弓網(wǎng)電弧電磁干擾畢業(yè)論文（含外文翻譯）

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告書</p><p>　　高速鐵路弓網(wǎng)電弧電磁干擾及抑制方法的研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著高速電氣化鐵路的發(fā)展和國家政策的支持，鐵路大提速和鐵路大建設(shè)在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。但機(jī)車速度越高，

2、弓網(wǎng)關(guān)系越不穩(wěn)定，離線情況越嚴(yán)重。在電力機(jī)車運(yùn)行過程中，由于離線產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧越來越受到工程技術(shù)人員的關(guān)注，伴隨離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾會造成電磁污染，影響列車及沿線各種電氣設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時乃至威脅行車安全。因此十分有必要對弓網(wǎng)離線電弧的電磁干擾進(jìn)行研究。</p><p>　　本文首先對受電弓離線電弧產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，然后在理論上對離線電弧電磁干擾的物理特性、數(shù)學(xué)模型、等效偶極子輻射天線模型進(jìn)行研究，分析

3、其干擾的本質(zhì)、原因及特點(diǎn)，從而對離線電弧電磁干擾有一個全面的認(rèn)知。在大量查閱國內(nèi)外有關(guān)參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，了解國內(nèi)外弓網(wǎng)電弧電磁干擾抑制方法，并且深入研究利用在受電弓高壓母線加載鐵氧體磁環(huán)抑制離線電弧產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)系統(tǒng)；電弧模型；電磁干擾 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p&g

4、t;　　Along with the development of high-speed electrified railway and the support from related national policies, great railway speeding and construction have been in rapid development domestically. However,the higher the

5、 locomotive speed is,the more unstable the pantograph-catenary relationship is,and the more serious the offline situation is. The electromagnetic interference produced by offline arc will cause electromagnetic pollution,

6、affecting the normal work of train and all sorts of electrial eq</p><p>　　Firstly,the paper have been analysed the theories of arc,then concentrate on the physical characteristics,mathematical model, and the

7、 equivalent radiating antenna of the offline arc electromagnetic interference in theory.On the basis of a large number of domestic and abroad references,then been found out arc suppression methods for between pantograph

8、and catenary from domestic and abroad.And in-depth been studied the interference frequent and amplitude of the offline arc electromagnetic interfer</p><p>　　Key words : pantograph-catenary system;arc model;e

9、lectromagnetic interference</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>

10、;　　1 .1 研究的背景和意義1</p><p>　　1 .2 研究的現(xiàn)狀分析2</p><p>　　1 .3 該論文的主要工作3</p><p>　　第2章 弓網(wǎng)電弧理論基礎(chǔ)及特性5</p><p>　　2 .1 電弧理論基礎(chǔ)5</p><p>　　2.1.1電弧的基本概念5</p>&l

11、t;p>　　2.1.2物理特性及規(guī)律8</p><p>　　2.1.3交流電弧特性9</p><p>　　2. 2 弓網(wǎng)電弧特性11</p><p>　　2.2.1牽引供電系統(tǒng)11</p><p>　　2.2.2弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機(jī)理15</p><p>　　2.2.3弓網(wǎng)電弧特征和危害16</p&g

12、t;<p>　　第3章 弓網(wǎng)電弧電磁模型研究19</p><p>　　3 .1高速列車的電磁環(huán)境及電磁干擾19</p><p>　　3 .2弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生電磁干擾機(jī)理分析20</p><p>　　3 .3離線電弧的偶極子天線電磁輻射模型23</p><p>　　第4章 弓網(wǎng)電弧電磁干擾方法的研究29</p>

13、<p>　　4 .1弓網(wǎng)離線電弧危害的預(yù)防方法29</p><p>　　4 .2弓網(wǎng)電弧電磁傳導(dǎo)干擾抑制方法研究30</p><p>　　4 .3弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾的屏蔽技術(shù)33</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b>　　致謝38</b><

14、;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p>　　附錄（偶極子模型代碼）40</p><p>　　附錄A（外文翻譯原文）42</p><p>　　附錄B（外文翻譯譯文）49</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><

15、;p>　　1.1研究的背景和意義</p><p>　　鐵路是國家經(jīng)驗的大動脈，在我國隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路的運(yùn)能和運(yùn)量之間的矛盾日益加深。</p><p>　　電氣化鐵路是實(shí)現(xiàn)高速、重載，擴(kuò)大運(yùn)輸能力，增加運(yùn)量的最主要方法。目前全世界共有電氣化鐵路25.8566萬公里，占鐵路總長度的22.5%，完成約50%的鐵路總運(yùn)輸量?？梢婋姎饣F路是解決運(yùn)能與運(yùn)量之間矛盾的重要途徑。自1997

16、年至今，我國鐵路實(shí)行了六次大提速，建設(shè)客運(yùn)專線及城際鐵路達(dá)到1.6萬公里以上，既有線提速干線客運(yùn)列車時速達(dá)到200公里及以上，京哈、京廣、膠濟(jì)等提速干線部分區(qū)段最高時速可達(dá)時250公里，京滬高速鐵路最高時速則達(dá)到了300公里。我國電氣化鐵路的發(fā)展方向是高速和重載，經(jīng)過六次大提速，我國鐵路行業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了由普速時代向高速時代的大邁進(jìn)。</p><p>　　在電氣化鐵道中，接觸網(wǎng)是指架設(shè)在軌道上方沿線向機(jī)車(高速動車)

17、提供電能的電力傳輸網(wǎng)。受電弓是機(jī)車(高速動車)從接觸網(wǎng)上獲取電能的裝置。弓網(wǎng)電弧是指由于接觸導(dǎo)線的不平順、接觸網(wǎng)的振動、受電弓弓頭的振動、軌道的不平順等多種因素的影響，受電弓與接觸導(dǎo)線在相對高速接觸運(yùn)動中分離而產(chǎn)生的氣體放電現(xiàn)象。弓網(wǎng)電弧的危害除了使車載電器承受高頻振蕩過電壓外，還會燒蝕接觸導(dǎo)線，輕則縮短接觸導(dǎo)線的使用壽命，重則燒斷接觸導(dǎo)線，釀成重大事故。同時，在電弧的作用下，受電弓滑板會加劇磨損，縮短其使用壽命，大大增加了維護(hù)工作量。

18、牽引供電線路與受電弓在相對接觸滑動中的分離是產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的重要外部條件，為解決弓網(wǎng)電弧問題，高速鐵路工程技術(shù)發(fā)展較早且水平較高的國家如德國、日本等主要采用機(jī)械技術(shù)，根據(jù)接觸網(wǎng)和受電弓的運(yùn)動規(guī)律，采取措施使接觸網(wǎng)和受電弓的機(jī)械匹配關(guān)系最佳，達(dá)到減少受電弓離線率的目的。日本規(guī)定高速鐵路受電弓離線率控制在5%以內(nèi)，最高不超過20%;德國規(guī)定高速鐵路受電弓離線率控制在5%以內(nèi)。但根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路的離線率應(yīng)當(dāng)在0.14%范圍以內(nèi);這些發(fā)達(dá)國

19、家擁有雄厚的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和精良的機(jī)械制造技術(shù)，經(jīng)過高速鐵路長期</p><p>　　現(xiàn)代列車中大量采用電力電子設(shè)備、無線通信設(shè)備及其他數(shù)字化設(shè)備。這些電磁敏感設(shè)備都工作在列車運(yùn)行時的電磁環(huán)境中，極易受到列車電磁噪聲的影響而導(dǎo)致其不能正常工作，乃至威脅行車安全。由于弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度大、頻帶寬，成為列車電磁噪聲的主要來源。而且近年來，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，人們也開始重視電磁環(huán)境對自身健康的影響。<

