蒲文旭，陳唐龍，劉寶軒，于　龍

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都　610031)

0　引言

在電氣化鐵路中，電力機(jī)車的運(yùn)行需要通過其頂部的受電弓與接觸線的接觸來獲取電能，為確保列車穩(wěn)定運(yùn)行，需要受電弓和接觸網(wǎng)的可靠接觸，保證弓網(wǎng)具有良好的受流質(zhì)量。電弧一旦發(fā)生，將會(huì)帶來嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在：對(duì)沿線通訊線路產(chǎn)生干擾，加劇受電弓滑板和接觸線的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)袛嘟佑|線對(duì)電力機(jī)車的供電[1]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)弓網(wǎng)離線檢測(cè)的方法主要有：電學(xué)檢測(cè)法和光學(xué)檢測(cè)法[2]。電學(xué)檢測(cè)法是根據(jù)離線產(chǎn)生火花，通過火花電流變化情況來判斷是否發(fā)生弓網(wǎng)離線，但是當(dāng)機(jī)車在惰性時(shí)即使不離線也會(huì)有高頻火花產(chǎn)生，因此測(cè)量存在一個(gè)嚴(yán)重問題。光學(xué)檢測(cè)法是根據(jù)弓網(wǎng)離線發(fā)生電弧時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換等一系列處理，測(cè)量其輸出信號(hào)，得到電弧信息以及弓網(wǎng)受流質(zhì)量情況。文中是基于光學(xué)檢測(cè)法來判斷是否發(fā)生弓網(wǎng)電弧，并高精度對(duì)發(fā)生電弧位置定位，提高弓網(wǎng)檢修效率，而且能測(cè)量多個(gè)接觸網(wǎng)參數(shù)，為后續(xù)電弧的研究提供依據(jù)。

1　檢測(cè)原理

為了能夠檢測(cè)弓網(wǎng)電弧，最重要的是提取弓網(wǎng)電弧的特征。弓網(wǎng)電弧的特征主要包括光特征、熱特征及電磁特征。其中，光特征最為明顯。

在正常狀態(tài)下氣體具有良好的絕緣性能，但當(dāng)在氣體間隙的兩端施加足夠大的電場(chǎng)時(shí)氣體就會(huì)被電離擊穿從而發(fā)生持續(xù)放電[3]。列車在運(yùn)行中，如果接觸網(wǎng)與受電弓接觸良好的情況下，即受流良好的情況，接觸網(wǎng)與受電弓的電壓相等。但如果發(fā)生弓、網(wǎng)分離，受電弓和接觸網(wǎng)的電壓就不再相等，在分離瞬間，其電壓差就急劇增加，即在弓網(wǎng)之間的氣隙施加了較大的電場(chǎng)，氣體就發(fā)生“擊穿現(xiàn)象”而放電，形成流注，并以弧光的形式發(fā)射出能量，產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧[4-5]，如圖1所示。

圖1　弓網(wǎng)離線電弧模型

利用光譜分析儀，可以得到太陽(yáng)光和高壓下的弓網(wǎng)放電產(chǎn)生弧光的光譜特性曲線。

圖2　太陽(yáng)光與弓網(wǎng)電弧光譜特性曲線

由圖2可以看出，太陽(yáng)光波長(zhǎng)分布較寬，主要集中在300～1 100 nm之間，且輻射強(qiáng)度較大，而弓網(wǎng)電弧光譜分布范圍較為分散，在紫外、可見以及紅外區(qū)域內(nèi)均有分布，其中在紫外光波段(10～400 nm)內(nèi)主要集中在：240～260 nm，300～330 nm，390～400 nm．由于240～260 nm波段處于太陽(yáng)光日盲區(qū)范圍內(nèi)，地球表面含量極少，如果采用該波段紫外光作為電弧檢測(cè)的特征量，便可以有效地排除太陽(yáng)光的干擾，較為準(zhǔn)確全面地檢測(cè)是否有弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象發(fā)生，得到弓網(wǎng)離線相關(guān)參數(shù)，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。

