弓网电弧温度及导电特性的光谱分析
邢立成1, 张晓冬1, 刘彪1,*, 崔晓艳2, 杨俊峰1
1. 北京交通大学电气工程学院, 北京 100041
2. 北京邮电大学自动化学院, 北京 100876
*通讯联系人 e-mail: liubiao@bjtu.edu.cn

作者简介: 邢立成, 1985年生, 北京交通大学电气工程专业博士研究生 e-mail: lichengzhongbei@bjtu.edu.cn

摘要

高铁提速受多方面因素制约, 其中弓网离线对受流质量影响很大。 在滑动接触模式下, 受电弓与接触网的磨损均很严重。 弓网离线产生的电弧是造成接触网和受电弓磨损的主要原因之一。 电弧温度高, 还具有电离特性, 因此一般的传感器无法置于电弧中测量。 光谱分析法在研究弓网电弧的温度及电子密度方面具有明显优势, 基于此可进一步寻找耐磨损的新材料或者灭弧方法。 因接触网使用铜合金材料, 故选取铜元素特定光谱作为研究对象。 采用Boltzman作图法, 通过实验测得弓网电弧的光谱信息, 进而计算电弧通道的温度。 结果表明, 由于单次电弧持续时间短又受弓网相对运动的影响, 其温度并不很高, 且电弧温度随着电弧持续时间的增加而增加。 采用盲目反卷积的方法求解307.92 nm谱线的Stark展宽, 再根据Stark展宽求得电弧的电子密度, 结果表明弓网电弧通道的电子密度和其他种类电弧电子密度在同一数量级上; 说明电弧引起的粒子电离效应明显。 由此可知光谱法在电弧温度及电弧电离特性的分析中是较为方便和准确的。

关键词: 弓网电弧; Boltzman作图法; Stark展宽; 反卷积
中图分类号:O433.5 文献标志码:A
Spectroscopy Method used in Temperature and Electron Density of Pantograph-Catenary Arc
XING Li-cheng1, ZHANG Xiao-dong1, LIU Biao1,*, CUI Xiao-yan2, YANG Jun-feng1
1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100041, China
2. Automution School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
Abstract

Train speed is limited by many factors, in which the off-line between catenary and pantograph has a great impact on power quality. Because of sliding contact mode, the pantograph and catenary are seriously worn. The arc generated by offline in pantograph and catenary is one of the main reasons of the abrasion on pantograph and catenary, but the arc temperature is very high, and it has ionization characteristics, so the general sensors cannot be placed in the arc to measure characters. Considering the arc’s feature, spectroscopy is important to study temperature and electron density of arc, and it is obviously advantaged. With this basis, researchers can find new wear-resistant material or arc-extinguishing method. We select specific spectrums of Cu as the studying object for catenary is made by copper alloy. We calculate arc temperature using Boltzman mapping method through spectral information experimentally measured. The result shows that temperature is not particularly high cause of short sustained time,and we know that the temperature is mainly affected by sustained time. Then we using deconvolution method to calculate Stark broadening, and according Stark broadening calculate electron density of the arc. The results show that the electron density of pantograph-catenary arc is not special different from electron density of welding arc. Spectroscopy is a convenient and accurate method in the calculating of temperature and electron density of arc.

Keyword: Pantograph-Catenary arc; Boltzmann mapping; Stark broadening; Deconvolution
引言

