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中图分类号：TE986 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0300-01
0 引言（弓网电弧危害及发生机理）[1]
随着列车运行速度的大幅度提高,牵引供电系统的弓网离线率上升,弓网电弧现象愈发严重,导致安全事故频发,这已成为阻碍列车继续提速的瓶颈.要研究弓网电弧的各项特性,必须有针对性地设计弓网电弧试验平台,在此基础上合理地进行单因子试验,从而达到有效反映弓网电弧的某些特性的目的.
本文依托西南交大牵引动力实验室团队的弓网电弧机理试验平台,结合弓网动力学理论,完成了基于弓网电弧试验平台的一系列实验,分析了电弧的伏安特性曲线、谐波特性等电气参数,也从光学测量的方法入手,分析了电弧的光谱特性及形貌特征.
1.弓网电弧检测系统
1.1 弓网电弧试验研究现状
1.1.1 国际弓网电弧试验研究现状
国际上对弓网电弧的研究开始较早.早在上个世纪60年代,国际上己经开展了列车集电方式及弓网离线电弧的测试研究.
2002年欧盟组织通过对铁路电气系统中存在问题的研讨,决定成立OHLICE Team,且由庞巴迪公司和瑞典ABB公司牵头,建立室内试验台,以便研究、了解弓网电弧的物理过程和产生机制.
1.1.2 国内弓网电弧试验研究现状
相比之下,国内弓网电弧机理的研究起步较晚,且主要侧重于研究弓网载流摩擦磨损,针对弓网电弧机理本身的试验台比较少.
1.2 弓网电弧试验系统
目前己有试验台大部分采用转盘式结构,将接触网线制成圆形,镶嵌在转盘边缘的凹槽中,与转盘一起做高速旋转,受电弓碳滑板沿着转盘轴向作往复直线运动,模拟实际弓网运动形式.该类试验台弓网的位置关系与实际情况不一致,致使所产生的电弧轨迹与实际不符.
在实验室条件下建立弓网电弧机理试验台,模拟实际工况,主要解决以下几个方面的问题：
1）、弓网相对运动形式呈“之”字形；2）、弓网间的高电压、大电流；3）、弓网在垂向上的相对位置.
图1为弓网电弧试验台总体结构示意图.
2.弓网电弧时频域分析
2.1 时域分析
2.1.1 弓网电弧典型波形
在多次测试中,观察到典型的弓网电弧燃弧波形如下：
2.1.2 电极材料对于弓网电弧的影响
对于2.1.1中典型的弓网电弧的波形,根据电弧阴极的不同,统计弓网电弧产生次数,如表2.1：
可以看到,阴极为受电弓滑板的情况比阴极为接触线的情况略多,说明电弧建弧率受到电极材料的影响.
考虑到在实验台上的运动过程中,电弧斑点在接触线上运动距离远大于在碳滑板上运动距离的现状,电弧波形的正半周的波形应远远多于负半周的波形.但由上表实验结果,在该实验台的一系列运动试验中,阴极材料对于电弧建弧率的影响并不符合预期.
2.2 频域分析
运行速度为20km/h,施加在弓网间的电弧电压为380V,纯阻性负载,阻抗为5Ω,测试得到的弓网间电压-电流波形如图2.2-1：
其伏安特性为：
由图2.2-2,伏安特性曲线是典型的电弧伏安特性曲线,据此认为此处发生了弓网电弧现象.可以注意到图中I-U曲线在电流峰值处存在回线,该现象与以往电弧伏安特性曲线略有不同,有待进一步研究.
再使用origin软件进行FFT时-频域转换,获得电弧的电压、电流的频域特性为：
由图2.2-3、2.2-4容易发现,弓网电弧电压和电流的谐波主要为3次、5次等奇次谐波,并且谐波分量主要集中在500Hz以下,这与广州地铁某号线弓网电弧现象[3]的现场测试结果相仿.
此外,在实验中还注意到了弓网电弧在频域响应方面的一些特点,如下两种波形具有类似的频率响应；伏安特性类似的两条曲线对应的频率响应却存在相当大的差别,在这方面可以做进一步的深入研究,从而分析切向滑动、法向振动存在下弓网电弧的行为特征.
3.弓网电弧光学特性（弓网电弧形态）
发生弓网电弧现象时,一部分正离子和电子在弧隙空间复合,发出的能量以光的形式进行辐射或增加气体粒子的热运动.对于弓网电弧的发光过程,本实验台选取光电传感光纤和光谱分析仪等设备,基于分光光度法理论,通过MATLAB软件,可以得到弓网电弧的光谱特征分布曲线.
3.1 光谱分析原理
吸光光度法也称做分光光度法,分光光度是仪器的功能,即仪器进行分光并用光度法测定,这类仪器包括了紫外光谱仪.
基于系统的总体设计图,对离线电弧通过光纤-Maya 2000 Pro背照式2D FFT-CCD光谱仪-PC机的总体思路,便可以在PC机上进行光谱图的录制,然后通过Matlab光学模块进一步运算处理,得到我们想要的离线电弧的光谱分布.
3.2 光谱分析结果
通过对光电传感光纤和光谱分析仪进行串联,可以得到弓网离线电弧的光谱特征分布曲线,在本文采用的弓网电弧机理试验台上,通过光学测试,可以得到,弓网电弧的光强能量分布相对集中,为：220nm～225nm、323nm～329nm和380nm～400nm.
该结果最接近于目前普遍采用的欧洲标准EN50317：2002,该标准测量波段主要集中在220nm-225nm或323-329nm.
3.3 弓网电弧形貌
根据Maya 2000 Pro 背照式微型光纤光谱仪实验数据,可知该试验台弓网电弧的最佳获取波段为220nm～225nm,323nm～329nm以及380nm～400nm,可以用OLYMPUS高速相机拍摄电弧的形态.在本试验台30km/h时速下,电弧形貌如图4：
4.结论
1.运动中的弓网电弧的发生受法向振动的影响很大.
2.弓网电弧的电弧发生率受电极材料的影响.阴极为碳滑板时的电弧发生率比阴极为铜接触线时的高.
3.弓网电弧电压、电流的谐波主要为3次、5次等奇次谐波,并且谐波分量主要集中在500Hz以下.
4、弓网电弧能量相对集中,存在3个波段：220nm～225nm、323nm～329nm和380nm～400nm.