20、;/p><p>　　因此，對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)，特別是弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾的研究成為近幾年來研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對鐵路以及鐵路通信系統(tǒng)安全，促進(jìn)我國高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展具有重要的意義。</p><p>　　1.2 研究的現(xiàn)狀分析</p><p>　　高速鐵路弓網(wǎng)電弧是一個復(fù)雜的研究對象，與電磁場、熱場、氣流場、等離子體等運(yùn)動變化相關(guān)。到目前為止，還很少見到對弓網(wǎng)電弧問

21、題專門研究報道，與之相關(guān)的電弧問題的研究主要集中在開關(guān)電弧模型的建立和分析、能量分布、對觸頭材料的侵蝕和載流摩擦磨損等方面。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生原因所做的研究，受電弓離線電弧的產(chǎn)生主要可以總結(jié)為以下三個方面的原因：</p><p>　　(1)接觸硬點(diǎn)引起的弓網(wǎng)離線，這也是造成受電弓離線的重要原因。接觸硬點(diǎn)是指電力機(jī)車受電弓與接觸導(dǎo)線之間的接觸壓力突然發(fā)生變化的地點(diǎn)，接觸硬點(diǎn)存在于接觸線上的很多地方:

22、接觸線的大硬彎、接頭線夾、定位線夾等大質(zhì)量的零部件，以及接觸線表面附著的煤煙、冰雪顆粒等都會造成接觸線硬點(diǎn)拉弧。另外，接觸線表面由于長期磨損所產(chǎn)生的波狀磨耗也會引起連續(xù)的小拉弧。</p><p>　　(2)吊弦間的接觸線懸掛不平順引起受電弓周期性離線。在接觸線懸掛不平順處和接觸線高低不平的地方容易發(fā)生弓網(wǎng)離線，產(chǎn)生離線電弧。接觸網(wǎng)波動引起弓網(wǎng)振動不匹配產(chǎn)生離線電弧。這一現(xiàn)象隨著列車速度的提高越來越明顯的顯現(xiàn)出來，

23、當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到時速100kin以上時，受電弓自身就會產(chǎn)生一個垂直方向的加速度，從而引起接觸網(wǎng)波動，使受電弓和接觸線的震動頻率不匹配，從而受電弓滑板難以追隨接觸導(dǎo)線的振動軌跡，導(dǎo)致受電弓與接觸線脫離產(chǎn)生電弧。</p><p>　　(3)接觸線與受電弓滑板材質(zhì)的影響。接觸線內(nèi)部材料組織應(yīng)做到顆粒細(xì)小、分布均勻，使得接觸線的剛度均勻。如果接觸線內(nèi)部的材料顆粒龐大、分布不均，在電力機(jī)車高速運(yùn)行過程中，接觸線上的剛度分

24、布不均，導(dǎo)致受電弓滑板沿接觸線的底面滑動時容易受到小的沖擊，形成小的離線火花。綜上所述，引起高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生離線電弧的原因很多，要改善電氣化鐵道弓網(wǎng)受流質(zhì)量需要考慮各方面的因素，涉及到多個學(xué)科的系統(tǒng)工程，如電磁學(xué)、流體力學(xué)、材料學(xué)、過電壓理論、電氣絕緣技術(shù)等。只有多管齊下才能從根本上防止受電弓離線現(xiàn)象的發(fā)生，保證電力機(jī)車的高速穩(wěn)定行駛。</p><p>　　弓網(wǎng)電弧電磁干擾是一個復(fù)雜的研究對象，其干擾特性與電

25、磁場、熱場、氣流場、等離子體等運(yùn)動變化相關(guān)。弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的環(huán)境復(fù)雜，涉及到能量大小影響、產(chǎn)生和熄滅機(jī)理、時空分布規(guī)律、能量傳輸特性、電弧發(fā)生概率等多個因素;且周圍的電磁環(huán)境也很復(fù)雜，涉及到電力機(jī)車其他噪聲源、電力傳輸線噪聲、沿線通信設(shè)備電磁波、橋梁隧道的反射作用等影響。到目前為止，還很少見對弓網(wǎng)電弧電磁干擾專門的研究報道，與電弧相關(guān)的研究方向主要集中在開關(guān)電弧模型的建立和分析、能量分布、對觸頭材料的侵蝕、載流摩擦磨損、弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生原因、

26、弓網(wǎng)電弧過電壓分析、弓網(wǎng)電弧抑制方法等方面。</p><p>　　如今，引起人們關(guān)注的弓網(wǎng)離線電弧所產(chǎn)生的電磁干擾的危害己經(jīng)日益突出?？偨Y(jié)預(yù)防弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾的措施主要有:常用的抗電磁干擾的措施有接地系統(tǒng)，加裝旁路濾波器等;從受電弓方面考慮，選擇受流好的耐磨的滑板材料，采用受電弓并聯(lián)的方式，可以減少單個受電弓離線時產(chǎn)生的無線電干擾;對于弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，加裝能吸收無線電干擾能量的高頻損耗材料，能大大降低列車運(yùn)行時

27、產(chǎn)生的無線電干擾噪聲。例如，國外為了降低高速列車通過時對周圍的噪聲影響，加裝能吸收和屏蔽電磁波材料的隔音墻，可以將噪聲污染降低到允許的范圍內(nèi)。目前，國內(nèi)對這方面的研究還是空白。</p><p>　　1.3 該論文的主要工作</p><p>　　如前所述，隨著列車速度的提高，離線電弧電磁干擾問題越發(fā)的嚴(yán)重，對其干擾特性的研究和分析是十分具有工程意義的工作。該論文在分析電弧產(chǎn)生的物理過程和數(shù)學(xué)

28、模型的基礎(chǔ)上，建立Matlab仿真模型，初步研究電弧產(chǎn)生瞬間電壓電流情況。并根據(jù)離線電弧電磁干擾的特性建立基本的電磁輻射天線等效模型。</p><p>　　該論文的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　1.在廣泛閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹國內(nèi)外對弓網(wǎng)離線電弧的研究現(xiàn)狀，闡明此論文研究的實(shí)際意義。</p><p>　　2.對電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的組成部分及其工作原理做

29、了簡要介紹，分析了弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生原理及其特性。</p><p>　　3.闡述了弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理分析過程，建立離線電弧的偶極子天線電磁輻射模型，利用MATLAB對偶極子天線模型電磁輻射干擾進(jìn)行仿真。</p><p>　　4.結(jié)合國內(nèi)外高速鐵路弓網(wǎng)電弧抑制方法的研究，著重分析一種采用鐵氧體屏蔽磁環(huán)抑制傳導(dǎo)干擾的方法，并且介紹了電磁屏蔽的基本原理和電磁屏蔽玻璃，了解高速動車窗體的電

30、磁屏蔽設(shè)計。</p><p>　　第2章 弓網(wǎng)電弧理論基礎(chǔ)及特性</p><p>　　2.1 電弧理論基礎(chǔ)</p><p>　　2. 1.1電弧的基本概念</p><p><b>　　1.電弧的定義</b></p><p>　　電弧是氣體放電的一種形式。氣體放電在性質(zhì)上和外表上是各種各樣的，因此

31、，要從氣體放電的形式來說明電弧的定義。</p><p>　　在正常狀態(tài)下，氣體具有良好的電氣絕緣性能。但當(dāng)在氣體間隙的兩端加上足夠大的電場時，就可以引起電流通過氣體，這種現(xiàn)象就稱為放電。放電現(xiàn)象與氣體的種類和壓力、電極的材料和幾何形狀、兩極間的距離以及加在間隙兩端的電壓等因素有關(guān)。</p><p><b>　　2.電弧的組成部分</b></p><

32、p>　　電弧可分為三個區(qū)域：陰極電位降區(qū)域、弧柱(電弧正柱)和陽極電位降區(qū)域。電弧的兩個電極，陰極和陽極也可認(rèn)為是電弧的組成部分。</p><p>　　電弧陰極區(qū)域的變化過程對電弧的發(fā)生和物理過程有重要的意義，同時這也是電弧與其它放電形式的主要區(qū)別。電弧的發(fā)生與陰極強(qiáng)烈的電子發(fā)射有關(guān)。曾長期認(rèn)為電弧僅僅是由熱陰極放電而形成的，但實(shí)際上存在著冷陰極。對于冷陰極而言，陰極的高溫是電弧產(chǎn)生的后果而不是實(shí)現(xiàn)電弧的條

