受电弓与接触网电接触特性

受电弓与接触网系统电接触特性研究1引言电气化铁路的牵引供电系统中，接触网是电气化铁道的主要供电设备，电力机车通过接触网取得电能。

弓网关系对整个电气化铁路系统的正常运营起着非常重要的作用，保证受电弓与接触网导线的良好接触是弓网关系中亟需解决的关键问题[1]。

近年来，弓网系统不良电接触引起的材料烧损及接触线断线事故占弓网事故的比例呈逐年上升之势，专家学者对弓网系统的火花与燃弧现象存在不同见解。

随着旅客列车高速化及货物列车重载化的实施，有必要依据电接触理论，对弓网系统电接触特性进行研究，对弓网系统运行中出现的一些现象做出合理解释，为解决这些问题提供理论依据[2]。

2弓网系统电接触的特征在弓网的运输系统中，电接触主要指滑板与接触线相互接触并通过接触界面实现电流传输的一种物理、化学现象[3]。

电接触形式包括点接触、线接触和面接触，如图2-1所示。

弓网系统相对静止不动时，受电弓与接触网接触区域表现为滑板平面与接触线圆弧面之间的线接触。

无论接触部分如何加工、打磨及运行过程中的相互磨损，在微观上总是凸凹不平的，如图2-2所示。

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。

由于接触线和滑板表面一般都覆盖着一层导电不良的氧化膜或其它种类的杂质，因而在实际接触点(或小面)内，只有少部分膜被压破的地方才能形成电的直接接触，电流实际上只能从这些更小的接触点中通过，如图2-3所示。

把实际发生机械接触的点(或小面)称为接触斑点，接触斑点中那些形成金属或准金属接触的更小面(实际传导电流的面)称为导电斑点。

（a ）点接触 （b ）线接触 （c ）面接触图2-1电接触形式图图2-2 滑板与接触线接触斑点 图2-3 电流收缩现象图 3 弓网系统静态接触电阻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[4]。

这两部分电阻在电路上串联，相加后的总电阻构成弓网系统的静态接触电阻。

静态接触电阻是表征弓网系统接触面电特征的重要参数，对于弓网系统点状接触的粗糙表面，单个导电斑点的接触电阻可用下列公式计算114e R a ρ= （3-1）224e R aρ= （3-2） 121244c e e f f R R R R R a a ρρ=++=++ （3-3）式中 R c —收缩电阻（Ω）； R e1、R e2 —分别为两接触面收缩电阻（Ω）；f R —膜电阻（Ω）；12ρρ、—分别为接触线、滑板材料的电阻率（Ω∙m ）；a —导电斑点的半径（m ）。

如果通过弓网接触斑点的电流增大，或弓网静态接触电阻增高，则接触斑点的电压降必然增大，导电斑点和收缩区内的温度亦会相应增高，当温度达到接触线或滑板材料的软化点和熔化点时，导电斑点及其附近的接触线或滑板材料就会发生软化和熔化。

实际上，新开通电气化铁路或受电弓滑动接触次数较少的接触线表面均有一层导电率较差的表面膜，弓网滑动接触过程中，电火花现象较明显。

随着弓网滑动次数的增加，接触线的表面膜逐渐被弓网相对滑动破坏，也可能被较高的电场破坏，此时弓网系统单个导电斑点的接触电阻只有收缩电阻部分，即1212444c R a a a ρρρρ+=+= （3-4）式(3-4)为弓网系统一个导电斑点的接触电阻，假设弓网之间的导电斑点有n 个，每个导电斑点间的距离比a 大得多，多斑点间的收缩电阻为并联关系，弓网系统总的静态接触电阻为124c R na ρρ+= （3-5）当接触点的压强超过较软接触材料屈服强度就会出现塑性变形，考虑到弓网系统静态压力范围及材料的硬度定义，认为接触硬度H 为2F F H S n a π== （3-6） 式中 H —滑板和接触线两者中较软材料的接触硬度(2N m )；F —弓网系统的接触压力(N )；S —接触面积（2m ）；n —导电斑点的数目；a —单个导电斑点半径（m ）由式(3-6)知a = （3-7） 将式(3-7)代入式(3-5)得弓网系统的静态接触电阻为c R == （3-8）如果将所有导电斑点等价为1个，即n=1，式(3-8)演变为c R == （3-9）由式(3-9)可知，弓网系统的接触电阻与滑板及接触线材料的电阻率、导电斑点数目、接触硬度、接触力大小有关。

准确计算弓网系统的接触电阻比较困难，通常进行估算或通过试验得到[5]。

4 弓网系统的稳态热效应电动列车停车时，其内部附属设备的运转仍需通过相对静止的弓网接触点获取电能。

由于接触电阻的存在，当电流通过接触点时必然产生焦耳热，使弓网系统接触点局部区域温度升高，严重时温升可达到滑板和接触线材料的软化点、熔化点，甚至发生接触线断线事故。

根据电位—温度理论[6]，导电斑点超过接触点外的温度—接触温升与接触电阻及通过接触点的电流成简单的函数关系：22()88c IR U θλρλρ== （4-1） 将式(3-8)的c R 代入上式得2212()128H I nFρρπθλρ+= （4-2） θ—导电斑点超出接触点以外区域的温度，即接触温升（K ）； U —电流I 通过接触点产生的压降，即接触压降（V ）； I —通过接触点的总电流(A )；λρ—滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值(2V K )。

