电力机车受电弓发展综述邓明丽吴广宁张雪原等综合电力机车受电弓发展综述邓明丽摘要吴广宁,张雪原,何常红叶强电力机车速度不断提高导致弓网电弧加剧已经严重制约了高速铁路的发展本文从受电弓的结构和滑板材料角度阐述国内外电力机车减小弓网电弧危害的现状以及发展从电气角度分析了弓网电弧的产生机理并分析了受电弓滑板的发展趋势最后指出在现有的机械手段的基础上还应结合弓网电弧的电气特性进行研究从而找到抑制和消除弓网电弧的方法弓网电弧关键词受电弓滑板电力机车’中图分类号文献标识码文章编号下前言工程实践表明弓网关系是目前制约我国高速受电弓滑板会加剧磨损缩短其使用寿命增加维护工作量我国于铁路发展的瓶颈之一而弓网电弧是弓网关系中需要解决的核心问题一’年月日在胶济线上的试验录像资料显示当高速动车运行速度达到在电气化铁道中接触网是指架设在轨道上方沿线向机车提供电能的电力传输网受电弓是电力时弓网电弧极为严重成为阻碍列车速度继续提高的直接原因因而研究性能优异的受电弓改善受电弓的跟随性能寻找抗受流磨损性能更好的受电弓滑板材料对促进我国高速铁路的发展具有重要的意义机车从接触网上获取电能的装置弓网电弧是指受电弓在接触线上滑动运行过程中由于接触线的不平顺接触网的振动受电弓弓头的振动轨道的不平顺等多种因素的影响在相对高速接触运动中受电弓的结构法国法国东南新干线采用型受电弓订分离而产生的气体放电现象其中受电弓的结构及滑板质量与材料也是影响受流质量的一个关键因于素而受流质量又直接关系到弓网电弧的产生弓年受电弓月日创造了的世界纪录或称子母弓网电弧的危害除了使车载电器承受高频振荡过电型受电弓为双层小开度型压外还会烧蚀接触线轻则缩短其使用寿命同时重接触压力为一采用碳滑板岁归公则使之烧断作者简介酿成重大事故在电弧的作用算质量为度的受流需要为了更好地适应以上速邓明丽西南交通大学电气学院硕士研究生四川成都电话科吴广宁西南交通大学电气学院教授张雪原西南交通大学电气学院博士研究生何常红叶强西南交通大学电气学院硕士研究生抑制弓网电弧的产生司研制的新式型单层受电弓在法国国铁于大西洋新干线中采用日创造了年月的世界纪录型受电弓综合电气化铁道年第期滑板采用碳滑板是公司研制的另一种高速受电弓其可随重量较轻车速的变化而自动调整接触压力使弓网的跟随性大大提高采用气垫支撑和高性能空气调整装置该受电弓设计速度为从而减少电弧的产生公司研可随车速的变制的系列受电弓自年以来经历了长期的试化在一定范围内对接触压力进行自动调整使弓网验过程该受电弓采用合成纤维弓头重量减轻了一的跟随性进一步提高弓网电弧就更不易产生使用有限元分析法和模拟技术使动态可以看出通过改进受电弓的弹性系统减轻重量和受流质量得到了显著的改善受流质量的提弓头重量增加主动控制方式等提高受电弓弓头的跟随性能降低离线率从而减少弓网电弧的发生日本规定高速铁路受电弓离线率控制在高自然就降低了弓网电弧的发生率系列受电弓均采用气垫支撑装置和高性能空气调整装置关节以内式结构不受运行速度和方向的影响为适应特别需要最高不超过德国规定高速铁路受电弓离线率以内既可安装高上升度弓头滑板又可安装低上升控制在但根据欧洲标准范围以内高速铁路的度弓头滑板日本使维修量大为减少离线率应当在系列受电弓受电弓滑板的发展日本在新干线上采用的是受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要该系列受电弓为双臂菱形受电弓采