受电弓与接触网系统电接触特性.pdf

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第29卷，第3期中国铁道科学v0129No32008年5月CHINARAILWAYSCIENCEMay，2008文章编号：

lOOl一4632（2008）03一OL06-04受电弓与接触网系统电接触特性吴积钦，钱清泉（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）摘要：

依据电接触理论对弓网系统电接触特点、接触电阻、稳态热效应及电弧的产生进行分析研究。

结果表明：

弓网系统具备固定、滑动及可分离等方面的电接触特性，弓网系统电火花现象与滑板和接触线材料的导电性能密切相关，铜镁接触线与碳滑板2种较高电阻率的材料组合决定了两者的接触电阻比较大，使得滑动接触过程中的电火花现象剧烈。

取流量较大的电动列车在起步或低速运行时，由接触电阻引起的热能有可能导致滑板和接触线局部过热，必要时应采取措施减小弓网接触电阻。

弓网系统电弧对周围环境虽产生电磁干扰，但却能保证电动列车正常取流的连续性。

关键词：

弓网系统；电接触特性受流，受电弓；接触网中图分类号：

U2251文献标识码：

A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1-33。

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。

弓网系统电接触的特点根据文献F43中的理论可知，弓网系统电接触是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。

列车静止不动时，弓网系统表现为固定电接触，出现的主要现象和问题是接触电阻、接触温升和接触熔焊。

列车运行时，弓网系统具有滑动电接触的特点，除了固定电接触的问题外，还有滑板与接触线之间的摩擦、润滑及磨损等问题。

弓网系统接触区域无论如何加工、打磨以及运行过程中的相互磨损，接触区域在微观上总是呈现凸凹不平，如图1所示。

即使滑板和接触线之间具有很大的接触力，在接触区域也只有少数的点（小面）实际发生了真正的接触，这些实际接触的点（小面）承受着全部的弓网接触力。

由于接触线表面一般都覆盖着导电不良的氧化膜或其他种类的杂质，在实际接触小面内，只有少部分氧化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所示。

图1接触区域放大图图2电流收缩现象图通常把实际发生机械接触的小面称为“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”。

2弓网系统的接触电阻由接触线流向滑板的电流在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增加，有效导电面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为。

收缩电阻”。

电流通过接触区域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”。

这两部分附加电阻在电路上是串联的，相加收稿日期：

2007-0520；修订日期：

2008-03-05作者简介：

吴积钦（1966一），男，河南驻马店人，高级工程师，博士研究生万方数据第3期受电弓与接触网系统电接触特性107后的总电阻构成弓网系统的接触电阻。

接触电阻是表征弓网电接触特征的参数，对于弓网系统点状接触的粗糙表面，每个导电斑点的接触电阻可用下式计算：

Rc2急+乞+Rt式中：

Rc为单个导电斑点的接触电阻；Rt为单个导电斑点的表面膜电阻；IDl，l。

2分别为接触线和滑板材料的电阻率；口为单个导电斑点的半径。

如果通过导电斑点的电流增大或接触电阻增高，则接触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就会发生软化和熔化。

实际上，新开通的电气化铁路或受电弓滑动次数较少的接触线表面均有1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。

随着受电弓滑动次数的增加，接触线的表面膜逐渐被破坏，也可能被较高的电场破坏，此时的接触电阻只有收缩电阻部分，即R。

=曼+譬一哗

（2）式

（2）为1个导电斑点的接触电阻，假设滑板和接触线之间的导电斑点有行个，导电斑点与导电斑点间的距离比n值大得多，多斑点间的收缩电阻为并联关系，弓网系统的接触电阻R为R=哮（3）47投在考虑材料的硬度定义时，认为接触硬度为5FH=七（4）7z7【口。

式中：

H为滑板和接触线两者中较软材料的接触硬度；F为弓网接触力。

由式（4）可知口=焉（5）将式（5）代人式（3）得到弓网系统的接触电阻为i厂百R一哗鸳（6）4V纪f由式（6）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。

3弓网系统电接触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。

根据电位一温度理论，弓网接触点的温升与通过接触点的电流、接触电阻成以下函数关系6：

口：

堡一塑垡：

匹旦!