33、件。</p><p>　　電弧的陽極基本上只是接受從弧柱中來的電子，除極少的例子外，陽極沒有發(fā)射正離子的能力，故陽極本質(zhì)上未能參加電弧放電的基本過程。只有高強(qiáng)度碳弧是由陽極過程所決定的。</p><p>　　在電弧的正柱(即弧柱)中是高溫的、已游離了的氣體，充滿著帶電的粒子，在弧柱中始終進(jìn)行著游離和去游離過程。</p><p>　　弧柱的一些特性如電位梯度、電導(dǎo)、電

34、流密度及其分布等是屬于電的特性，而另外一些特性如溫度、散出的熱能、熱流及其分布等是屬于熱的特性。因此，電弧所有的基本特性決定于這兩個互相密切聯(lián)系的過程，即電的過程和熱的過程。電弧中熱的過程及電弧與其周圍介質(zhì)之間的換熱過程，對電弧的特性起很大的作用，故只有考慮到電弧中熱的過程才有可能建立現(xiàn)代的電弧理論。</p><p>　　電弧是氣體放電，也就是電流通過氣體的情況。它與通過液體或固體時的性質(zhì)不同，當(dāng)電流通過氣體的同

35、時會發(fā)生一些特殊的現(xiàn)象和效應(yīng)。在氣體中歐姆定律僅適用于少數(shù)特殊的場合。氣體的導(dǎo)電系數(shù)不是常數(shù)，并且與外界對氣體的影響和電流強(qiáng)度有關(guān)，電流與電壓之間的關(guān)系不是簡單地成正比。因此電弧間隙可以看作是一個非線性的導(dǎo)體。電弧放電還與氣體中原于和分子的各種過程有關(guān)，現(xiàn)象復(fù)雜而多樣性。在很多情況中，只能給出現(xiàn)象的定性分析，還不易給出一般的定量分析，再加上多是從近似的關(guān)系出發(fā)所得到的結(jié)論，應(yīng)用范圍受到一定的限制。</p><p>

36、;<b>　　3.電弧發(fā)生的條件</b></p><p>　　從實(shí)際應(yīng)用電弧和防止電弧間隙擊穿的觀點(diǎn)出發(fā)，研究電弧發(fā)生的條件是有重要意義的。下面討論電弧發(fā)生的五種主要途徑： </p><p>　　(1)電路開斷時電弧的發(fā)生當(dāng)觸頭分離時，在足夠高的電壓和電流下，在觸頭間隙中發(fā)生電弧。過程是這樣的:在觸頭開始分離時，作用在它們之間的接觸壓力將減少，接觸面積也縮小，因而

37、接觸電阻和觸頭中放出的熱量就增加。熱量集中在很小的體積中，金屬被加熱到高溫而熔化，在觸頭之間形成液態(tài)金屬橋。最后金屬橋被拉開，在觸頭之間形成過渡的或穩(wěn)定的電弧。如果這放電是穩(wěn)定的，則就是所稱謂的開斷電弧。放電的穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，如在開斷前的電流、觸頭電路的特性、觸頭分離的速度等。為了使電弧點(diǎn)燃，某一最低電流值是必需的。</p><p>　　電路開斷時形成開斷電弧還有另一種理論。將正在分離中的觸頭當(dāng)作可變電容的

38、電容器，它經(jīng)過電抗面被電路電壓充電。如觸頭以等加速度分離，則可求得觸頭間電壓和電位梯度與時間的關(guān)系。觸頭間距離不斷地增加，間隙電場強(qiáng)度在某一臨界距離可達(dá)最大值。這對場電子發(fā)射是完全足夠的。場電子發(fā)射與隨后所發(fā)生的熱電子發(fā)射共同作用而形成電弧。</p><p>　　(2) 觸頭閉合時電弧的發(fā)生連接到電壓源的兩個觸頭閉合之前會發(fā)生電擊穿。這時可以發(fā)生通常的電弧放電。觸頭上電壓并不是立即穩(wěn)定的。電弧建立的時間大約為

39、s，與發(fā)生擊穿時的觸頭間距離無關(guān)。</p><p>　　知道觸頭閉合速度及從電弧發(fā)生到觸頭直接接觸的時間后，可以計算放電發(fā)生時觸頭間的距離和間隙的電場強(qiáng)度。金屬表面的不均勻?qū)е码娢惶荻鹊脑黾??？梢哉J(rèn)為這是場電子發(fā)射起重要的作用。應(yīng)該著重指出，這時完全不可能有熱電子發(fā)射的擊穿，因為在觸頭接觸之前，觸頭表面顯然是冷的，氣體介質(zhì)也是冷的。</p><p>　　(3) 真空和氣體間隙的擊穿電弧

40、可以在兩電極間高真空的間隙中點(diǎn)燃。這種電弧有時稱為真空電弧。但電弧實(shí)際上并不是在絕對真空中而是在一個或兩個電極的金屬蒸氣中燃熾。</p><p>　　關(guān)子氣體間隙的擊穿，巴申早在1899年就給出定律，即氣體擊穿電壓是氣體壓力與間隙距離乘積的函數(shù)。在此定律的基礎(chǔ)上，認(rèn)為氣體中游離過程僅與粒子的平均能量有關(guān)，而這能量又決定于電場梯度對氣壓的比值。但在高氣壓和短間隙區(qū)域中，巴申定律有偏差。擊穿電壓小于所預(yù)料的數(shù)值，顯然

41、這是由于某種未考慮到的電子的作用。一般認(rèn)為其原因是由于陰極金屬表面的不均勻產(chǎn)生場電子發(fā)射。這些電子通過氣體游離產(chǎn)生空間電荷，從而加強(qiáng)陰極的電場強(qiáng)度，后者又引起場電子電流的增加，使在較低的電壓下?lián)舸╅g隙。</p><p>　　(4) 從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變從輝光放電過渡到熱電子電弧的過程是完全清楚的。隨著電流的增加，發(fā)生輝光放電轉(zhuǎn)變到陰極電位降逐漸增高的非正常狀態(tài)，在陰極上放出的能量也就增加。如果這時陰極溫度

42、達(dá)到熱電子發(fā)射開始起顯著作用的數(shù)值，則放電的擊穿電壓就開始下降。電流繼續(xù)增加，陰極溫度隨之升高，熱電子電流的作用也逐漸增大。由此，電壓下降到電弧放電所具有特征的數(shù)值。</p><p>　　從輝光放電轉(zhuǎn)變到冷陰極電弧的過程就遠(yuǎn)非如此清楚。在陰極電位降顯著增高的非正常輝光放電中，陰極表面的個別部分在強(qiáng)電場影響下能夠發(fā)射電子，其數(shù)量足以使陰極電位降區(qū)域中氣體顯著地游離。由此產(chǎn)生高的電荷濃度的區(qū)域。電子比正離子更快地離開

43、這個區(qū)域，因此形成空間電荷的增加，促使場電子發(fā)射繼續(xù)增加，最后形成電弧放電。</p><p>　　可以用三角形的形式來表達(dá)過渡現(xiàn)象的區(qū)域，輝光放電、熱電子電弧及冷陰極電弧各為三角形的一個頂角。在低氣壓時，輝光放電過渡到熱電子電弧，在高氣壓(20大氣壓及以上)時，過渡到冷陰極電弧。</p><p>　　(5) 從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變當(dāng)兩電極之間的間隙被擊穿形成火花放電時，就在間隙形成導(dǎo)