用弹簧升弓气动降弓的操作方式框架折叠尺寸为单弓头铜基粉末冶金滑板纵向集电元件滑板质量是影响受流质量的一个关键因素而受流质量又直接关系到弓网电弧的产生如图电流上下框架采用异型钢管焊接顺线路方向追踪范围为受可所示滑板安装在受电弓最上部直接与接触电弓基座加盖整流罩弓头结构简单重量轻线接触滑板在静止或滑动状态下从接触线上获得为机车供应电力一满足阻尼器以上的受流需要并且较好地抑制维持其正常运行一般传导电流为了弓网电弧的发生型受电弓为双向作用随着列车速度的不断提高目前国际上最高商业运行速度已接近单弓头用于系电动车组弓头归算质弓网相对滑动速度约量为框架归算质量为型受电弓用于接触压力系电动车而要求受电弓滑板的综合性能也越来越高世界各国对电力机车受电弓滑板尤其是滑板材料的研究也在不断深入为组为单向作用阻尼器单弓头块滑板相互支撑弓头归算质量为框架归算质量型受电弓接触压力为用于系电动车组为单向作用阻尼器单弓头弓头归算质量块滑板相互支撑架归算质量德国框图滑板工作示意图接触压力为前苏联年前苏联在型受电弓直流电气化铁道区德国的高速铁路采用进一步提高行车速度为了段上开始试用粉末冶金滑板一年在记公司研制了新式的保加利亚匈牙利东德波兰前苏联和捷克等型受电弓该弓具有以下特点国对完善电气化铁道的接触网及受流问题进行的备用控制高速时空气抬升力的稳定器尽可能减小滑板的重量子制成综合科学技术研究中针对粉末冶金滑板进行了专门研究并在适宜区段推广应用其中前苏联对铁基导角用薄壁管粉末冶金滑板的研究更为深入块滑板互相由框架支持欧洲们滑板的支持为伸缩型行程可达在欧洲法国的德国的西班牙的电力机车受电弓发展综述邓明丽吴广宁张雪原等几率小等优点但缺点是其亲和力大综合都是著名的高速列车它们和日本的新干线与接触线之高速列车被认为代表现代铁路的最高水平并不断刷新列车速度的最高纪录自耗率为间易引起粘着磨损且损耗严重年开始德国几日本为了节约有限的铜资源开发了导电性与自润年运行以来一一直使用纯碳素滑板其磨滑性较好的石墨滑板材料其优点是对接触线的磨损小但是由于石墨存在电阻系数较大集电容量皿乃次法国八最高时速达以前曾用过钢滑东南线小耐冲击性差等问题所以在一年板在万大西洋线以前采用钢和碳滑板普遍采用碳滑板一种现日本又研制了铜系合金烧结滑板材料其电其受电弓用的碳一石墨岁脉阻系数比石墨滑板小冲击韧性也有所提高滑板的磨耗率为以上寿命可达年以后日本又先后研制磷铜合金烧结滑板材料在英国电气化铁道传统上使用的浸一订拓铁系合金烧结滑板材料硬质金属碳滑板其新开发的纯碳素滑板具有电阻率系烧结滑板材料日本早期受电弓滑低强度高的特点磨耗率为日本板材料的基本性能见表阎年日本东海道新干线正式开通了世界上日本受电弓滑板材料大致经历了由纯铜石第一条高速铁路列车运行速度达到了了川订墨烧结合金材料到浸金属碳滑板个过程最高试验速度达到列车的平均速度由新干线的开通使日本月日本电气化铁道刚开通时列车的平均速度低于八提高到使电主要使用的是纯铜受电弓滑板具有力机车同时也使受电弓滑板材料的研究与应用进入了一个新时期布氏硬度机械强度高使用寿命长系列基成本低引发弓网事故平均密度一八一表商品名日本早期受电弓滑板材料的基本性能表电阻率抗拉强度铜铁…闷蕊毛冲击韧性’〔毛研究表明在速度大于料的抗冲击能力较差爪的行驶中对滑果显示爪上在可时其厚度磨耗为瓜一板的抗冲击性能及电性能的要求很高石墨滑板材无法达到要求铁系体积磨耗为一但耐磨的铜系铁系滑板