由电气化铁路不平顺或者接触网硬点引起的弓网电弧是目前列车上普遍存在且不可避免的导致弓网损耗的主要因素[1]。 很多国家早在20世纪六七十年代就开始研究弓网电弧, 我国在弓网电弧研究方面起步较晚。 在弓网电弧模型以及电气特性、 能量特性等方面, 国内外的研究都还不太成熟[2]。 电弧温度高、 电流大、 辐射强等特点使得接触式传感器测量的限制很大[3]。 光谱法由于其非接触的特性, 可以很好地满足电弧测量的要求。 光谱学诊断技术具有信息丰富、 不干扰流场的特点, 是等离子体诊断中有效的、 常用的测量方法[4]。 电弧温度是表征电弧物理特性的重要参量。 董丽芳等研究了大面积沿面放电等离子体的光谱, 并且使用相对强度比法计算了等离子体的温度和电子密度[5]。 Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、 标准温度法等测温方法更为方便[6], 李倩采用Boltzmann作图法测量了电弧等离子体的激发温度[7]。 在测量电弧电子密度方面主要有两种方法: Saha方程法和Stark展宽法。 Saha方程法需要准确计算出温度分布, 而且受到局部热力学平衡(LTE)条件的限制, 不能测量整个电弧电子密度。 Stark展宽法不受LTE状态限制, 应用范围广, 例如孙成琪使用Saha方程计算了低压直流电弧等离子体的电离程度, 并且采用Stark展宽法的半高宽求得了等离子射流的电子密度[8]。 由于接触线采用铜合金导线, 本工作选择铜元素特征光谱来研究弓网电弧的放电特性。

1 实验原理
1.1 电弧温度的光谱分析

光谱分析测量温度的方法主要有Boltzman作图法、 双谱线法及等电子谱线法。 Boltzman作图法又叫谱线相对强度法, 通过测量两条谱线(或多条谱线)的强度相对值而求得等离子体温度, 计算结果相对较准确[9], 因此本工作采用Boltzman作图法计算电弧温度。 当电弧达到局部热力学平衡态(LTE)时, 若原子从i能级跃迁到m能级, 则发射光谱, 其谱线强度为

Iim=N0gig0e-EikTAimhνim(1)

若以振子强度f代替跃迁概率A, 以波长代替频率ν [7], 两边取对数整理后得式(2)

logIλ3gf=-EikT+D(2)

其中D为常数, λ , gf可测, 采用多条谱线得到的log Iλ3gfEi直线的斜率, 可由此计算出温度T

1.2 电弧电子密度的光谱分析

由于电弧中带电粒子的相互作用, 光谱会发生Stark展宽现象, 而实际测得的光谱展宽包括Stark展宽、 Doppler展宽和仪器展宽[10]。 一般而言Doppler展宽符合高斯分布, 而Stark展宽属于Lorentz展宽。 因此只要计算出Stark展宽就可根据式(3)求出电弧的电子密度。

非氢类原子的Stark展宽的半高宽和电子密度关系为

Ls(λ)=2ωNe/1016(3)

实际测得的电弧谱线的的Lorentz展宽为

L(λ)=Ls(λ)+Lv(λ)(4)

式(4)中, Ls(λ )为Stark展宽半高宽, L(λ )为Lorentz半高宽, Lv(λ )为Van der Walls半高宽因此只要求出Lorentz展宽减去Van der Walls展宽即可得到所求的Stark展宽。

由于实际所测谱线近似呈Voigt分布, 它是Gauss分布和Lorentz分布的卷积[10]

Voigt分布

V(λ)=-G(λ-λ')L(λ')dλ'(5)

对非氢类原子的发射光谱, 其Voigt分布可写成三重积分形式。

V(λ)=-1LG(λ)ππ/2e(-2(λ'-λ)2/LG(λ)2)×-02πωe4(τ-λ')2+ωe2ωR(β)1+τ-λ0-dωe-αβ22dτdλ'(6)

通过实测光谱线型和卷积线型拟合可获得LG(λ ), ω e, α , β 的值, 再经过反卷积将Gauss线型和Lorentz线型分离即可, 进而计算Stark展宽。 在进行反卷积时常用的反卷积方法有迭代法和维纳滤波法[12, 13], 但由于Gauss分布方程不确定, 因此可考虑采用杨怀栋等提出的盲目反卷积方法计算。 曹玉林将该方法应用在了X射线衍射谱中[14]

2 数据处理

实验采用盘式弓网模拟装置模拟弓网运动, 接触线采用铜合金接触线, 受电弓采用浸金属碳滑板。 光谱仪采用Maya2000pro, 探测器采用Hamamatsu S10420测量弓网电弧发射光谱。 仪器和探测器参数见表1。 为了方便信息处理及计算, 将实验所得光谱数据, 用Matlab软件重构, 两次采集的光谱图如图1所示。 由于接触网一般采用铜合金材料制成, 因此本文根据铜元素的发射光谱进行分析, 并选择第一次采集的光谱图。

