弓網(wǎng)電接觸熱流和電流傳導及影響規(guī)律研究.pdf

1、隨著電氣化鐵路向高速與重載化方向發(fā)展，對接觸線載流量和受電弓取流量要求越來越高，電氣化鐵道弓網(wǎng)電接觸問題日益突顯。弓網(wǎng)的最大允許通過電流、接觸電阻、電阻率，熱效應和電磨耗等問題共同構(gòu)成受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電接觸核心問題。
　　本論文從弓網(wǎng)良好電接觸和離線電弧兩個角度出發(fā)，以弓網(wǎng)電接觸的熱流和電流傳導及影響規(guī)律為目標，依據(jù)弓網(wǎng)表面熱流源分析-＞弓網(wǎng)離線電弧溫度傳導-＞弓網(wǎng)良好電接觸穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)熱流傳導-＞弓網(wǎng)離線電弧時空鏈式和電氣黑盒

2、拓展建模-＞弓網(wǎng)電氣黑盒拓展電弧模型接入實際牽引供電線路的行車車頂和車體安全性影響分析的研究主線，較為全面地揭示了弓網(wǎng)電接觸的熱流和電流傳導及影響規(guī)律。主要研究工作如下:
　　首先，針對受電弓與接觸網(wǎng)滑動電接觸時產(chǎn)生的高溫熱侵蝕，提出了一種評估弓網(wǎng)表面熱流源分析和計算的模型。指出弓網(wǎng)表面的熱流源主要來自機械摩擦產(chǎn)生的表面溫升、接觸電阻產(chǎn)生的表面溫升和離線電弧產(chǎn)生的表面溫升，詳細計算推導和計算分析了三種溫升的熱侵蝕過程和影響因素。以

3、北京-天津客運專線為例進行了仿真計算，結(jié)果表明，摩擦熱、焦耳熱和電弧熱一般同時存在和相互影響，也獲取了弓網(wǎng)接觸壓力、風速、行車速度、電流變化等對受電弓滑板和接觸線表面熱流的影響規(guī)律。
　　其次，針對頻發(fā)的離線電弧現(xiàn)象，研究了弓網(wǎng)離線電弧作用下的弓線溫度場。對離線電弧作用下的弓線熱過程進行了理論分析;結(jié)合非線性有限元理論，借助ANSYS軟件，建立受電弓弓頭滑板和接觸線的有限元模型，分析電弧產(chǎn)生后對其溫度分布的影響，重點分析了不同接觸

4、線及受電弓滑板材料和不同材料配副的弓網(wǎng)系統(tǒng)瞬時溫度分布差別，討論了降低電弧對弓網(wǎng)侵害的措施，從溫度場角度評估了較好的弓線材料配副選擇。
　　然后，基于熱功率平衡原理，分別提出了針對弓網(wǎng)滑動電接觸在雙滑板電接觸下的穩(wěn)態(tài)和升降弓接觸時的暫態(tài)熱模型，研究了弓網(wǎng)系統(tǒng)單/雙點滑動電接觸的熱流分布差別，解析了弓網(wǎng)良好電接觸和升降弓取/斷流時弓線小離線到良好電接觸的熱傳導溫升變化過程，并給出了兩個溫升模型的初始和熱存儲邊界條件。在不同載流大小、

5、不同接觸壓力和不同電接觸時弓網(wǎng)滑動電接觸和升降弓取/斷流情況下，依據(jù)非接觸式紅外熱像檢測的接觸線溫升實驗數(shù)據(jù)，對比驗證了提出的受電弓雙滑板電接觸的接觸線穩(wěn)態(tài)溫升模型和升降弓接觸線暫態(tài)溫升模型的正確性和有效性。
　　4)此外，結(jié)合鏈式電弧模型的特點，建立了一種升降弓拉弧的空間物理計算模型?？紤]和分析了開放式環(huán)境中升降弓時電弧所受到的熱浮力、空氣阻力、電動力、風載荷等，建立了升降弓拉弧鏈式電流元的綜合受力模型;并修正接觸線端電弧電流元

6、速度和確定接觸線端電弧弧根的跳躍規(guī)則;通過比較升降弓動態(tài)拉弧的不同受力，重點分析了在接觸網(wǎng)相同載流下風載荷對電弧運動所起的作用，進一步探討了不同風載荷對升降弓拉弧形態(tài)的影響。仿真結(jié)果表明，該鏈式電弧模型研究風載荷下高速列車升降弓拉弧的空間運動形態(tài)和長度變化過程是有效的。
　　再次，為了研究弓網(wǎng)電弧的電氣特性，拓展了一種適合于弓網(wǎng)相對運動特性的Habedank電弧數(shù)學模型?；诠W(wǎng)電弧現(xiàn)象的形成機制及影響因素的深入分析，確立了Hab

7、edank電弧方程中電壓梯度、功耗功率和電弧長度的關(guān)系;通過建立和引入有限元弓網(wǎng)交互模型構(gòu)建弓網(wǎng)最大離線間距和車速的關(guān)系，建立了一種考慮列車速度的基于Habedank方程的弓網(wǎng)電弧數(shù)學模型?；贏TP-EMTP的北京-天津客運專線上北京-亦莊區(qū)段的牽引供電系統(tǒng)進行該拓展電弧模型的接入研究，在確定模型參數(shù)范圍基礎(chǔ)上分別進行了計及電弧模型內(nèi)部不同參數(shù)和外部不同負載對模型電氣特性的影響分析。結(jié)果證實了該拓展的Habedank電弧黑盒數(shù)學模型的

8、有效性和實用性，且該改進模型反映了弓網(wǎng)系統(tǒng)實際滑動電接觸交互性能和列車速度，這對研究其他弓網(wǎng)電弧模型也提供了很好的借鑒意義和研究思路。
　　最后，在拓展的Habedank電弧黑盒數(shù)學模型基礎(chǔ)上，進一步研究其對高速列車行車車體對地電壓安全性的影響。針對車頂，考慮現(xiàn)在大量高速鐵路實際架設(shè)在高架橋上具有電氣耦合的現(xiàn)狀，主要對高速列車過電分相段時的車頂過電壓進行了高架橋影響的數(shù)值求解和對比分析;針對車體，主要對比研究了弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生時對