44、電通道，開始輸入能量，電流迅速上升。電流上升速度一般決定于外部電路的參數(shù)，但是在兩電極間的電容經(jīng)常有某些儲藏的能量被迅速輸入到通道中。通道強(qiáng)烈地被加熱和擴(kuò)展，并且擴(kuò)展的速度在初始階段可以近似地看作為沖擊波的傳播?；鸹ǚ烹娍梢砸鹁哂写蟮膲毫S變的沖擊波。在某一時刻通道的半徑與此時輸入通道的能量有關(guān)。由于初始階段擴(kuò)展的結(jié)果，通道具有高的溫度和小的氣體密度，其壓力與周圍氣體接近平衡。</p><p><b>

45、;　　4.電弧的分類</b></p><p>　　電弧放電是各種各樣的，因此難以將其列入一個總的分類，通?？砂凑詹煌奶卣鱽矸诸悺?lt;/p><p>　　按照電弧陰極的過程，電弧可分成冷陰極和熱陰極的電弧。在冷陰極下，電弧由場電子發(fā)射(即高電場發(fā)射)所造成，因此，有時稱為場電子電弧。熱陰極的電弧是靠熱電子發(fā)射形成的，所以也稱為熱電子電弧。</p><p>

46、　　按照電弧放電在其中進(jìn)行的介質(zhì)種類，可分為氣體中電弧和蒸氣中電弧。當(dāng)電極材料是難熔的，并不參與形成氣體介質(zhì)時，這情況為氣體中電弧。如在電弧燃熾過程中，電極本身氣化而成為放電間隙的介質(zhì)，則為蒸氣中電弧。</p><p>　　按照電弧所在處的氣體或蒸氣的壓力大小，電弧可分為高氣壓電弧和低氣壓電弧。所謂高氣壓電弧，通常是指電弧所在處的壓力為大氣壓的數(shù)量級，而低氣壓電弧則壓力小于大氣壓，并以汞柱毫米高度表達(dá)。</

47、p><p>　　按照外形的標(biāo)志電弧可分成長弧和短弧。如果陰極與陽極彼此相隔很遠(yuǎn)，則兩電極的熱過程并不相互影響，而且弧柱中發(fā)生的過程有主要的作用，這類電弧稱為長弧。當(dāng)兩電極間距離極短(如幾毫米)時，就強(qiáng)烈地出現(xiàn)兩電極的相互熱作用，并且近極區(qū)域的過程起主要的作用，這類電弧屬于短弧。實(shí)際上，長弧和短弧還可用電壓來區(qū)分，較低的電壓(100-300V)就可維持短弧，而長弧就需較高的電壓。</p><p>

48、;　　按照電弧的作用，最重要的有焊接電弧、電爐電弧、高強(qiáng)度硫弧、汞弧以及在開斷電器中所發(fā)生的開斷電弧。</p><p>　　按照電弧電流的性質(zhì)，可分為直流電弧和交流電弧。此外，尚可按照陽極現(xiàn)象、陰極結(jié)構(gòu)等分類。</p><p>　　2. 1.2物理特性及規(guī)律</p><p><b>　　1.電弧的伏安特性</b></p><

49、p>　　電弧的伏安特性說明電弧電壓與電流的關(guān)系，是電弧最重要特性之一。電弧電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)系，首先決定于電弧間隙的物理過程?；≈奈锢頎顟B(tài)不是靜止的，在其中始終進(jìn)行著游離和去游離過程。如果游離和去游離過程相平衡，則弧柱處于動平衡狀態(tài)而不是時間的函數(shù)。弧柱處于動平衡的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)電弧(直流穩(wěn)定電弧)的伏安持性稱為靜特性。當(dāng)電弧工作狀態(tài)改變時，弧柱動平衡被破壞，發(fā)生過渡狀態(tài)。但如果電弧中電的過程改變得慢，熱的過程

50、來得及跟上，則電壓與電流之間的關(guān)系仍和靜態(tài)一樣。如果電的過程改變得很快，以致熱的過程跟不上而出現(xiàn)熱滯遲現(xiàn)象，這時的伏安特性稱為動特性。對處于不穩(wěn)定狀態(tài)的直流電弧和交流電弧，其伏安待性為動特性。</p><p>　　在一系列穩(wěn)定狀態(tài)下，決定相應(yīng)的電弧電流和電壓的數(shù)值，就可得到電弧的靜特性。電弧的靜特性曲線一般是下降的，其原因是當(dāng)電流增加時，電弧通道的截面增加，溫度也升高，因此電弧電阻很快下降。</p>

51、<p><b>　　2.電弧的溫度</b></p><p>　　電弧的溫度具有普遍的意義，在電弧中可能在幾個微秒的時間內(nèi)達(dá)到大約4000—50000K的高溫。電弧的燃熾和熄滅與溫度有很大的關(guān)系。</p><p>　　這里說明一下電弧的溫度是如何升高的。電場是電弧放電的電能基本來源。在電場作用下，電子和離子得到加速和動能，因而溫度上升。得到加速的電子與中性分

52、子撞擊，由此使分子的振蕩運(yùn)動加強(qiáng)，互撞頻繁而使氣體的溫度升高。加速的電子也與原子撞擊而使原子激發(fā)，由于受微原子撞擊次數(shù)的增加，它們的溫度也上升。離子雖然也在電場中得到加速，但在溫度的建立方面作用并不大。在氣體放電形成階段，電子、受激原子和分子的溫度是各不相同的，電子的溫度最高。但到電弧放電時，弧柱所有成分的溫度己幾乎是相等的。</p><p><b>　　3.電弧的直徑</b></p&

53、gt;<p>　　電弧的直徑是電弧重要特性之一，它決定電弧中的電流密度。弧柱橫截面中電流密度的分布與溫度的徑向分布大致相同。電弧中的電流密度隨著溫度的降低迅速地下降，所以，電流密度的曲線就尖陡得多。電弧亮度的曲線也有大致相同的特性?？梢愿鶕?jù)電弧的亮度來估計這一直徑。</p><p>　　在大多數(shù)情況下，電弧的形象有中間明亮的部分，即弧柱本身，以及周圍較寬廣而亮度較低的外殼，即光圈。電弧中間明亮部分的

54、直徑大致相當(dāng)于弧柱，就是電弧的最大導(dǎo)電部分，幾乎100%的電流在它中間通過。光圈是圍繞著弧柱、受熱并己發(fā)光的氣體，但它的溫度還不足以顯著地產(chǎn)生電導(dǎo)。顯然，電弧的直徑應(yīng)該理解為電弧中間明亮部分的直徑。</p><p>　　電弧的直徑沿著電弧長度并不是相等的，在離電極某一距離處有最大的直徑。</p><p>　　2. 1.3交流電弧特性</p><p>　　電弧是氣體放

55、電的一種形式，是一個電場、磁場、熱場及流場變化的綜合作用過程，情況極其復(fù)雜。另外，在不同的條件下電弧在運(yùn)動過程中其形態(tài)變化較大，電弧特性也不相同。高壓電路中產(chǎn)生的電弧，是觸頭電流通過空氣傳導(dǎo)而產(chǎn)生的，所以又被認(rèn)為是一種氣體放電現(xiàn)象。電弧其實(shí)是一種等離子體。其主要的外部特征有：</p><p>　　（1）是一種自持放電現(xiàn)象，它不用很高的電壓就可以持續(xù)相當(dāng)長時間的穩(wěn)定燃燒而不熄滅。</p><p&

56、gt;　?。?）是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象，在開斷數(shù)十千安的短路電流時，電弧的溫度可達(dá)上萬攝氏度甚至更高，并且具有強(qiáng)輻射。</p><p>　?。?）是等離子體，質(zhì)量極輕，極容易改變形狀。</p><p>　　(a)碳電極(b)銅電極</p><p>　　圖2—1 典型的交流電弧的電壓、電流示意圖</p><p>　　交流電弧的電流變

