受电弓与接触网相互作用综述

受电弓与接触网相互作用综述
吴积钦，李岚
摘要：不同类型的受电弓和接触网组合会产生不同的相互作用性能。

这些性能主要体现在两者之间的几何相互作用、材料接口、弓网电接触及动态相互作用等方面，这些方面相互独立又相互依存。

几何相互作用是弓网系统的基本矛盾，当列车运行到一定速度时，弓网动态相互作用成为弓网系统的主要矛盾。

受电弓与接触网的相互作用性能是弓网系统方案设计及相关标准制订的依据。

关键词：受电弓；接触网；相互作用
受电弓与接触网的相互作用（俗称弓网关系），不同类型的受电弓—接触网组合会产生不同的相互作用性能。

这些性能主要体现在两者之间的几何相互作用、材料接口、弓网电接触及动态相互作用等方面。

1几何相互作用
接触线是受电弓的滑道，接触线不离开受电弓弓头的工作范围才能使受电弓沿接触网顺利滑行。

接触线在线路上方的几何特征值须与受电弓的几何特征相适应。

1.1受电弓的几何特征
受电弓的几何外型越小，对线路的结构限界要求就越低，但接触网的跨距就越小；几何外型越大，接触网可以采用的跨距就越大，但对线路的结构限界要求高。

各国铁路部门根据各自情况确定受电弓的弓头几何外型。

中国铁路受电弓弓头的几何外型遵循UIC608附4a规定，弓头总长度为1950mm。

受电弓的工作范围等于其上部工作位置与下部工作位置之差，通常为2000mm左右。

1.2架空接触网的几何特征
接触线在线路上方的几何特征值可用横向与垂向2个方向的参数表征。

垂向特征值主要有接触线高度、接触线坡度、接触线在定位点处的抬升等；横向特征值主要有接触线拉出值、侧风作用下的横向偏移值等。

垂向参数应保证受电弓在工作范围内的正常运行；相对于轨道平面垂直中心线的横方参数应确保任何情况下有一支接触线在弓头工作范围内。

弓网接触压力的测量已经表明，接触线空间位置的不连续性会引起接触压力瞬间的较大变化。

2弓网材料接口
接触线和滑板的磨耗以及弓网接触点的允许电流很大程度上依赖于两部件的材料组合。

2.1滑板
滑板应满足弓网系统的机械及电气要求，通常要求滑板接触电阻小、熔点高、导热性良好、质量小、机械强度高、弹性好、与铜或铜合金接触线之间的摩擦系数小、便于实现轻量化和标准化等。

作者简介：吴积钦，西南交通大学电气工程学院，副教授，博士，成都：610031
滑板按材料可分为纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板及浸金属碳滑板等。

2.2接触线
由于铜和铜合金有较高的导电性、张力、硬度及其承受温度变化和抗腐蚀的能力，硬拉电解铜和铜合金已成为全球使用的导电材料。

银（0.1%）或镁（0.5%）的合金添加剂能进一步改善接触线的机械和热性能，这些性能对高速接触网至关重要。

2.3滑板与接触线的组合
钢、铜合金、石墨和金属碳等滑板材料与接触线的相互作用原理有明显不同，碳和石墨带来光滑的表面，没有任何粗糙成分磨损接触线。

铜和钢形成的一种粗糙表面类似于一把细锉，这种粗糙程度起的研磨作用会使接触线和滑板均迅速磨损。

碳滑板已被证明特别适用于铜及铜合金接触线。

碳滑板自润滑性能及耐电弧性能好，能满足高速弓网系统的动态需求和延长弓网系统使用寿命的要求，但导电性能差，需要提防静态接触温升对接触线的热侵蚀，避免引起接触线的局部温度超过容许限度。

金属滑板比同样体积的碳滑板要重得多，会对受电弓的动态性能产生不利影响，对弓网接触压力的动态范围有负作用。

直流电气化铁路电压低，动车组取流量大，为避免接触点过热，通常不得不采用金属滑板。

实践经验表明，金属滑板引起的接触线磨损率几乎是碳滑板的10倍。

如果碳滑板和金属滑板在同一接触线上混合运行，会形成不同的接触线表面结构，使接触线和碳滑板的磨损率明显加剧。

出于这种原因，适合欧洲高速铁路的互操作性技术规范规定用碳作受电弓滑板材料。

在某些电气化线路上，接触网使用钢铝接触线或铝包钢接触线，当这类接触线钢的成分与滑板滑动接触时，常引起滑板的严重磨损。

运行在此类型接触线区段的受电弓宜采用铁基粉末冶金滑板。

影响接触线寿命的因素很多，但滑板对接触线的机械磨耗是最基本的。

接触线的造价比较高，更换起来也比较麻烦，因此，对接触线的磨耗大小往往成为选择滑板材质的重要依据，具有低磨耗和自润滑性能是人们对滑板的自然要求。

磨损使接触线截面积减小，不仅使载流量下降，还会增加局部抗拉应力。

确定是否达到磨损限度的标准是在磨损最严重的点上测量其截面积，若接触线磨损均匀则使用寿命较长，其基本要求取决于架空接触网和受电弓之间最良好的相互作用，而良好的相互作用又是由设计、运行速度以及精确安装和充分维护决定的。