表1 铜元素特征谱线波长及相关参数计算值 Table 1 The wavelengths of the characteristic spectral lines of copper elements and the colculated values of the related parameters

图1 弓网电弧光谱
(a): 第一次采样光谱图; (b): 第二次采样光谱图
Fig.1 Spectrum of Pantograph-Catenary arc
(a): First spectrum; (b): Second spectrum

2.1 电弧温度计算

铜元素特征谱线的波长λ , gf值及激发电位表如表1所示。 由光谱图可知, 光谱中除有铜元素激发产生的谱线外还有其他元素激发产生的谱线和激发空气热辐射产生的光谱背景。 这里选取波长为261.837, 282.437, 288.293, 301.084和309.399 nm的特征光谱线相对强度作为分析对象, 利用统计权重、 振子强度等参数, 计算所得值及相应的值数据如表2所示。

表2 铜元素特征谱线波长及相关参数计算值 Table 2 The wavelengths of the choracteristic spectral lines of copper elements and the colculated values of the reloted parameters

根据表1, 可绘制出ln Iλ3gfE的曲线图, 如图2所示。

图2 ln Iλ3gfE的匹配关系.Fig.2 Fit relation of ln Iλ3gf and E.

图中拟合直线的斜率为k=-2.6, 可得电弧温度为T=1 938.48。

本次电弧发生到熄灭过程很短大约8 ms, 在大约4 ms时电弧辐射最强, 温度最高与摄像机记录下的弓网电弧图像一致, 高速摄像机拍摄到的电弧图像如图3所示。 由图三也可以看到弓网电弧的形状不是垂直状, 这是由于弓网运动, 电弧受到气流的影响导致的。 要说明的是本次采集的电弧温度比静态电弧温度低, 一方面是因为电弧持续时间短, 另一方面是因为本次采用的盘式弓网仿真测量模型的电流较实际中的电流值较小, 虽然其电压等级采用的是27.5 kV, 但由于实验条件限制电流较小。

图3 不同时刻的电弧图像Fig.3 Different time images of arc

通过采集不同时长电弧的光谱数据可以计算出电弧持续时长和温度的关系如图4。 由此可知, 电弧的温度主要受电弧持续时间的影响。

图4 温度与持续时间关系Fig.4 Temperature and duration time

2.2 电子密度计算

因波长为307.982 nm的光谱线对称、 完整, 采用此条光谱计算, 如图5所示。

图5 光谱分布图Fig.5 Spectrum scatter plot

经过反卷积分离Gauss线型和Lorentz线型后的波形图如图6所示。

图6 反卷积后波形Fig.6 Wave after deconvolution

由图中可求出Lorentz展宽为L(λ )=10.5 nm由于Lorentz展宽包括Stark展宽和Van der Walls展宽, 根据式L(λ )=Ls(λ )+LV(λ ), 去除van der Waals展宽计算得Stark展宽为7 nm。 根据式(4)计算出该条谱线对应的电弧的电子密度为ne=1.21× 109 cm-1。 可见弓网电弧的电子密度与焊接电弧的电子密度在一个数量级上, 其粒子电离程度和其他种类电弧一样。

3 结 论

弓网电弧所发射的光谱中包含了电弧的大量信息, 根据弓网电弧发射光谱采用Boltzmann作图法计算了弓网电弧的温度, 可知弓网电弧温度主要受电弧持续时长影响, 由于弓网电弧持续时间均较短, 因此弓网电弧的温度并不是特别高。 根据电弧光谱的Stark展宽计算了弓网电弧的电子密度, 可知其电子密度与焊接电弧在同一个量级, 由此可知弓网电弧中原子电离程度和其他种类电弧一样。 光谱分析是电弧温度及电子密度研究较为方便和准确的方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

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