臼垫一1，z8：

|ID8枷128=IlD”（7）式中：

口为弓网接触点超出接触区的温度（温升），U为接触压降，【厂一豫，J为通过接触点的电流；而为滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值。

由式（7）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。

典型的受电弓滑板电阻率与硬度值见表17|。

襄1受电弓滑板电阻率与硬度值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281。

衰2铜或部分铜合金接触线主要机电性能由表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。

万方数据中国铁道科学第29卷上述滑板与接触线各有特点，应根据具体情况选用。

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。

4弓网系统的电火花和电弧现象弓网系统在一定情况下产生电火花或燃弧的情况有以下几种。

（1）弓网滑动接触过程中，当滑板和接触线实际导电面的面积较小、接触电阻较高及列车的取流量较大时，电流通过导电斑点产生的热量使导电斑点的温度迅速上升到一定程度而形成电火花，或因弓网相对滑动导致导电斑点断裂，滑板与接触线凸部脱离接触时也会形成电火花。

上述2种情况在弓网滑动接触中比较常见，甚至在列车低速运行情况下也能见到。

需要说明的是：

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。

（2）在电动列车高速运行过程中，因各种原因导致滑板与接触线整体分离或部分分离，在两者接触区域最后分离前的瞬间，列车电流通过接触电阻引起的热能集中加热最后分离的导电斑点，使其温度迅速上升到材料沸点而引起爆炸式气化。

在滑板和接触线之间充满高温导电气体的条件下，可能在10-3s以内就形成电火花，大量的电火花汇集成电弧，电弧电压约为10-20VE引。

弓网恢复接触后，电弧熄灭。

弓网之间的电弧拉长到一定距离后也会熄灭。

高速运行的列车，其弓网系统的电弧弧根要么与弓网一起快速移动，要么在很短的时间内熄灭，尽管电弧温度很高，但其热流对弓网系统的侵蚀却有限，对弓网系统的影响也有限。

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。

（3）受电弓的升或降一般为无负载或小负载操作，弓网接触或脱离瞬间会产生电火花现象，但不会带来严重后果。

而带大负载操作受电弓升降或电动列车带负载进出无电区均能导致弓网间产生强烈的燃弧现象，此种情况下电弧根部在滑板和接触线的固定部件上长时间燃烧，电弧热流会对弓网系统带来严重后果，这种情况是不允许的。

5结语

（1）弓网系统电火花现象与滑板和接触线材料的电阻率密切相关。

铜镁接触线与碳滑板材料的电阻率较高，两者的接触电阻均比较大。

使用碳滑板的CRH系列动车组运行在在铜镁接触线区段时，弓网系统产生的电火花现象较运行在银铜线区段剧烈。

（2）取流量较大的电动列车在启动或速度较低区段，由于存在接触电阻，弓网系统的载流能力、温升特性应引起重视，避免滑板和接触线局部过热引起接触线断线事故的发生，必要时应采取措施减小弓网系统接触电阻。

（3）列车高速运行情况下，不仅要维持弓网系统良好的动态关系，还应根据需要对接触材料的电气性能进行匹配。

受电弓与接触网的电接触特性说明，应将两者作为一个整体进行研究。

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5758inChinese）CharacteristicsoftheElectricalContactbetweenPantographandOverheadContactLineWUJiqin。

QIANQingquan（SchoolofElectricalEngineeringSouthwestJiaotongUniversity，ChengduSichuan610031，China）Abstract：

Basedontheelectricalcontacttheory，researchhasbeencarriedthroughonthecharacteristicsofelectricalcontact，contactresistance，steadystatethermaleffectofelectricalcontact，andtheoccurrenceofarc，betweenpantographandcontactwireTheresultsofstudyindicatethat：

pantographandoverheadcontactlinesystemhavethecharacteristicsoffixedslideandseparatedelectricalcontacLThephenomenaofelectricsparksbetweenpantographslideplatesandcontactwireiscloselyrelatedtotheelectricalconductivityofpantographslideplatesandcontactwirematerialsThematerialcombinationsofcoppermagnesiumalloycontactwireandcarboncontactstripwithhighresistivitydecidethatthecontactresistanceisbiggish，andthephenomenonofelectricsparksiscommonduringslidecontactprocessAtthestageofhighcurrentelectrictractiontrainstartorbetweenlowspeedsections，thethermalenergycausedbycontactresistancecanmakethetemperatureofcontactwireandslideplatetOOhighinsomepartsSomemeasuresshouldbetakenwhenevernecessarytodecreasethecontactresistanceAlthoughelectromagneticinterferenceimpactofarctosurroundingenvironmentexists，itcanensurethecontinuityofthetraintogetCEIrrentKeywords：

Pantographandoverheadcontactwiresystem；Characteristicsofelectricalcontact；Currentcollection；Pantograph；Overheadcontactwire（责任编辑杨宁清）万方数据受电弓与接触网系统电接触特性受电弓与接触网系统电接触特性作者：

吴积钦，钱清泉，WUJiqin，QIANQingquan作者单位：

西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031刊名：

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