由式(4-2)可知，通过弓网接触区域的电流越大，或者接触电阻越高，则接触点温升亦会相应变大；另外，滑板与接触线材料的电阻率也是接触点温升的主要影响因素。

为保证高速及重载情况下弓网系统的正常运行，滑板与接触线材料必须具备良好的电气性能。

国内外典型的受电弓滑板电阻率与硬度值见表4-1。

表4-1 受电弓滑板电阻率与硬度值国家滑板种类 硬度/HS 电阻率/(1m μ-Ω⋅) 欧美浸金属碳滑板（MY7D ） 纯碳滑板（CY3TA ） 浸金属碳滑板 纯碳滑板 96 92 96 65 8.1 24 8 35 中国日本 浸金属碳滑板（MC ）纯碳滑板(SW ) 100 75 9 30 我国电气化铁路中使用的铜或铜合金接触线主要机电性能见表4-2。

表4-2铜或部分铜合金接触线主要机电性能接触线类别 型号 抗拉强度/MPa电阻率(20C ο)/(21mm m -Ω⋅⋅)铜CT120 360 0.01777 铜银合金CTAH120 360 0.01777 铜锡合金CTS120 420 0.02395 铜镁合金 CTMH120 490 0.02778由表4-2可知，铜银、铜锡、铜镁几种接触线的抗拉强度及电阻率依次递增。

目前，CRH 系列动车组使用的DSA 型受电弓为电阻率较高的纯碳材料滑板。

当弓网接触力一定时，这种碳滑板分别运行在铜银、铜锡和铜镁接触线区段时的弓网接触电阻依次变大，动车组取流通过接触电阻时产生的热量对弓网接触区域的加热所引起的电火花强度也不同。

显然，动车组分别运行在铜银、铜锡、铜镁合金的接触线区段时，其弓网系统的电火花现象依次呈剧烈递增状。

另外，由于在取流量较大的电动列车启动或速度较低区段存在接触电阻，应重视弓网系统的载流能力和温升特性，避免滑板和接触线局部因热能积聚，导致接触点过热引起接触线抗拉强度下降，甚至发生接触线断线事故，必要时应采取措施减小弓网系统的接触电阻。

5 弓网系统的故障现象在大多数情况下，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，维持了电气列车取流的持续性，这对滑动接触能量传输至关重要。

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。

5.1滑动接触过程中的弓网电火花现象在弓网滑动接触时，如果滑板及接触线的实际导电面面积较小、接触电阻升高或者列车流量较大，则电流可能通过导电斑点而发出热量，造成导电斑点的温度快速上升，当达到一定程度后，就会出现电火花。

另外，在弓网相对运动过程中，也可能造成导电斑点的断裂问题，滑板和接触线的凸部位置脱离，相互接触就会产生电火花。

以上两种情况在弓网滑动接触中最为常见，甚至列车低速运行状态下也难以避免。

此时弓网系统并未出现机械脱离或接触力不足的现象，电火花的能量较弱，对弓网系统的影响有限。

5.2滑动接触过程中的弓网电弧现象在弓网系统的滑动接触中，受电弓与接触网相互振动，接触网周期性的弹性变化及受电弓通过不规则(比如：接触线不均匀抬升量、接触线安装缺陷、接触线本身缺陷、单一质量块等)地方时，导致弓网接触压力波动加剧。

当接触压力逐渐下降时，滑板和接触线的接触面积减小，两者之间的接触电阻增加，电流通过接触电阻引起的焦耳热增加，接触面的温度上升。

当滑板和接触线之间的接触压力为零、两者之间机械脱离时，弓网系统的电弧现象也就产生了。

实际运行经验表明，双滑板受电弓的任一根滑板与接触线脱离接触时，即使另一根滑板与接触线接触良好，脱离接触的那一根滑板与接触线之间也会产生电弧。

当弓网接触恢复正常之后，电弧会自动熄灭，如果弓网电弧拉开一定距离，则电弧也会熄灭。

对于高速运行的列车来说，弓网系统中的电弧，可能与弓网一起快速移动，也可能在较短的时间内瞬间熄灭。

虽然电弧的温度比较高，但是热流对弓网系统的侵蚀作用十分有限，也不会对弓网系统产生过多影响。

高速运行中的电弧对环境产生影响，但却能保证电动列车取流的连续性，这对滑动接触下的能量传输非常重要。

当然，如果空气间隙增大，电流中断，列车会因为电源切断而失去牵引动力。

5.3受电弓升降操作时的弓网电火花或电弧现象电气列车静止不动时，受电弓的升弓或降弓应为无负载或小负载操作，此时的电气列车主断路器应处于分状态。

滑板与接触线接触或脱离瞬间，由于要切断或接通电气列车的电压互感器等负载，接触区域在接触或脱离瞬间有电火花现象发生，电火花的能量较小，一般不会对弓网系统带来严重后果。

当电气列车断路器处于合状态时，受电弓的升弓或降弓(尤其是降弓)操作接通或开断的电流较大，滑板与接触线之间的高电压及大电流导致弓网系统产生强烈的静止电弧现象，可能造成接触线或承力索的熔化断线及引起金属类滑板的局部熔化。

6对弓网关系的一些心得（1）接触电阻是弓网电接触的基本参数，接触电阻与弓网材料、压力、形式以及接触面等状况有关。

弓网系统静态接触压力取值应根据弓网系统的实际运行状况确定，主要决定因素为电气列车静态取流量、弓网系统燃弧率及接触线与受电弓滑板的材料。