弓网系统接触电阻特性

上位机控制软件处理，根据下式可获得接触电阻电弧
电阻。
Rc
=
Uc I
(3)
式中：Uc 为接触电压；I 为电流。
图 3 测试系统示意图 Fig.3 Sketch map of test system
(a) 系统结构示意图；(b) 导线运动部分照片； (c) 升降弓装置
图 2 弓网电接触试验装置 Fig.2 Test apparatus of electrical contact between
wangwangang@foxmail.com
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中南大学学报(自然科学版)
第 43 卷
弓网电接触状态的恶化还可引起电压、电流波形畸变， 半径。
降低列车受流质量，威胁行车安全。传统的方法主要 从机械角度考虑如何减少离线率从而保障弓网的稳定 受流，并且取得一定的成果，Pizzigoni 等[5−9]从载流摩 擦的角度研究了弓网受流问题；Tellini 等[1, 3−4, 9]研究 了接触网因覆冰、振动等因素造成的弓网离线下的弓 网电弧电磁干扰特性的研究。在弓网电接触系统中， 选择合适的接触压力是保障弓网系统的稳定受流的关
收稿日期：2011−09−16；修回日期：2011−11−28 基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2011CB111005)；教育部新世纪优秀人才基金资助项目(NCET-07-0718)；教育部博士点新
教师基金资助项目(200806131015) 通 信 作 者 ： 王 万 岗 (1975−) ， 男 ， 四 川 江 安 人 ， 博 士 研 究 生 ， 从 事 弓 网 电 弧 与 电 接 触 理 论 方 面 研 究 ； 电 话 ： 13688043728 ； E-mail ：
在实际的弓网接触运动中，受电弓滑板既有横向
‘Z’字形运动，又有垂向沉浮运动，本系统采用伺服电 机和滚轴丝杠对其进行驱动，以实现上述运动关系，
如图 2(c)所示。弓网系统的垂向振动速度由计算机预 设，以模拟不同的振动幅值和频率。弓网系统的接触
压力实现方法是：将受电弓滑板升到与接触网导线接
图 1 弓网接触斑点
(1. 西南交通大学 电气工程学院，四川 成都，610031； 2. 成都纺织高等专科学校，四川 成都，611731)
摘要：针对不同接触压力、牵引电流条件下弓网系统的静态和动态接触电阻进行试验研究。研究结果表明：弓网
静态接触时接触电阻随接触压力、牵引电流增大而减小；动态时，接触压力和牵引电流一定的情况下，接触电阻
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中南大学学报(自然科学版)
第 43 卷
接触压力增加迅速减少；而当接触压力超过 70 N 时， 触压力较小时，弓网消耗的随接触压力的变化较大，
弓网系统接触电 Rc，由接触网导线体电阻 Rm1， 受电弓滑板体电阻 Rm2 和接触斑点收缩总电阻 Rs 组 成。
1
N
=∑
1
Rs i=1 Rsi
Rc = Rm1 + Rm2 + Rs
(2)
金属体电阻主要受材料电阻率的影响，与接触压
键因素之一，过大的接触压力会使得弓网系统的磨耗 力、受流电流对其影响不大；收缩电阻与导电斑点形
也随之加剧，使得受电弓与接触网接触状态严重恶化， 具体表现为：一方面，受电弓滑板、接触网导线磨耗 增大，寿命显著缩短；另一方面弓网离线(受电弓与接 触网导线之间由接触状态到分离状态)更加频繁，导致 弓网电弧频频发生，弓网电弧不仅使车载电器承受高 频振荡过电压，还会烧蚀接触网导线[1, 3]，轻者使接触 导线寿命缩短，重者烧断接触导线，造成重大事故[4]。
电弓滑板。由此可见：在弓网滑动接触过程中，弓网 系统的磨耗由弓网之间的摩擦力和电气性能决
2 弓网电接触试验系统
定[9]，因此，评估接触线的磨耗必须考虑弓网接触电
阻[10]。接触电阻是衡量受流质量的重要指标之一，
根据弓网系统电接触特性，研制了一套弓网电接
Ocoleanu 等[10]通过试验研究了弓网系统接触电阻与 接触压力的关系，指出随着接触压力的增加，弓网系
WANG Wan-gang1, 2, WU Guang-ning1, GAO Guo-qiang1, WANG Bo1, CUI Yi1, LI Tian-zhi1, YANG Ming-ming1
(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Chengdu Textile College, Chengdu 611731, China)
触试验系统。该系统由电接触试验装置、测试系统 构成。
统的接触电阻减少。在此，本文作者利用自行研制的 弓网电接触试验系统，对弓网系统静态接触电阻、滑 动接触电阻与接触压力、牵引电流、动车速度的关系 进行分析研究。
2.1 弓网电接触试验装置 弓网电接触试验装置如图 2 所示。图 2(a)所示为
系统整体结构图，其中 v 表示接触网导线的运动方向， 弓网电接触试验装置的运动过程为变频电机驱动圆盘
2.3 试验条件 本试验采用的接触导线为铜镁合金接触网导线，
受电弓滑板为浸金属碳滑板，其参数见表 1~3。
表 1 接触网导线基本参数
Table 1 Basic parameters of contact wire
型号
电阻率(20 ℃时)/
直径 E/mm
(Ω·km−1)
拉断力/kN
RIM120
13ห้องสมุดไป่ตู้2
第 43 卷第 10 期 2012 年 10 月
中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University (Science and Technology)
弓网系统接触电阻特性
Vol.43 No.10 Oct. 2012
王万岗 1, 2，吴广宁 1，高国强 1，王波 1，崔易 1，李天鸷 1，杨明明 1
pantograph and catenary
电气回路为电流从电源流出，经接触网导线、弓 网接触电阻、受电弓滑板、阻性感性一体化负载，最 后回到电源。通过分级调整感性阻性一体化负载的电 感和电阻来模拟不同车型的负载特性。 2.2 测试系统
