少滑板磨耗和电弧的产生。4种潮湿条件下磨耗机理的变化过程为:电弧侵蚀磨损伴随轻微机械磨损、机械磨损、电弧侵蚀磨损,与正常条件下由轻微机械磨损到重机械磨损伴随轻微电弧侵蚀,到机械磨损和电弧侵蚀共存状态的磨耗机理变化过程不同。为特殊条件下弓网磨耗的研究提供一定基础。     

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。     

不同载流条件下滑动电接触特性

不同载流情况下,引起滑动接触面温升的主要因素有摩擦热、焦耳热、电弧热.接触面的温升使接触材料表面发生物理化学变化,从而改变了接触面成分,同时反过来影响接触面的滑动电接触性能.论文通过对铜基粉末冶金滑板、浸铜碳滑板两种滑板材料与铜锡导线的对磨实验,分析了两种滑板材料在受流摩擦时的磨损行为.研究表明:随着电流的增大,两种滑板材料的接触电阻、温度以及磨耗率都在增大,浸铜碳滑板材料的接触电阻变化率较小,但接触表面的温度偏高,该滑板磨耗率变化较小,受流磨损性能较好.