弓网系统离线电弧在低气压环境下运动特性研究
发布时间：2021-06-19
摘要：弓网电弧是影响列车弓网系统稳定受流的重要因素，研究电弧的运动特性对提高其可靠性和使用寿命以及减少事故的发生具有重要意义。川藏铁路处于高海拔地区，气压的降低使得弓网电弧的运动特性与低海拔地区相比有显著差异。为了探明高海拔地区的弓网电弧运动特性，建立了二维磁流体动力学模型，对不同气压等级、不同气流强度、不同接触线廓形条件下电弧的运动特性进行了仿真研究，得到了不同条件下电弧的运动发展特征;通过弧根位置-时间曲线对电弧运动进行表征。研究结果表明：随着气压的降低，电弧直径增大，体积也随之增大，相对常压下运动发展更为缓慢;在气流作用下电弧整体温度降低，电弧电压波动频率及波动幅值增大，弧根跳跃更为频繁，气流越强，弧根停滞时间越短，稳定性越差，越容易熄灭;适当采用半径更大的接触线或减小接触线底部的曲率可以有效地加快电弧运动，减少电弧长时驻留的情况，从而减轻电弧对电极的烧蚀。研究结果为高海拔地区的电弧防护提供了理论支撑。
关键词：电弧运动特性;低气压;强气流;磁流体动力学;弓网系统
0引言
高速铁路是国家经济发展的重大需求，列车通过接触网导线与受电弓滑板之间滑动接触实现电能的传输，是获取能量的唯一途径[1]。列车高速行驶带来的弓网系统之间冲击振动以及接触线与受电弓滑板之间的硬点冲击使得弓网系统不可避免地发生分离，导致弓网电弧频繁产生，造成列车受流质量下降、弓网系统侵蚀，事故频发[2-4]。据统计，因电弧而导致的弓网故障已成为威胁列车供电安全及稳定运行的首要因素。减轻弓网电弧所带来危害的关键在于减少电弧在接触线和受电弓滑板表面停滞的时间、加快电弧的移动发展速度，使电弧更快熄灭，同时减轻对弓网系统的烧蚀破坏，因此研究电弧的运动特性及其调控措施对减少事故发生、保障列车安全稳定运行具有重要意义[5]。
电弧等离子体作为“物质的第四态”[6]，由于其特殊的物理特性而被国内外学者广泛研究，对其所研究的领域主要集中在开关电器、电弧焊接、弓网系统等[7]。在开关电器领域，电弧在开断短路或过载电流过程中产生，研究主要通过改变灭弧介质[8-10]、分断速度[11]、磁场[12-13]和产气材料[14-15]等外施驱动因素、灭弧室结构[16-18]等研究断路器的开断性能和电弧对开关电器的烧蚀程度。对于电弧焊接领域，主要是利用电弧高温高热的特性，将其作为热源熔化金属，通过对电弧焊等离子体内部温度场和流场分布的调控，达到提高焊接质量的目的[19]。区别于开关电器电弧和焊接电弧，弓网电弧是由于列车行驶过程中作为列车取流的受电弓因振动与传导电流的接触线分离而产生，其暴露在开放大气环境中，受到外界环境影响大。目前，为了贯彻落实党中央“十三五”规划的重大举措，正积极规划建设川藏铁路，然而川藏铁路所处海拔高，气压与低海拔地区相比有显著的降低，在这种高海拔、低气压的特殊环境下可能会对弓网电弧的运动特性产生较大的影响。国内外针对电弧的运动特性展开了大量的研究，主要采用仿真和实验结合的方式研究了常压下的电弧运动特性。文献[20-22]利用动网格技术对受电弓升降弓过程中弓网电弧的特性进行了模拟，得到了加快降弓速度可以加快电弧熄灭的结论。曹启纯等[23]研究了银蒸气浓度及外加磁场强度对断路器电弧运动特性的影响，发现银蒸气阻碍电弧运动，增大外加磁场有助于加快电弧熄灭。李静等[24]通过仿真与实验对比结合，研究了分断速度、差异外施横向磁场对直流接触器灭弧室中弧根演变规律的影响。上述研究均是基于常压下对电弧运动特性的研究，早在1950年，就有学者通过实验对低气压环境下的电弧运动特性展开了一些研究，Li-chunChang,WeiYan等[25]利用高速摄影技术和光纤微机系统，对低临界气压下空气中的直流短电弧在横向磁场中的运动进行了一系列实验研究。