57、化速度很快，不可能建立穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此，其伏安特性為動態(tài)特性。圖2—1是典型的交流電弧電壓和電流對時間變化的曲線。圖2—1(a)為在空氣中燃熾的碳電極電弧，圖2—1(b)則為銅電極電弧。交流電弧的電壓有非常特殊的形式。在半周期起始時，它迅速上升到最大值Uz，即電弧的點(diǎn)燃電壓，然后電壓迅速下降到Ua值。在半周期結(jié)束時，電壓又上升到某熄弧電壓Us，然后很快下降到零。交流電弧的電流有偏離正弦波形的畸變形狀。在電流過零點(diǎn)以前，它比正弦波下降得

58、快，而在直接過零點(diǎn)附近變化緩慢。因此電流波形中出現(xiàn)電流“零休”的時間間隔，即在這時間內(nèi)電流非常接近于零，如在圖2—1(a)上可明顯看出。</p><p>　　(a)碳電極 (b)銅電極</p><p>　　圖2—2對應(yīng)與上圖的交流電弧的伏安特性</p><p>　　由圖2—1(a)和(b)可直接做出相應(yīng)的電弧伏

59、安特性，如圖2—2(a)和(b)所示。這些伏安特性出兩條曲線組成，一條曲線是電流增加時的特性，另一條屬于電流減少時的特性。后一條曲線低于前一條，這是由于電極和弧柱氣體的熱慣性所致。</p><p>　　利用電弧電阻的概念可以說明交流電弧的伏安特性。這里，電弧電阻是交流電弧的動態(tài)電阻，它在數(shù)值上是等于電弧電壓的瞬時值與電弧電流瞬時值之比。隨著電壓和電流周期性的改變，弧隙中電荷粒子數(shù)和電導(dǎo)也改變。在電壓上升到點(diǎn)燃電壓

60、時，電弧電阻顯著地下降，電流開始增加。以后電阻繼續(xù)下將，但速度較慢。在電流過最大值后，電弧電阻開始以同樣慢的速度上升，而電流下降。當(dāng)電流接近零時，電壓達(dá)到熄弧電壓，電阻又上升，并可能達(dá)到無限大值，電弧熄滅。</p><p>　　所有交流電弧的伏安特性從電弧電阻及其燃熾的特性來看，決不可能是完全相同的。交流電弧的伏安特性與電流的數(shù)值、電弧冷卻的程度、電極的材料、氣體的成分、電弧的長度以及電流的頻率等因素有關(guān)。<

61、;/p><p>　　交流電弧伏安特性的變化與電流的大小和電弧的冷卻程度有關(guān)。在小電流和強(qiáng)烈冷卻時，電流的零休時間增大，點(diǎn)燃電壓和熄弧電壓較大，同時由于熱狀態(tài)迅速變化熱慣性的影響較小，所以兩條曲線的差別就較小。</p><p>　　電極材料和弧柱氣體的導(dǎo)熱系數(shù)對熱慣性有影響。由于金屬電極的導(dǎo)熱系數(shù)較大，溫度可以更快地變化，所以伏安特性的兩條曲線的差別就較小，如固2—2(b)所示。對于碳電極，從圖

62、2—2(a)可見，兩條曲線的差別就較大。在電弧很長時，電極的影響便消失了。金屬電極尚能促進(jìn)電弧點(diǎn)燃電壓升高和熄弧電壓降低，這在圖2—2(b)可以見到。</p><p>　　圖2—3隨電弧長度的增加、伏安特性的變化</p><p>　　電弧長度對伏安特性有很大的影響。電弧長度愈大，點(diǎn)燃電壓就愈大，熱慣性滯遲就愈顯著。圖2—3是大功率碳極電弧的伏安特性隨其長度增加而變化的情況。當(dāng)電弧長度很小時

63、，點(diǎn)燃電壓和熄弧電壓都很低，而在電弧長度大時，點(diǎn)燃電壓比熄弧電壓要高得多。</p><p>　　圖2—4交流電弧溫度變化曲線</p><p>　　在交流電弧中，因溫度隨電流而變化，電弧的溫度也是變化的。但氣體的熱慣性很大的，甚至在工頻電流的情況下，也將引起溫度的變化稍滯后于電流。在電流過零時，電弧的溫度并不是最低值，而仍然保持相當(dāng)高的溫度。研究表明，交流電弧的溫度隨電流變化、且以電流的二倍

64、頻率上下波動。圖2—4是交流電弧的溫度變化曲線。</p><p><b>　　2.2弓網(wǎng)電弧特性</b></p><p>　　2. 2.1牽引供電系統(tǒng)</p><p>　　電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所(包括分區(qū)亭、開閉所、AT所)、牽引網(wǎng)(饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線)、電力機(jī)車等組成。所以人們又稱電力機(jī)車、牽引變電所和接觸網(wǎng)為電氣化鐵

65、道的“三大元件”。如圖2—5所示。</p><p>　　圖2—5 電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)示意圖</p><p>　　我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制。電氣化鐵路供電的牽引供電系統(tǒng)由分布在鐵路沿線的牽引變電所及沿鐵路架設(shè)的牽引網(wǎng)組成，為了保證供電的可靠性，由電力系統(tǒng)送到牽引變電所的高壓輸電線路均為雙回路。</p><p>　?。?）牽引變電所：是將電力系統(tǒng)傳送的22

66、0kv 或者110kv的三相電源轉(zhuǎn)換成牽引網(wǎng)額定電壓27.5kV工頻單相交流電，然后向鐵路沿線架設(shè)的牽引網(wǎng)供電。</p><p>　?。?）分區(qū)亭：主要作用是操作設(shè)置在兩個牽引變電所之間連接兩供電分區(qū)的開關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)靈活供電，提高運(yùn)行的可靠性開關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)靈活供電，提高運(yùn)行的可靠性。</p><p>　?。?）開閉所：實(shí)質(zhì)上是個不進(jìn)行變壓的配電所，主要是將從牽引變電所牽引母線上引出的一路饋

67、線按需要向分組接觸網(wǎng)供電。一般設(shè)置在需要送出多路饋電線的多接觸網(wǎng)分組的樞紐站場附近。</p><p>　?。?）接觸網(wǎng)：是一種懸掛在電氣化鐵道線路上方，并和鐵路鋼軌保持一定距離的鏈形或單導(dǎo)線的輸電網(wǎng)。牽引電力機(jī)車能量獲取是通過機(jī)車受電弓和接觸網(wǎng)的滑動接觸來實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　（5）饋電線：是指連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線，把牽引變電所轉(zhuǎn)換完備的牽引用電能送給接觸網(wǎng)。</p&

68、gt;<p>　　（6）軌道：在電氣化鐵道系統(tǒng)中，軌道除了作為列車的導(dǎo)軌外，還與接觸網(wǎng)組成通道，完成導(dǎo)通回流的任務(wù)。</p><p>　?。?）回流線：連接軌道和牽引變電所的導(dǎo)線，把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所。</p><p>　?。?）牽引網(wǎng)：牽引供電回路的構(gòu)成是:牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車、鋼軌與大地、回流線。在這個閉合回路中，通常將饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌與大

69、地回流線統(tǒng)稱為牽引網(wǎng)。</p><p>　　弓網(wǎng)電弧是產(chǎn)生在接觸網(wǎng)和受電弓之間的，下面將著重介紹這兩個部分。</p><p><b>　　1.接觸網(wǎng)</b></p><p>　　接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路，通過它與電力機(jī)車的受電弓直接滑行接觸，將電能傳遞給電力機(jī)車。接觸網(wǎng)由支持結(jié)構(gòu)、懸掛導(dǎo)線和附加導(dǎo)線等部分組成

70、。支持結(jié)構(gòu)包括支柱、支持絕緣子、腕臂等;懸掛導(dǎo)線包括接觸線、承力索(對簡單懸掛只有接觸線);附加導(dǎo)線則根據(jù)直流與交流供電方式不同有回流線、供電線、輔助饋電線等。</p><p>　　接觸網(wǎng)按懸掛類型分主要有簡單懸掛、簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛和復(fù)鏈形懸掛等幾種。</p><p><b>　　(a)簡單鏈形懸掛</b></p><p><b