弓网接触电阻测试系统如图 3 所示，主要包含电 弧电压、电流测试，各路信号由同步时钟进行同步采 集。其中电弧电压由宽频带阻容桥式差分电路采集， 宽频带阻容桥式差分电路中，R1/R2=C2/C1 且 R1=R3， R2=R4，C1=C3，C2=C4。该测试方法可有效的提高分 压器的带宽，且具有较好的抗共模干扰能力。具体测 试原理为：宽频带阻容耦合传感器采集到接触电压信 号，送入隔离放大器，隔离放大器将输出信号送入数 据采集卡中，下位机将采集的数据送入上位机，从而 实现接触电压信号的采集。电流信号通过 2.5 mΩ 精密
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，动车组(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[1−2]，保证受电弓与接触网导线 的良好接触是弓网关系中亟须解决的关键问题。随着 列车运行速度的提高，接触网导线的不平顺、接触网 振动、受电弓弓头振动、轨道的不平顺等因素的影响
随着列车速度的增加呈现出先增大再减少又增大的趋势，接触电阻随速度变化出现 2 个极值，说明接触压力与列
车运行速度和牵引电流存在着最佳匹配关系。
关键词：弓网系统；电接触；接触电阻；接触压力
中图分类号：U225.3
文献标志码：A
文章编号：1672−7207(2012)10−3857−08
Characterization of contact resistance between pantograph and catenary system
转动，圆盘带动接触网导线运动。其导线的运动部分
1 弓网接触电阻产生
照片如图 2(b)所示，导线分为模拟接触网导线和接触 网导线，模拟接触网导线由接触网导线切割分开，使
接触网导线变薄，变薄后的接触网导线在圆盘上的塑
弓网的受流是通过受电弓滑板和接触网导线滑动 接触受流，而实际的受电弓滑板和接触网导线的表面 并不是光滑的，而是通过接触斑点进行受流，如图 1 所示。电流通过接触斑点时，由于导流通道的改变使
用 Rs 表示。 Holm[11]认为单个接触斑点的收缩电阻可以表示
为：
Rsi=(ρ1+ρ2)/(4a)
(1)
式中：ρ1 和 ρ2 为接触金属的电阻率；a 为接触斑点
要的意义。接触网导线安装在圆盘边缘，主要用于载 流摩擦试验、接触电阻试验。承力钢绳的作用是在进 行电弧试验时，承担纵向的拉力，驱动 2 个圆盘带动 模拟接触网导线运动，减少模拟接触导线在纵向拉力， 提高模拟接触网导线寿命。
体积密度/ (g·cm−3)
开口气 孔率/%
抗压强度/ 抗折强度/ 电阻率/
MPa
MPa (μΩ·m−1)
2.85
0.4
359
110
7
3 试验结果
3.1 静态接触电阻试验 图 4 所示为静态接触电阻与接触压力和牵引电流
的关系曲线。从图 4 可以看出：接触压力与接触电阻 呈单调递减关系，接触压力小于 70 N 时，接触电阻随
Abstract: The static and dynamic contact resistance was studied with different contact pressures and traction currents. The results show that the static contact resistance of pantograph and centenary is decreased when contact pressure and traction current increases, and the dynamic contact resistance increases then decreases and at last increases with the increase of the locomotive speed at the same contact pressure and traction current. This causes two extremum points to contact resistance, which shows that there exist best matching among contact force, the locomotive speed and traction current. Key words: pantograph and catenary system; electric contact; contact resistance; contact force
≤0.239
＞57
表 2 滑板的组分含量(质量分数)
Table 2 Element content of pantograph slider %
C
Pb
Sn
Si
Ni
Cu
59 6.97 2.87 0.697 0.533 29.93
表 3 滑板物理参数
Table 3 Physical parameters of pantograph slider
增大，较小的接触压力又会造成接触电阻过大，使得 貌密切相关，受接触斑点数、斑点半径等因数影响，
受电弓滑板和导线温度升高，产生热塑性形变，缩短 由于接触斑点数及导电斑点半径很难确定，因此，接
弓网系统寿命。随着速度的增加，弓网粘着度下降， 触电阻的研究大多采用试验方法进行研究。
产生弓网离线，发生弓网电弧，烧蚀接触网导线和受
性形变减少，可有效提高接触网导线的机械寿命(与接 触网导线直接安装在圆盘上相比)。模拟接触网导线安 装在 2 个圆盘的 U 型导线安装槽上，使 2 个圆盘之间 的模拟接触网导线处于平直状态，与实际的弓网接触
得电流产生收缩，电流收缩产生的电阻称为收缩电阻， 状态一致，对研究弓网电弧形态、弧根轨迹等有着重
触，使得气缸的活塞处于气缸的中部，然后，调节气
Fig.1 Contact spot of pantograph and catenary
缸气压，从而实现弓网之间的不同接触压力。
第 10 期
王万岗，等：弓网系统接触电阻特性
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电阻进行取样，送入隔离放大器，通过数据采集卡对
其进行采集，下位机将采集的信号送入上位机。通过