3弓网电接触
弓网系统的最终目标是传输电能。

在电能传输过程中，滑板与接触线的接触点有时候静止不动，有时候相对滑动，在高速滑动过程中还会出现弓网机械脱离（离线）现象。

弓网相对静止时，关心的主要问题是接触点的静态接触电阻、接触温升；在滑动接触过程中，关心的主要问题是摩擦磨损与润滑；弓网机械脱离时，主要关心弓网系统的电火花与燃弧现象。

3.1弓网静态接触电阻和温升
接触线与滑板之间不良电气接触带来的短期热效应极易造成接触网设施的损坏，车辆静止不动或缓慢移动时高额取流，以及滑板磨损或损坏时最可能出现这种短期热效应。

接触线与滑板的接触部分无论如何加工、打磨及运行过程中的相互磨损，在微观上总是凸凹不平的。

即使有很大的接触压力使滑板与接触线相互压紧，也只有少数的点（或小面）实际发生了真正的接触，这些实际接触的点（或小面）承受着全部的弓网接触压力。

电气列车所需的电流通过导电斑点从接触网流向受电弓，电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增长，有效导电面积减小，会出现局部附加电阻，称为收缩电阻。

电流通过接触斑点时还会遇到准金属接触，电子通过极薄的膜时还会遇到另一附加电阻，称为膜电阻。

这两部分电阻表现为串联，相加后的总电阻构成弓网系统的静态接触电阻。

弓网系统的静态接触电阻为：
R=（1）
c
可见，影响弓网静态接触电阻的因素主要有4个：滑板和接触线的材料性质、弓网接触压力、弓网接触形式及滑板与接触线的接触面状况等。

滑板和接触线一定时，接触电阻只和接触压力有关。

当接触压力等于0时，接触电阻无穷大。

因此，有关的弓网相互作用技术规范规定接触压力必须大于0，且用弓网接触压力对弓网的接触质量进行优劣评价。

电流通过接触电阻会产生热量，引进接触点温度升高。

接触点温度应严格控制在容许范围内。

弓网静态接触压力的取值应确保静态接触电阻不至引起接触点过热。

3.2弓网系统的摩擦磨损
滑板与接触线相对滑动时的接触区域，是由一些分散的微小接触点所构成，这些接触点不仅支撑载荷，而且承受摩擦功和电流流过接触电阻所引起的热流。

因而电流收缩及机械载荷的高度集中会产生高密度的焦耳热，随着热量的积累，接触点温度升高，材料性能改变，当其不能继续支撑接触载荷时，接触点遭受破坏，直到另一个合适的“冷”接触点重新支撑载荷为止，如此构成了滑动接触条件下的磨损行为。

弓网系统的滑动磨耗大致可以分为机械磨耗、化学磨耗和电气损耗3种。

3.2.1 机械磨耗
机械磨耗通常又可分为粘结磨耗、硬粒磨耗和疲劳磨耗。

粘结亦称发热粘结，是凸部之间原子相互结合的产物。

不同金属相接触就生成合金，因此，越容易合金化的金属就越容易引起粘结。

当然，同种金属之间的“均质粘结”是最为常见的现象。

材料越硬，粘结磨耗就未必越少，因为凸部之间相互结合后，剪切力破坏弱的凸部，如进一步发展，另一方凸部多起来，相互之间达到一定限度，即使是强的凸部也会破坏而生成独立的粒子，这个粒子夹在滑动面之间，又可能在凸部再度破坏，如此反复循环，最终排出，这就是磨耗粉。