71、>　　(b)彈性鏈形懸掛</b></p><p><b>　　(c)復(fù)鏈形懸掛</b></p><p>　　圖2—6接觸網(wǎng)懸掛方式</p><p>　　簡單鏈形懸掛由一根承力索和一根接觸線組成，接觸線通過吊弦懸掛安裝于承力索上，形成所謂的“鏈形”結(jié)構(gòu)形式，如圖2—6（a）。顯然，簡單鏈形懸掛形式解決了簡單懸掛接觸線懸掛弛度較大

72、，懸掛點(diǎn)處硬點(diǎn)突出的問題，并且縱向上整個跨距內(nèi)接觸網(wǎng)的彈性變得均勻，因此適合于較高的行車速度。</p><p>　　彈性鏈形懸掛由一根承力索、一根接觸線和彈性吊索組成，如圖2—6（b）所示。和簡單鏈形懸掛相比，在懸掛點(diǎn)處多了一根彈性吊索，結(jié)構(gòu)上較簡單鏈形懸掛復(fù)雜。增加彈性吊索的主要作用是改善懸掛點(diǎn)處接觸網(wǎng)的彈性。</p><p>　　復(fù)鏈形懸掛由一根承力索、一根接觸線和一根輔助承力索組成“

73、復(fù)合”型鏈形懸掛，故名“復(fù)鏈形懸掛”，如圖2—6（c）所示。</p><p>　　接觸網(wǎng)硬點(diǎn)：所謂接觸網(wǎng)硬點(diǎn)是指在接觸線接頭、區(qū)分絕緣器、定位裝置以及中心錨結(jié)等處所，接觸線柔性變差或形成集中質(zhì)量的現(xiàn)象。凡是硬點(diǎn)的地方，電力機(jī)車運(yùn)行條件變壞，容易造成受電弓和接觸線機(jī)械損傷和電弧燒傷，嚴(yán)重時誘發(fā)弓網(wǎng)故障。硬點(diǎn)產(chǎn)生的離線還對機(jī)車電機(jī)和電器產(chǎn)生不良影響。硬點(diǎn)也使接觸線局部磨耗加大，降低接觸線使用壽命。隨著列車運(yùn)行速度的提

74、高，硬點(diǎn)對弓網(wǎng)關(guān)系的影響更加明顯。</p><p><b>　　2.受電弓</b></p><p>　　受電弓是指電力機(jī)車從接觸網(wǎng)受取電能的電氣設(shè)備，安裝在車頂上。受電弓可分單臂弓和雙臂弓兩種，均由集電頭、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。</p><p>　　受電弓通過升弓和降弓來實(shí)現(xiàn)接觸和脫離

75、接觸網(wǎng)。升弓即壓縮空氣經(jīng)受電弓閥均勻進(jìn)入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮缸內(nèi)的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉(zhuǎn)動，抬起上框架和集電頭，受電弓均勻上升，并同接觸網(wǎng)接觸。降弓即傳動氣缸內(nèi)壓縮空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，在降弓彈簧作用下，克服升弓彈簧的作用力，使受電弓迅速下降，脫離接觸網(wǎng)。</p><p>　　受流質(zhì)量是評價手電弓和接觸網(wǎng)接觸優(yōu)良程度的一個指標(biāo)。受流質(zhì)量指受電弓集電頭和接觸網(wǎng)間流通負(fù)荷電流的流暢程度。受流質(zhì)量

76、取決于受電弓和接觸網(wǎng)之間的相互作用。為保證能流通一定的負(fù)荷電流，受電弓和接觸網(wǎng)之間必須有一定的接觸壓力。受電弓升弓系統(tǒng)施加予集電頭，使之向上的垂直力為靜態(tài)接觸壓力。接觸網(wǎng)沿線各點(diǎn)的剛度不同，使接觸導(dǎo)線在受到受電弓接觸壓力作用時產(chǎn)生不同程度的上升，從而使受電弓在機(jī)車運(yùn)行中產(chǎn)生上下振動。因此，受電弓附加承受一個受其本身歸算質(zhì)量和接觸網(wǎng)剛度所影響的上下交變的動態(tài)接觸壓力。在運(yùn)行中氣流對受電弓產(chǎn)生一個隨速度增加而迅速增加的氣動力，使接觸壓力增加

77、。上述三種作用力的合力，如果太小則受流質(zhì)量不佳，如果太大則會增加接觸導(dǎo)線和集電頭接觸板的磨損。</p><p>　　當(dāng)弓網(wǎng)壓力達(dá)到零時，是弓網(wǎng)分離的臨界點(diǎn)。弓網(wǎng)分離后產(chǎn)生電弧，會對受流質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。</p><p><b>　　3.弓網(wǎng)系統(tǒng)</b></p><p>　　電氣化鐵路的特點(diǎn)就是機(jī)車在鋼軌上高速運(yùn)行的同時向沿鐵路線架設(shè)的接觸網(wǎng)取電

78、，所以形成來了兩個重要的相互耦合的關(guān)系:輪軌關(guān)系和弓網(wǎng)關(guān)系。其中弓網(wǎng)關(guān)系又分為力學(xué)關(guān)系和電氣關(guān)系，本文所論述的弓網(wǎng)系統(tǒng)均指弓網(wǎng)間的電氣關(guān)系。</p><p>　　我國的電氣化鐵路現(xiàn)狀比較復(fù)雜，采用了很多國外的技術(shù)和產(chǎn)品。一些線路采用了日本車、德國弓、法國網(wǎng)、中國線，這導(dǎo)致了弓網(wǎng)關(guān)系的惡化，產(chǎn)生了一系列的問題。與此同時，接觸網(wǎng)由電氣化局和各勘測設(shè)計進(jìn)行設(shè)計和施工，基本上不考慮對受電弓的影響，而受電弓由電力機(jī)車廠設(shè)計

79、和制造，不考慮對接觸網(wǎng)的影響，所以弓網(wǎng)關(guān)系成為影響鐵路發(fā)展的一個重要的制約因素，弓網(wǎng)電弧的加劇就是其中典型的代表。</p><p>　　2. 2.2弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機(jī)理</p><p>　　在電氣化鐵路中，受電弓與接觸導(dǎo)線接觸滑動是牽引供電網(wǎng)與車載電氣傳動系統(tǒng)相聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在理想的運(yùn)行狀態(tài)下，受電弓把這兩部分從電氣上連接起來，而分離開來是一種不正常的運(yùn)行狀態(tài)。而從受電弓的實(shí)際運(yùn)行過程看，受

80、電弓不僅要把這兩部分從電氣上連接起來，也要把這兩部分從電氣上分離開來[1]。</p><p>　　通常情況下氣體具有良好的電氣絕緣性能。但當(dāng)在氣體間隙兩端有足夠大的電場時，氣體被擊穿電離，產(chǎn)生電流并通過氣體，這種現(xiàn)象就稱為氣體放電。普通意義上的電弧是一種空氣被擊穿產(chǎn)生的導(dǎo)電現(xiàn)象。當(dāng)開關(guān)電器斷開的瞬間，如果電路中的電壓高于10—20V，而電流大于80—100mA，則開關(guān)電器的觸頭間就會產(chǎn)生空氣擊穿現(xiàn)象，在兩電極之間

81、產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象，稱為電弧。電氣化鐵道電力牽引的弓網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境更加復(fù)雜，接觸材料特殊，偶然事件和概率事件頻繁。因此，弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生機(jī)理及其特性與一般斷路器電弧相比具有一定的獨(dú)特性。</p><p>　　牽引供電系統(tǒng)通過接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車25kV的單相工頻交流電。由于受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的接觸面積很小，接觸面上又存在很多小的接觸點(diǎn)，電流就是通過這些細(xì)小的接觸點(diǎn)傳給電力機(jī)車牽引供電使用的。</p