结果表明，采用冷阴极材料黄铜作为电极时，电弧会出现不间断地向前和向后游走做往复运动的现象，当气压降低至230Torr时，电弧停止向前运动，将气压控制在190Torr-230Torr范围内会使电弧呈现往复运动的现象(Yamamura[26]称之为电弧运动的相对静止气压)，气压继续降低至190Torr时电弧才发生稳定的反向运动。MikhailS.Benilov等[27]发现在真空环境中，当存在横向磁场时，由冷阴极金属材料作为电极的电弧阴极上的电流点主要沿反安培或“逆”方向移动，该文章作者认为电弧逆向运动是由于磁场作用，磁场通过影响电弧放电斑点使电弧向磁力压力梯度移动。然而上述有关低气压环境电弧运动特性的研究基本上是在极低气压环境下进行的(小于0.25atm)，在川藏铁路沿线所处气压环境中(0.5atm-1atm)电弧运动特性会呈现出怎样的差异尚不清楚。
相关知识推荐：关于电机的核心期刊
为此，本文通过建立不同等级低气压环境的弓网电弧磁流体动力学模型，研究弓网电弧在低气压及横风联合作用下的运动特性，分析不同接触线廓形对电弧运动特性的影响，并将仿真结果与实验相对比，为低气压环境下电弧的调控提供理论支撑。
1弓网电弧磁流体动力学模型
1.1几何模型
弓网系统几何模型如图1所示，包括接触线和受电弓滑板，其中接触线的材料为铜，受电弓滑板的材料为浸金属碳。模型高100mm，宽150mm，接触线直径为13mm，受电弓滑板长150mm，厚度为10mm，接触线与受电弓滑板之间的间距为4mm。接触线与受电弓表面设定一层厚度为0.1mm的鞘层区域。列车在运行过程中会受到横风的作用，因此整个模型上侧与左右两侧为出口，与大气环境连通。
1.2模型假设
由于电弧等离子体具有复杂的物理现象，因此在合理的情况下采用以下的基本假设条件来对电弧等离子体的仿真模拟进行简化。
1)仿真起始阶段弓网电弧等离子体已在接触线与受电弓滑板之间稳定存在，且处于局部热力学平衡状态(LTE)。
2)等离子体具有电中性，不存在空间电荷。
3)不考虑接触线与受电弓滑板的相变及其产生的铜蒸气和碳蒸气等成分。
4)弓网系统中电弧等离子体的流动性质为层流。
5)忽略电弧产生的自生磁场。
1.3控制方程
基于磁流体动力学理论，将弓网电弧视为特殊的导电流体，建立了弓网电弧的磁流体动力学模型，在此模型中，通过建立统一的质量、动量、能量守恒方程以及电磁场方程组，利用多场耦合求解的方法来描述电弧等离子体的状态。
1.4边界条件
由于弓网系统电弧的数学模型包含了气流场、电磁场和温度场的耦合求解，对于其中每个场的求解，为保证其收敛性与准确性，对各个场设置以下的边界条件进行约束。
2仿真结果与分析
2.1低气压对电弧运动特性的影响
为了研究气压降低对弓网电弧运动特性的影响，考虑到川藏铁路线路从成都到拉萨沿途中最高气压于成都地区为94.77kPa，最低气压于那曲地区为58.9kPa。因此本文分别对电弧电流为100A，气压等级50kPa、70kPa、80kPa和101kPa情况下的弓网电弧运动特性进行了仿真分析。