从粘结磨耗的机理看出，粘结磨耗使双方磨耗，对于滑板——接触线摩擦幅，滑板有磨耗，接触线也必定有磨耗。

因此，同种金属或相近金属材料不可作为滑板——接触线的材料匹配，否则极易引起粘结磨耗。

与金属难起粘结作用的碳基滑板的磨耗主要是硬粒磨耗。

在与铜基滑板混用时，接触线变得很粗糙，从而增大了磨耗。

为避免出现硬粒磨耗，在同一线路区段运行的受电弓应统一使用相同材质的滑板。

疲劳磨耗是指凸部在反复剪切力的作用下产生疲劳裂纹，最后导致凸部微粒脱落而引起的磨耗。

弓网受流系统由于温升的原因使凸部频繁发生软化，疲劳磨耗问题不突出。

3.2.2 化学磨耗
化学磨耗又称腐蚀磨耗，即摩擦幅在腐蚀环境下溶解、生锈等而又在滑动中加速了损耗。

3.2.3 电气损耗
电气损耗是指电离子转移和电弧熔损。

前者是金属离子沿着电流方向移动、而成为产生“均质粘结”的粘结磨耗的加速因素。

从金属电刷的实验例子可以推断，电气列车在牵引工况下，接触线的铜离子向滑板方向移动，而在再生工况下，则是滑板的成分向接触线方向移动。

电弧熔损按词义解释是指接触斑点因电弧熔化而引起的损耗。

初步估算电弧熔损仅占电弧引起的磨耗的16%，就磨耗机理来说可以认为金属系列滑板磨耗多数是由粘结磨耗引起的。

3.3弓网系统电弧的产生原因与影响
在大多数情况下，弓网系统滑板与接触线脱离接触时，供给滑板和接触线离线间隙的电流和电压分别大于生弧电流和生弧电压，弓网系统的电弧现象不可避免。

电弧将滑板与接触线的离线间隙击穿，能维持列车取流的持续性，这对滑动接触能量传输至关重要。

但燃弧产生的高频电磁波对频率高达30MHz的调幅无线电传输产生干扰，还产生可闻噪音。

弓网系统产生电火花和电弧现象的情形有多种，不同情况下产生的电弧可能是运动的、也可能是半运动的或静止不动的，其对弓网系统材料的影响也不尽相同，应根据具体情况具体对待。

静止电弧在很短时间内就能导致接触线表面熔化，运动电弧对接触线的热侵蚀程度与电弧的运动速度有关，速度越高，影响越轻微。

弓网系统应尽量避免静止电弧的产生，比如，应禁止电气列车带负荷升降受电弓、禁止电气列车带负荷进入接触网中性区及禁止列车在绝缘锚段关节区域停车等。

4 弓网动态相互作用
受电弓和接触网通过接触点组成一个相互振荡和耦合的振动系统，弓网系统的振动是随机振动，只能通过数理统计方法进行研究。

接触压力连接受电弓和接触网2个机械系统，随着列车速度的增加，弓网系统的动态部件对接触压力的影响越来越大。

为了保持受电弓滑板沿着接触线并不间断地与接触线接触，接触压力
的值必须保持在一定范围，即动态范围。

EN50119标准规定，200km/h以下线路的弓网接触压力不应超过300N，200km/h以上线路的弓网接触压力不应超过350N，2种情况下接触压力的下限值都应大于零。

定位器是接触线支持装置中的重要部件。

当定位器无抬升限制时，接触线定位点应有2倍预期抬升值的抬升范围；定位器有抬升限制时，接触线定位点应有1.5倍预期抬升值的抬升范围。

5 结论
弓网系统是一个整体，研究受电弓离不开接触网，研究接触网离不开受电弓。

弓网关系中的几何相互作用、材料接口、接触点电接触性能、动态性能等4方面内容相互独立又相互依存。

几何相互作用是弓网系统的基本矛盾，当列车运行到一定速度时，弓网动态相互作用成为弓网系统的主要矛盾。

弓网相互作用的4个方面涉及到机械、电气、材料等各个专业。

在一定的经济、技术条件下，为确保弓网系统不间断的机械及电气接触，并达到期望的使用寿命，恰当地选取弓网相互作用的各种方案和参数，兼顾各个方面的技术要求，是弓网系统设计、施工、运营维护的重要内容。

参考文献：
[1] [德] Kießling, Puschmann, Schmieder. 电气化铁道接触网[M]. 中铁电化局集团有限公司译. 北京:中国电力出版社, 2004.
[2] EN50119: Railway applications – Fixed installations – Electric traction – overhead contact lines[S], Brussels: CENELEC, 2001.
[3] [日]松山晋作. 受电弓的受流摩擦学[J]. 电力牵引快报. 1997(1): 52-60.
[4] 张冠生. 电器理论基础(修订本)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1989.
[5] EN50367: Railway applications – Current collection systems – Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line (to achieve free access) [S], Brussels: CENELEC, 2006.。