82、><p>　　正常情況下，接觸網(wǎng)與受電弓良好接觸，兩者的電壓相等，保證對機(jī)車正常供電。當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)脫離接觸時，如果弓網(wǎng)離線間隙的電流和電壓大于生弧電流和生弧電壓時，空氣被擊穿，離線電弧現(xiàn)象就會發(fā)生，正常受流過程中斷。電弧電流過零點(diǎn)后，電弧熄滅。如果瞬時電壓擊穿空氣，會再次燃弧，此過程持續(xù)到受電弓與接觸網(wǎng)正常接觸為止，受流恢復(fù)正常。產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的原因主要由以下幾點(diǎn)[2]：</p><p>　

83、　(1)列車運(yùn)行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)相互震動。當(dāng)通過接觸線安裝不規(guī)則地方時，導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力波動加劇。當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸壓力為零時，兩者之間機(jī)械脫離，產(chǎn)生電弧現(xiàn)象。</p><p>　　(2)當(dāng)列車速度過快時，尤其近幾年高速鐵路的運(yùn)行速度達(dá)到350km/h，會對受電弓產(chǎn)生垂直方向的加速度，從而引起弓網(wǎng)系統(tǒng)的分離，產(chǎn)生電弧現(xiàn)象。</p><p>　　(3)接觸線的大硬彎、接線夾頭、

84、定位線夾、中心錨接線夾和分段絕緣器等大質(zhì)量零件處和接觸線表面附著的煤煙、冰雪等硬點(diǎn)會引起離線電弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。</p><p>　　(4)當(dāng)列車經(jīng)過電分相時，如果沒能斷開主斷路器，受電弓從有電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)時，由于電流沒有被中斷，受電弓會從帶電接觸網(wǎng)到中性段拖出一個電弧。當(dāng)主斷路器正常斷開時，過電分相產(chǎn)生的瞬時高電壓也可能擊穿空氣，產(chǎn)生電弧現(xiàn)象。</p><p>　　電氣化鐵道電力牽引系統(tǒng)中，

85、當(dāng)電力機(jī)車正常運(yùn)行時，機(jī)車通過其項部的受電弓從高壓接觸線獲取所需的電流，二者良好接觸使得兩者之間的電壓相等，相當(dāng)于電流導(dǎo)通的良導(dǎo)體。當(dāng)列車高速運(yùn)行時，25kV的接觸網(wǎng)與受電弓滑板之間通過的電流可達(dá)1000A以上，并且受電弓相對于接觸導(dǎo)線以與列車相同的速度高速運(yùn)行。隨著電力機(jī)車運(yùn)行速度的增大，受電弓會產(chǎn)生垂直方向的加速度，引起接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的機(jī)械振動，由于受電弓的振動頻率與接觸導(dǎo)線的波動頻率不一致，導(dǎo)致受電弓與接觸網(wǎng)離線率的增加。在這種情

86、況下，二者之間的接觸壓力和摩擦力是非常不平穩(wěn)的，分成容易發(fā)生受電弓與接觸導(dǎo)線的瞬間脫離現(xiàn)象，即“弓網(wǎng)離線”。離線率和一次離線所持續(xù)的時間是評價弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量的兩個標(biāo)志。離線率表示在一個區(qū)段內(nèi)，電力機(jī)車發(fā)生弓網(wǎng)離線的時間與正常運(yùn)行時間的比值。一般電力機(jī)車正常運(yùn)行時，要求離線率控制在10%以下。根據(jù)發(fā)生一次弓網(wǎng)離線所持續(xù)的時間，可以將弓網(wǎng)離線事件分為小離線(≤10ms)、中離線(10ms~100ms)和大離線(≥100 ms)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)

87、行經(jīng)驗，電力機(jī)車在使用單受電弓受流時，要求離線率不能超過5%，發(fā)生一次離線持續(xù)的時間不能超過5</p><p>　　一旦受電弓滑板與接觸導(dǎo)線發(fā)生機(jī)械分離，就會引起高電壓的絕緣擊穿。在接觸導(dǎo)線與受電弓滑板分離的瞬間，兩者之間的相對電壓急劇增加，使得它們之間的空氣被擊穿，引起氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)放電現(xiàn)象發(fā)生時，兩個電極(受電弓滑板與接觸導(dǎo)線)之間的中性質(zhì)子被游離，同時，距離電極附近最近的空氣中由于電場的作用感應(yīng)出正、負(fù)離

88、子，感應(yīng)出的正、負(fù)離子在移動過程中與其他空氣分子碰撞又產(chǎn)生新的離子，最終導(dǎo)致大量帶電離子產(chǎn)生，即發(fā)生了電離現(xiàn)象。在空氣發(fā)生電離時，溫度急劇上升，同時以弧光的形式向外放釋放出能量，并且伴隨著向周圍空間的高頻電磁輻射，這就是弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生的原理。</p><p>　　離線電弧雖然可以維持弓網(wǎng)離線時對機(jī)車的受流，但也會產(chǎn)生很多危害，如造成電力機(jī)車運(yùn)行不穩(wěn)定、接觸線和受電弓滑板的異常磨損、使?fàn)恳妱訖C(jī)整流條件惡化、產(chǎn)

89、生電磁干擾等。</p><p>　　2. 2.3弓網(wǎng)電弧特征和危害</p><p>　　1.弓網(wǎng)電弧有三個重要特征:</p><p>　?。?）弓網(wǎng)電弧是自然條件下的氣體放電</p><p>　　斷路器的電弧處于密閉的滅弧室內(nèi)，滅弧室內(nèi)充滿滅弧氣體(SF6等)和相應(yīng)的滅弧設(shè)備，對電弧的消除有很大的影響。受電弓和接觸網(wǎng)都處于自然大氣條件下，產(chǎn)生

90、弓網(wǎng)電弧后，不能通過SF6氣體、磁吹等方式滅弧，滅弧難度大。</p><p>　　（2）弓網(wǎng)電弧是兩電極橫向相對高速運(yùn)動、縱向方向移動距離極小的條件下的放電現(xiàn)象</p><p>　　弓網(wǎng)電弧的兩電極—受電弓和接觸網(wǎng)處于橫向高速運(yùn)動中，這是不同于其他電弧的一個重要特征;受電弓和接觸網(wǎng)的縱向處于頻繁的接觸分離狀態(tài)中，分離距離小，但是分離和合并速度快;弓網(wǎng)電弧就是在這種情況下產(chǎn)生的。</p

91、><p>　?。?）弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的巨大的能量消耗在接觸線和受電弓滑板上</p><p>　　弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生后，會有一定的能量耗散，這部分能量來自兩個部分:一是電源提供的能量;一是在回路電感中儲存的磁場能量。兩者的比例關(guān)系以及不同因素對弓網(wǎng)電弧能量的組成成分需要根據(jù)具體的電路結(jié)構(gòu)確定。</p><p>　　發(fā)生弓網(wǎng)電弧時產(chǎn)生的能量大部分耗散在接觸線和受電弓滑板上，而由于接觸

92、線和受電弓滑板中不含專門的觸頭材料，抗燒蝕能力非常弱，所以弓網(wǎng)電弧能量對兩電極的危害非常大。</p><p>　　影響弓網(wǎng)電弧能量大小的因素有牽引供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載性質(zhì)、電氣元件參數(shù)，離線時弓和網(wǎng)相對電壓和電流的大小，弓網(wǎng)離線后相對位移，大氣條件，供電回路中電感儲存的電磁能量，機(jī)車運(yùn)行速度等等因素。</p><p>　　弓網(wǎng)電弧有三方面的危害：</p><p>

93、　　弓網(wǎng)電弧是受電弓和接觸導(dǎo)線滑動接觸橫向方向相對高速運(yùn)動、縱向方向相對緩慢運(yùn)動且移動距離小條件下的自由空氣放電現(xiàn)象。與開關(guān)設(shè)備中電弧相比，其兩電極運(yùn)動速度快(高速電氣化鐵路中弓網(wǎng)相對速度達(dá)350km/h)、所處環(huán)境惡劣、影響因素多，而且沒有專門的滅弧設(shè)備和抑制方法，因而其危害與開關(guān)設(shè)備中電弧相比其特征完全不一樣。</p><p>　?。?）對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板的侵蝕和磨耗</p><p&g