由于列车在行驶过程中会受到横风的影响，为了更准确地模拟实际情况，考虑横风对电弧的持续作用，速度为20m/s，对低气压、强气流联合作用下的电弧运动特性进行分析。图2所示为横风速度为20m/s时，不同气压等级下电弧的运动发展特性。在燃弧初期，0-2ms时，电弧发展缓慢，弧根停滞情况较为严重，不同气压等级下电弧阳极弧根位置相差不大，在这个阶段电弧弧根的长时间停滞会造成受电弓滑板的严重烧蚀。3ms后，较低气压下电弧阳极弧根的运动明显滞后于较高气压情况下，气压等级为101kPa时电弧在5ms发展至距离接触线59.62mm处，然而在80kPa、70kPa和50kPa时这个距离分别缩短至51.02mm、46.63mm和34.91mm。在低气压下电弧弧根的缓慢发展不仅会使电弧在受电弓滑板上停滞更长的时间，还会造成因发展较慢使得电弧拉伸速度较慢，电弧长度维持在较小的水平，电弧难以熄灭。低气压下电弧弧根在电极上更长时间的停滞以及因弧长变化缓慢而导致的电弧维持时间增加，使得电弧在低气压下对弓网系统电极造成更加严重的侵蚀。
同时，对不同气压下电弧的温度特性以及形态特征进行分析可知，随着气压降低，电弧整体温度相比较高气压略有降低，但下降幅度不大。值得注意的是，较低气压下的电弧直径比之较高气压情况下有着明显的增大，相应的电弧体积也有所增大，这是因为随着气压的降低，空气的动力粘度有一定程度的下降，增强了电弧的流动性，使弧柱扩张的程度增大。电弧体积的增大导致其在横风的作用下运动发展缓慢。
2.2横风强度对电弧运动特性的影响
不同车型的列车在行驶过程中产生的空气动力学效应不同，其所受到的横风强度也有一定程度的差异，一般不同车型的列车在运行过程中受到的横风作用强度为10-30m/s。横风会对电弧的运动特性产生显著的影响，因此本文对不同横风强度下的电弧运动特性展开研究。如图3可知，随着横风强度的增大，电弧电压的整体大小升高，电压波动更加频繁，同时电弧电压幅值波动更为剧烈，说明横风对电弧的稳定性产生了很大的影响，横风强度增大会使电弧稳定性显著降低，电弧维持能力减弱。不同横风强度下电弧温度随时间的变化曲线如图4所示，可以发现横风速度越大，电弧整体温度越低，同时温度振荡变化越剧烈。对气压等级80kPa、横风强度为30m/s时燃弧时间4.5ms附近的一处温度振荡结合电弧运动图像进行分析可以得知，在电弧温度剧烈变化处发生了阳极弧根跳跃的现象，在由旧弧根跃迁至新弧根的过程中电弧通道会出现短暂的中断，造成电弧温度的骤降，在形成新弧根后电弧通道重新连通，温度又逐渐上升维持电弧的燃烧。综合以上分析不难知道，横风强度越大，电弧发展过程中弧根跳跃越频繁，电弧本身的稳定性越差，气流增强的同时也增加了电弧的散热功率，使得电弧整体温度下降，实际上以上两方面均加快了电弧的去游离过程，破坏了其放电的稳定性，因此气流速度越大的情况下电弧越容易熄灭。
2.3接触线廓形对电弧运动特性的影响
随着气压的降低，电弧体积增大，造成电弧运动发展缓慢，会对电极造成更为严重的侵蚀，为了对这一情况进行改善，如图5所示，通过改变接触线半径增大底部面积、改变接触线底部曲率增加底部平滑度等，研究不同接触线廓形对电弧运动特性的影响。
2.3.1接触线半径对电弧运动特性的影响
首先研究大气压强80kPa、横风强度为10m/s时不同接触线半径对电弧运动特性的影响。不同接触线半径下阳极弧根随时间的运动曲线如图6所示，研究的时间范围为电弧开始燃弧至第一次阳极弧根跳跃结束。可以发现电弧在运动发展过程中会出现弧根停滞驻留的情况，其停滞时间长短与接触线半径无关。同时随着接触线半径的增大，阳极弧根发展速度加快，这主要是因为由于接触线半径的增大，扩大了阴极弧根的运动范围，使阴极弧根牵引弧柱发展运动，导致电弧整体的运动速度增大，这也说明增大接触线半径可以加快电弧的发展，减少电弧在受电弓滑板停留的时间，同时使电弧更快熄灭。
2.3.2接触线底部曲率对电弧运动特性的影响
在同样的条件下改变接触线底部曲率，研究其在电弧运动发展过程中起到的作用。不同接触线底部曲率下阳极弧根随时间的运动曲线如图7所示，可以发现随着接触线底部曲率的减小，与增大接触线半径一致，电弧阳极弧根的运动发展速度同样呈现加快的趋势，但这种情况下电弧的运动发展速度明显更快，这与接触线底部更为平缓，可以使阴极弧根更快地移动有关。