基于以上分析，檢測(cè)弓網(wǎng)電弧的基本思路是：從弓網(wǎng)電弧所發(fā)出的特定紫外光波段(選取250±10 nm)出發(fā)，通過特定波段靈敏響應(yīng)的光電傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，以得到電弧數(shù)目、電弧時(shí)間、電弧率等相關(guān)參數(shù)，從而對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)將特定紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過測(cè)量及數(shù)據(jù)處理得到檢測(cè)參數(shù)，因此檢測(cè)系統(tǒng)包括光學(xué)成像測(cè)量系統(tǒng)、紫外光電傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。

2．1光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

在該部分中，需要設(shè)計(jì)特定的光路，捕捉弓網(wǎng)電弧發(fā)出的紫外光子，然后利用UV光纖將光信號(hào)傳送至車內(nèi)的紫外光電傳感器及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，這樣便可以有效避免紫外光電傳感器中的探測(cè)器受電磁以及熱效應(yīng)影響的問題。

該部分框架圖如圖3所示，通過設(shè)計(jì)特定的感光鏡頭，將弓網(wǎng)電弧發(fā)出的特定波段內(nèi)的紫外光耦合至UV光纖的接收端，從而傳送至車內(nèi)的傳感器及信號(hào)處理電路。另外還配置有實(shí)時(shí)錄像設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄弓網(wǎng)電弧狀態(tài)視頻信息。

圖3　光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的框架圖

要想得到較為準(zhǔn)確的檢測(cè)效果，需要對(duì)光學(xué)采集系統(tǒng)的鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，為保護(hù)窗口，防止鏡頭受污染，需要在成像系統(tǒng)最外側(cè)加裝1塊石英保護(hù)窗口，將成像鏡頭密封在鏡筒內(nèi)。其次，由檢測(cè)原理知，系統(tǒng)選擇250 nm作為電弧采集波長(zhǎng)，為避免太陽(yáng)光干擾，提高精度，需加1片窄帶濾光片，該窄帶濾光片滿足：透過中心波長(zhǎng)250 nm，帶寬20 nm(250 nm±10 nm)；阻止270～800 nm波段光(光電倍增管可響應(yīng)的光譜范圍)；中心波長(zhǎng)的透過率要盡量高。最后，為提高光學(xué)系統(tǒng)的透過率，需要給成像鏡頭及保護(hù)窗口玻璃240～260 nm增透膜，鍍膜后光學(xué)元件透過率可以大于99%．

2．2紫外光電傳感系統(tǒng)

紫外光電傳感系統(tǒng)的框架圖如圖4所示，是一個(gè)集成光電倍增管(PMT)、信號(hào)處理電路、電源模塊以及光纖適配器組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收由光學(xué)成像測(cè)量系統(tǒng)耦合并由紫外光纖傳輸進(jìn)來的紫外光，進(jìn)行光纖適配轉(zhuǎn)換裝置，最后將紫外光耦合進(jìn)入光電倍增管模塊內(nèi)部。經(jīng)過PMT響應(yīng)，放大器、比較器、甄別器的作用，輸出信號(hào)為一個(gè)主信號(hào)(即TTL脈沖輸出信號(hào))以及一個(gè)溢出輸出信號(hào)(當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到光電倍增管的接收最大值則該接口產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào))。然后將信號(hào)傳至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果存儲(chǔ)并上傳至PC機(jī)，以供后續(xù)分析。

圖4　紫外光電傳感系統(tǒng)框架圖

由于光電倍增管輸出時(shí)，除了有入射光子產(chǎn)生的單個(gè)脈沖外，還存在一系列的噪聲脈沖，如暗電流脈沖、宇宙射線脈沖等，各脈沖示意圖如圖5所示。需要對(duì)噪聲脈沖進(jìn)行排除，提取到有效信號(hào)脈沖，由圖5可知，可以采用區(qū)分每個(gè)脈沖的強(qiáng)度的方法得到有效信號(hào)，其工作原理示意圖如圖6所示。

圖5　輸出脈沖及其區(qū)分

圖6　原理示意圖

2．3數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由小信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集及發(fā)送電路兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)功能框如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)功能框圖