材料对铜接触线的磨损十分严重其应用也受到了表名称都能达到要求但是含铜量多的铜系滑板材料和铜接触线间亲和力较强接触线磨损严重使受流质量受到影响日本新干线用新铁系烧结合金滑板成分表基本成分并较容易产生弓网电弧铁系滑板材硬质成分润滑成分料在高速滑动时形成的铁氧化物减少了粘着磨损磨损率簇加明显提高了受流质量改良型改良型改良型同时对弓网电弧的产生也有所抑制经过比较最随着铁路高速化的发展烧结合金滑板材料组终选铁系烧结合金作为新干线的滑板材料织疏松以及耐电弧腐蚀性差的弱点也越来越突出因此一一年日本高速列车的最高运行速度达到知叽七年后日本铁道综合技术研究所三铁系滑板材料的自身磨耗值也达倍左右菱金属公司等开发浸金属碳滑板材料投入使用并取得了良好的效果日本研制的加滑板基本性能见表是电阻系数小到了期望值的为解决该问题又向铁系浸金属烧结合金材料中加入耐磨的等成分研制出新铁系滑板材料浸金属碳滑板材料的优点润滑性能好见表实验结导电性好材料强度综合电气化铁道年第期万架次万架次高磨耗低且弓网电弧事故率低等是一种较为理想的高速列车受电弓滑板材料表密度线的平均磨耗达到材料的磨耗最高达到复合式铜基烧结滑板材料受电弓滑板此后铁道浸金属碳滑板成分及基本性能表加川电阻系数布氏硬度阿科学研究院金化所等单位相继研制并推出了机械其性能较已有金属系怡,啤世纪新干线速度烧结滑板材料的性能有所改进既提高了自身寿日本铁路高速化的目标是命又降低了接触线的磨耗受流质量也有所提高达到既有线速度达到由以往在干线上是一种较为理想的滑板材料的经验可以看出日本开发受电弓滑板材料的方向为开发出组织致密碳润滑性能好铜强度高当电力机车的速度提高到时会导致导电性能好与离线率增加拉弧频繁织疏松因此已有金属系烧结滑板的组比例恰当的既可克服铜亲和力耐拉弧性差世纪高速运行时不能满足要求大又可克服碳抗冲击能力差的滑板材料我国受电弓滑板材料的发展年代我国又开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料它是将碳基体中存在的大量气我国的电力机车受电弓滑板材料的发展主要经历了由铜孔填满金属形成实用的凝体集中碳材料和金属材料的优点纯碳金属系烧结材料到浸金属碳滑年月由铁科院及哈尔滨电板个过程碳厂联合研制的浸金属碳滑板达到了浸金属碳滑年我国第一条电气化铁道开通高运行速度小于的导线列车最板的技术标准要求位又研制了他们生产的滑板的部分岁电力机车采用法国进口性能已经接近世界先进水平年四川某单型电力机车滑板为钢板条接触线为铜质型浸金属碳滑板各项性能表由于钢滑板和铜导线的亲和力较强使接触护均达到或接近英国的表国别型号密度滑板的性能的性能比较表线磨耗十分严重运行不到年使用的与铜接触线的高度由磨耗为中国。英国铁道科学研究院等单位为解决接触线磨耗严重的问题,一研制了纯碳滑板材料在宝凤段实际运行后使该段接触线寿命延长了年取得了良好的效益但纯碳滑板材料的机械强度较低冲击以上的运行中遇到接触线硬肖氏硬度旧电阻率阁抗折强度抗拉强度韧性较差在在雨季和潮湿地区我国受电弓滑板材料的展望从我国高速铁路的运营情况可以看出在一定点容易造成滑板折断和破裂使用寿命低特别是因摩擦力增大常出现弓网故程度上滑板材料满足了弓网关系对其的要求主要是通过不断改进滑板材料减少滑板磨耗触线的磨耗障及产生电弧铜年西安铁路局铁道科学研铁降低接究院机辆所等单位共同协作铝等通过在金属系提高滑板自身的寿命改善性