对不同气压等级、不同接触线底部曲率下阳极弧根在5ms内的停滞驻留时间进行统计分析，得到如图8所示柱状图，值得注意的是，随着气压的降低，阳极弧根的停滞时间显著增加，说明弧根的停滞驻留是低气压环境下电弧运动发展缓慢的主要因素。同时随着接触线底部曲率的减小，电弧弧根滞留的时间也有了一定程度的减少。
3实验验证
为了对仿真结果的准确性及其可靠性进行验证，通过弓网电弧发生装置对低气压环境下的电弧燃弧过程进行模拟测试。本文研究的电弧运动时间区段在0~5ms的范围内，为实际弓网系统工频交流电压的1/4个周期，在这个运行周期内不涉及电压极性的变化，也不存在自然过零的情况，故可采用直流电源开展实验。实验平台示意图和主要实验装置分别如图9、图10所示。整个实验装置置于密闭环境气氛舱中，通过抽气机抽气模拟不同的气压环境。直流电源提供能量，将电压调节至300V，调节限流电阻使电流为100A，利用大风量风机使电弧处于高速气流环境中，风机能提供的风速范围为10m/s-50m/s，实验中风速设置为20m/s。铜电极固定，控制精密升降装置将碳滑板匀速向下拉动实现两电极的分断，并同时采用PhotronNOVAS16型高速相机，将帧率设置为1000fps，采集整个燃弧过程的图像，最后通过显微镜观察记录电弧在碳滑板上烧蚀后留下的痕迹。
通过高速摄相机采集到的101kPa(a1-d1)、80kPa(a2-d2)、50kPa(a3-d3)等不同气压下电弧在5ms内的燃弧发展过程图像如图11所示，可以发现随着气压降低，电弧弧柱直径呈现增大的趋势，同时发现不同气压下电弧阳极弧根运动特性存在差异，在5ms时，101kPa、80kPa、50kPa等气压下阳极弧根与阴极弧根之间的横向距离分别为41.25mm、31.89mm和18.75mm，对应气压的阳极弧根的平均运动速度分别为8.25m/s、6.38m/s和3.75m/s，由此可见，随着气压的降低，电弧的运动发展出现滞后的现象，虽然通过实验测得的电弧运动距离小于仿真计算得到的结果，但是其总体随气压降低的变化趋势一致，据相关研究报道[31]，电弧使电极表面熔融产生的铜蒸气等金属蒸气会使电弧平均运动速度减慢，而本文仿真模型中并未考虑电弧使电极材料相变产生的铜蒸气，故结果存在一定的差异。在高速相机采集的电弧发展图像中，还注意到如图12所示的弧根跳跃现象，电弧在向右发展过程中由于弧柱拉长逐渐变得不稳定，旧弧根回跳形成新弧根以维持相对稳定的状态，以上结果均验证了所建立仿真模型的正确性。
图13为101kPa、80kPa、50kPa等不同低气压环境中电弧在横风作用下在碳滑板表面留下的烧蚀痕迹，可以发现气压在常压101kPa时电弧留下的烧蚀痕迹较窄，在电弧经过的路径碳滑板上产生小面积的细微裂纹，并且由于接触线主要成分为铜，熔点较低，在电弧的高温下形成铜液滴飞溅到碳滑板表面，在烧蚀路径周围以铜颗粒的形式存在;而在气压为80kPa时电弧路径较101kPa时更宽，同时在碳滑板上产生的裂纹面积更大、宽度更宽;最后对气压为50kPa时电弧在碳滑板表面留下的烧蚀形貌进行分析发现，50kPa时不仅电弧通过的路径明显变得更宽，其在碳滑板表面产生裂纹的分布范围也显著增大，裂纹宽度远远大于常压情况下。由此可以从侧面证实仿真结果的正确性，低气压下电弧直径、体积增大，造成电弧留下的烧蚀痕迹和路径也更加宽大，同时也由于其体积增大，电弧运动缓慢，在碳滑板表面更加长时间地驻留，造成碳滑板上因此产生的裂纹分布更广、尺寸更宽。——论文作者：周昱涵，杨泽锋，鲁超，母婷佑，魏文赋，高国强，吴广宁