由前部分傳感系統(tǒng)的輸出信號(hào)經(jīng)過處理以及信號(hào)采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，送至上位機(jī)，通過相應(yīng)的算法對(duì)其分析，計(jì)算出電弧率、電弧時(shí)間、電弧能量等一系列弓網(wǎng)評(píng)價(jià)參數(shù)，并結(jié)合接觸網(wǎng)檢測(cè)信息，從而精確定位電弧發(fā)生地點(diǎn)，并對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后形成報(bào)表及測(cè)試報(bào)告。系統(tǒng)軟件框架如圖8所示，軟件界面如圖9所示。

圖8　上位機(jī)系統(tǒng)軟件框架

圖9　軟件界面設(shè)計(jì)

其中電弧率是鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量的評(píng)判依據(jù)[6]，表達(dá)式為所測(cè)區(qū)段的電弧總時(shí)間與測(cè)量時(shí)間的比值[7]。

(1)

根據(jù)光學(xué)材料、傳感器特性參數(shù)以及光學(xué)理論等可以得到紫外電弧能量We與所測(cè)電弧信號(hào)的關(guān)系式。

We=

(2)

式中：T1(λ)、T2、n、s為光學(xué)材料參數(shù)；K、α、L、T3為光纖參數(shù)；G、T4、R、Sc(λ)為光電傳感器參數(shù)；V為測(cè)量電壓參數(shù)；k為系統(tǒng)修正系數(shù)，后經(jīng)光學(xué)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，k=0．983。

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用該套弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)廣州地鐵二號(hào)線運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，獲取弓網(wǎng)電弧試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及其他參數(shù)信息。廣州地鐵二號(hào)線采用剛性接觸網(wǎng)供電方式，受電弓采用SBF920彈簧弓，電客車為A型車，列車采用ATO模式運(yùn)行且最大速度為80 km/h．

經(jīng)該次試驗(yàn)檢測(cè)，廣州地鐵二號(hào)線電弧發(fā)生較嚴(yán)重區(qū)段為市二宮-江南西和公園前-海珠廣場(chǎng)，以下僅選取這兩段做簡(jiǎn)單分析。圖10和圖11即是市二宮-江南西和公園前-海珠廣場(chǎng)經(jīng)濾波后的檢測(cè)信號(hào)曲線，包括列車速度，受電弓對(duì)地電壓，電流，電弧信號(hào)以及弓網(wǎng)接觸壓力。圖12是市二宮-江南西區(qū)段某次電弧發(fā)生瞬間。

圖10　市二宮-江南西檢測(cè)信號(hào)曲線

圖11　公園前-海珠廣場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)曲線

圖12　市二宮-江南西區(qū)段某次電弧發(fā)生瞬間

由圖10和圖11可以看出，在列車啟動(dòng)加速階段，電流和速度達(dá)到較大的情況下，較為容易產(chǎn)生電弧。此外，電弧的產(chǎn)生會(huì)使電流明顯變化，產(chǎn)生凹陷，而且如果電弧能量較大，電流的變化也較大，這種由電弧所引起的電流的暫態(tài)過程會(huì)產(chǎn)生一定的直流分量對(duì)機(jī)車牽引變壓器產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致機(jī)車受流惡化。因此有必要通過對(duì)電弧的檢測(cè)以及分析，從而采取有效措施，將電弧率控制在一定的范圍之內(nèi)，提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)電氣化鐵路的發(fā)展，弓網(wǎng)電弧已經(jīng)成為影響機(jī)車速度繼續(xù)提高的直接因素，需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究[8]。該系統(tǒng)可以對(duì)弓網(wǎng)電弧進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到電弧時(shí)間，電弧率等測(cè)量參數(shù)，從而評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量，可以為弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及技術(shù)改造提供必要的數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù)。但是由于外界環(huán)境較為復(fù)雜，干擾較大和紫外光電傳感器只能在一定范圍內(nèi)呈線性[9]，因此該套系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是否精確還需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，而且目前弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)正在向多傳感器信息融合、網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)以及遠(yuǎn)程診斷的方向發(fā)展[10]，需要先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合診斷，但是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于弓網(wǎng)離線檢測(cè)、提高電氣化鐵路安全提供技術(shù)依據(jù)，為以后的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

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