能等粉末中添加一些润滑成分如碳铅和二硫化由于我国干线主要还是采用铜合金导线及以碳结开发了冲击韧性较好的金属系烧结滑板材构为主的相配套的受电滑板碳基复合材料将会是今后电力机车滑动材料的主要发展方向新型碳滑板从滑板的力学性能导电性能摩擦磨损性能等方面入手可以带有自润滑功能减少磨耗抗电弧灼烧损伤提高导电率提高受电弓的动态受流性料该滑板材料在使用中可形成润滑膜且摩擦系数较低较好地代替了纯碳滑板材料因此在年初该滑板材料成为我国品干线的定型产在巧个机务段得到了应用但该金属系烧结滑板材料的抗拉弧能力较差间经常出现烧熔量也不理想在离线或触线的瞬能从而有效地抑制弓网电弧的产生与接触线粘连等现象受流质年在大秦线运行年铜接触弓网电弧产生机理上文已经从受电弓的机械结构和滑板材料上电力机车受电弓发展综述邓明丽吴广宁张雪原等综合对弓网电弧的发展及危害进行了分析下面从电气弧过程量而电弧耗散了回路中的绝大部分磁场能角度分析弓网电弧产生的原因牵引供电基本结构如图所示电流从地面牵引降压变压器的二次侧除此之外电源电势也会提供一定的能量结论随着我国经济社会的快速发展高速电气化铁道将得到迅猛发展送入接触网受电弓从接触网取流经过车载牵引变压器高压侧流入钢轨再由钢轨回到地面牵引降压变压器的二次侧形成电流回路我国计划在“十一五”期间建的当受电弓与接所示触线分离的瞬间设高速客运专线其中超过其等效电路如图在图线路就有中本文通过对现在国内外受电弓代表牵引回路的总电阻代表地面牵引变压器等效电感与牵引电流有关接触网电感和钢轨在机械和材料上的发展介绍说明了在如此大规模电感之和的高速电气化铁道建设中仅靠机械和材料改进是远远不够的还需综合利用电气机械和材料技术众代表车载牵引变压器的等效电感用开关的断开等效弓网分离的状态接触网考包弓载解决弓网电弧问题才可能达到良好的效果这方面的研究才刚刚起步础上因此在现有的机械手段基宁一〕瓤兮蔽‘车载变压器应结合弓网电弧的电气特性细致研究弓网术习电弧的强度和危害从而抑制和消除高速铁路弓网电弧的危害减少因弓网故障造成的行车事故为图牵引供电基本结构图我国电气化铁道向更高速度发展奠定坚实的理论基础么三卜乡二分参考文献川金学松温泽峰张卫华等世界铁路发展状况及其关键力学问题图」第十三届全国结构工程学术会议论文集第牵引供电系统的等效电路图册一从图可以看出当回路中有电流流过时如果断开开关则整个回路中的电流由变为如果该变化过程的时间分可知由二盯在电感中引起的电压“分二该电压可以击穿任意绝缘强度的绝缘介质但在实际工程中有个原因制约了该过电压布电容。一第个原因是线路上分王贵青陈敬超孙加林电力机车受电弓滑板的研究状的存在电感在开关上所产生的电压况及发展趋势材料导报一厄不乙枢不回路中的磁场能转换为电场能〔梁若清冯勇祥陆木林日本电力机车受电弓滑板的发展及浸金属碳滑板的开发刘志远由于线路的分布电容与回路的电感相比非常小所机车电传动以在开关上由电感产生的过电压是非常大的第罗一平浸金属碳滑板的研制电个原因是电流由变化到当电流变化率很大时的时间并不是无穷小碳在开关上产生很大的电压〕张秀兰电力机车受电弓滑板的调查分析路中国铁实际上开关是一个有一定绝缘强度的气隙在过电压作用下气隙被击穿气隙电阻迅速减小当电感李德富张进良电力机车受电弓用碳滑板〔中国专中的电流变化率降低后开关上的电压减小气利收稿日期隙的绝缘强度开始恢复气隙电阻增大该过程一直持续到回路中的电流为实际就是弓网间的燃