94、t;　　弓網(wǎng)電弧對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板的侵蝕表現(xiàn)為加速氧化、熔融、蒸發(fā)、噴濺等，每種形式的侵蝕都會對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板有著不同程度的損壞。</p><p>　　電弧產(chǎn)生的磨耗造成接觸線和受電弓滑板的凹凸不平，加劇接觸表面電流不規(guī)則地分布，在接觸表面發(fā)生過熱點(diǎn)和小的熔接現(xiàn)象。如果機(jī)車在高速下行駛，熔接點(diǎn)瞬間脫落，使接觸線和受電弓滑板損壞情況更加嚴(yán)重。</p><p>　　侵蝕和磨耗輕則影響

95、弓網(wǎng)穩(wěn)定受流，損壞接觸導(dǎo)線和受電弓滑板，增加維修工作量;重則導(dǎo)致接觸線斷裂，造成機(jī)車運(yùn)行事故。</p><p><b>　?。?）產(chǎn)生過電壓</b></p><p>　　當(dāng)弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生時，牽引網(wǎng)和電力機(jī)車(高速動車)的電氣傳動系統(tǒng)通過電弧連接在一起，在接觸網(wǎng)和受電弓之間的電弧上有壓降，當(dāng)電弧消失后，如果電力機(jī)車(高速動車)還處于離線狀態(tài)，則導(dǎo)致電路中的電流發(fā)生突變，產(chǎn)

96、生過電壓。過電壓在接觸網(wǎng)上傳播，會給整個牽引網(wǎng)的絕緣帶來威脅;過電壓沿著受電弓進(jìn)入機(jī)車內(nèi)部，可能對機(jī)車電氣設(shè)備、電力電子器件造成損壞，對電力機(jī)車(高速動車)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。</p><p><b>　?。?）產(chǎn)生電磁干擾</b></p><p>　　近年來的研究表明，受電弓離線拉弧的瞬間，不僅伴有高熱量、高能量的釋放，產(chǎn)生幅值極高的過電壓，同時還伴隨著向周圍

97、空間發(fā)射高頻噪聲，對機(jī)車沿線的通訊信號和無線電信號造成很大的干擾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致通訊間斷和無線電信號失效等現(xiàn)象。另外，高頻噪聲還對機(jī)車的控制信號有影響，是機(jī)車安全運(yùn)行的隱患。</p><p>　　隨著鐵路信息化時代的到來，越來越多的信息化產(chǎn)品及敏感的電子通信產(chǎn)品被應(yīng)用到鐵路通信系統(tǒng)中，承擔(dān)著信息化鐵路運(yùn)營過程中重要的指揮員、監(jiān)測員以及信息傳輸員。例如，高速列車在通過換道岔時，地面上的道岔位置是由計算機(jī)“連鎖”系統(tǒng)所

98、控制的，若計算機(jī)因電磁干擾而發(fā)出對道岔位置的錯誤控制信號，那么結(jié)果將不堪設(shè)想。由此可見，信號的傳輸過程被電磁噪聲干擾或者中斷將會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)損失，對列車安全和人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅，因而怎樣避免弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾所帶來的危害也越來越受到相關(guān)科研人員的重視和研究。</p><p>　　第3章 弓網(wǎng)電弧電磁模型研究</p><p>　　3.1高速列車的電磁環(huán)境及電磁干擾<

99、/p><p>　　電磁兼容是一門新興的綜合性學(xué)科。根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72一85《電磁干擾和電磁兼容名詞術(shù)語》第5.10條電磁兼容定義為：“設(shè)備(分系統(tǒng)、系統(tǒng))在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即設(shè)備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭到不允許的降級；它也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備(分系統(tǒng)、系統(tǒng))因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級?！彪姶偶嫒莸难芯績?nèi)容主要是圍繞著電磁騷擾源、

100、傳輸途徑和敏感設(shè)備三個要素進(jìn)行的。</p><p>　　一個完整的鐵路系統(tǒng)包括： </p><p>　　(l)機(jī)車及其內(nèi)部的設(shè)備;</p><p>　　(2)鐵路供電、通信、信號、調(diào)度等配套系統(tǒng);</p><p>　　(3)鐵路軌道沿線的相關(guān)設(shè)施，如站場，橋梁等。</p><p>　　高速列車的電磁環(huán)境是很復(fù)雜和惡劣的

101、，其主要有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)列車在快速移動的同時還要將接觸網(wǎng)上25kV的高壓電能轉(zhuǎn)換為數(shù)兆瓦的牽引功率。在這種情況下，存在著多種類型的能量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　(2)由于車內(nèi)空間有限，所以在設(shè)備的布局設(shè)計時，為了提高空間利用率，將車上各種設(shè)備都壓縮在了一個三米寬，十多米長的空間范圍內(nèi)。</p><p>　　(3)車上的整流裝置使得電流波形產(chǎn)

102、生了畸變，大大降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，造成了嚴(yán)重的諧波污染。為了給牽引電機(jī)等設(shè)備散熱，幾乎全部采用的是敞開式結(jié)構(gòu)，在布線是未充分考慮電磁兼容性。</p><p>　　(4)車上的電子電氣設(shè)備電路中的電流和電壓變化劇烈，給周圍的其他設(shè)備造成了嚴(yán)重的電磁干擾。</p><p>　　(5)鐵路軌道沿線運(yùn)行環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜，再加上機(jī)車的高速移動，所以鐵路系統(tǒng)的電磁環(huán)境是動態(tài)實(shí)時變化的。</p

103、><p>　　離線電弧釋放的電磁輻射為類似高斯白噪聲的頻譜很寬的信號，主要能量集中在高頻段，故而成為一種電磁污染。弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　(1)對車載設(shè)備的影響。由于電力機(jī)車的電氣化、數(shù)字化程度越來越高，車載電力電子設(shè)備越來越多，弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的某些頻段的電磁干擾會通過輻射或傳導(dǎo)的方式進(jìn)入車內(nèi)，對車載電力電子設(shè)備的正常工作造成干擾，嚴(yán)重時會危及

104、行車安全。</p><p>　　(2)對通信系統(tǒng)造成的影響。對通信系統(tǒng)的影響包括兩個方面:對車載通信系統(tǒng)如450MHz頻段的無線列調(diào)系統(tǒng)的影響和車下通信系統(tǒng)如GSM綜合通信系統(tǒng)的影響。這些系統(tǒng)都工作在離線電弧電磁干擾的頻段內(nèi)，因此，離線電弧可能會造成通信系統(tǒng)失靈。</p><p>　　(3)對鐵道信號系統(tǒng)的影響。離線電弧電磁干擾可能造成數(shù)字化的鐵道信號系統(tǒng)出錯。</p>&l

105、t;p>　　(4)對周圍居民造成影響，包括對工業(yè)設(shè)備和家用電器等的影響。低頻磁場能影響心臟起搏器，對病人的生命安全造成威脅。</p><p>　　因此研究弓網(wǎng)離線電弧特性和特點(diǎn)，用來進(jìn)一步分析和預(yù)測這種電磁干擾是十分有必要的。</p><p>　　3.2弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生電磁干擾機(jī)理分析</p><p>　　電磁干擾是指任何可能限制、降低和中斷通信設(shè)備信號傳輸，即有

106、害于有用信號的，發(fā)生在不同頻段的電磁現(xiàn)象。由電磁干擾源發(fā)出的電磁能，經(jīng)過某種傳播途徑至敏感設(shè)備，對敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾的效果，這個作用的過程及結(jié)果，稱為電磁干擾效應(yīng)。電磁干擾的類型按照干擾源的特性主要分為高頻干擾和低頻干擾，按照傳輸途徑可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。</p><p>　　電磁兼容學(xué)科研究的主要內(nèi)容是圍繞以下構(gòu)成干擾的三要素進(jìn)行的，即電磁干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備。</p><p>