范國峰

電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧紫外檢測方法研究

范國峰

簡要闡述了弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生過程及其危害，并對目前的檢測方法進(jìn)行了對比分析，提出了一種基于弓網(wǎng)電弧紫外特性的檢測方法，并且通過現(xiàn)場實測，驗證了該方法的可行性。

弓網(wǎng)電弧；紫外線檢測；實驗研究

0 引言

隨著我國高速鐵路及城市軌道系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對弓網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行定期檢測、及時掌握其服役性能已成為運營部門關(guān)心的核心問題之一。目前，國內(nèi)外廣泛采用弓網(wǎng)綜合檢測技術(shù)實現(xiàn)對電力列車運行狀態(tài)及弓網(wǎng)受流質(zhì)量的性能評價，為運營線路的安全評估及現(xiàn)場維護(hù)提供技術(shù)支撐。

弓網(wǎng)電弧狀態(tài)作為綜合反映弓網(wǎng)動態(tài)接觸性能的直接體現(xiàn)，已經(jīng)成為弓網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng)關(guān)注的重點。但是，由于電力機(jī)車運行工況極其復(fù)雜，并且具有載荷周期性隨機(jī)變化、列車取流量大、高電壓、高速滑動接觸、外部環(huán)境多變等特點[1，2]，從而對弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)的實時性、抗干擾性能、精確度以及靈敏度要求較高。因此，實現(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的精確檢測，并得到能夠準(zhǔn)確評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量的性能指標(biāo)，對促進(jìn)我國弓網(wǎng)在線檢測技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)一步完善弓網(wǎng)狀態(tài)評價體系具有重要意義。

1 弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象產(chǎn)生過程

電力機(jī)車運行環(huán)境較為復(fù)雜，容易發(fā)生滑板與接觸線之間出現(xiàn)接觸壓力不足甚至機(jī)械脫離的現(xiàn)象，此時便會不可避免地在受電弓滑板與接觸線之間產(chǎn)生明顯的電火花或者電弧放電等現(xiàn)象，對整個弓網(wǎng)系統(tǒng)均會造成極大危害，例如：受電弓滑板及接觸線的異常磨耗、電弧燒蝕嚴(yán)重、弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性差、滑板斷裂等。

根據(jù)文獻(xiàn)[3～6]，并結(jié)合現(xiàn)場運行經(jīng)驗，可以將實際的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象歸納為如下情況：

（1）弓網(wǎng)滑動接觸中產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。由于弓網(wǎng)振動、接觸網(wǎng)彈性的周期性變化以及接觸線的不規(guī)則，會導(dǎo)致弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力出現(xiàn)較大波動，當(dāng)接觸力為零時，還會出現(xiàn)強(qiáng)烈的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象。

（2）受電弓升降操作時產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。在帶負(fù)荷情況下進(jìn)行升降弓操作時，其開斷或接通的電流較大，從而會由于滑板與接觸線之間的高電壓及大電流而產(chǎn)生嚴(yán)重的靜止弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象，此時電弧的能量會在固定的接觸區(qū)域瞬間釋放，可能會造成接觸線或承力索軟化斷線的嚴(yán)重事故，并且會引起金屬類受電弓滑板的局部熔化甚至變形。

（3）受電弓經(jīng)過接觸網(wǎng)特殊結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。當(dāng)受電弓滑板經(jīng)過電分相時，由于該處特殊的電氣連接方式以及人為操作不當(dāng)會產(chǎn)生明顯的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象。另外，當(dāng)受電弓高速通過分段絕緣器、錨段關(guān)節(jié)或過線岔等結(jié)構(gòu)時，可能由于設(shè)備安裝存在的缺陷而引起弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象。

（4）滑板或接觸線有異物時產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。如果當(dāng)接觸線或者受電弓滑板表面有異物覆蓋（主要包括雨雪冰的影響）時，會造成弓網(wǎng)滑動接觸不良，從而引起弓網(wǎng)電火花或電弧的現(xiàn)象，該現(xiàn)象在高速鐵路中表現(xiàn)尤為明顯。

（5）接觸線表面不平順或有明顯硬點時產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。當(dāng)接觸線表面由于長期的磨耗以及安裝缺陷等原因造成接觸線表面不平順或出現(xiàn)明顯硬點（單一質(zhì)量塊、接觸線局部彎折或安裝缺陷等）時，受電弓滑板滑動通過時便會出現(xiàn)較明顯的弓網(wǎng)電火花或電弧現(xiàn)象。

2 紫外型弓網(wǎng)電弧檢測方法

2.1 弓網(wǎng)電弧檢測方法簡述

目前，國內(nèi)外針對弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象的檢測方法大致可以分為間接檢測法和直接檢測法2類，其中間接檢測法主要是以接觸壓力、機(jī)車受流、電壓等弓網(wǎng)參數(shù)間接反映弓網(wǎng)電弧狀態(tài)，而直接檢測法是以弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象的外在特征（光、電磁波、聲波等特征）為主要判斷依據(jù)。

表1列出了上述2類弓網(wǎng)電弧檢測方法所采用的方式及使用條件。

表1 弓網(wǎng)電弧主要檢測方法比較表

由表1可知：

（1）間接檢測法主要通過測量弓網(wǎng)接觸壓力、電流、電壓、阻抗等一系列參數(shù)來反映弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧情況，但由于列車運行周圍環(huán)境較為惡劣、干擾源較多，使得測得的參數(shù)或波形極易受到環(huán)境噪聲的影響，造成檢測精度較差。

（2）直接檢測法測量精度普遍較高、安全性及抗干擾能力強(qiáng)，且不受接觸網(wǎng)懸掛類型、供電形式以及電壓等級等因素的影響，因此利用該類方法進(jìn)行檢測在各領(lǐng)域均具有較強(qiáng)的推廣意義。

2.2 紫外弓網(wǎng)電弧檢測方案

當(dāng)發(fā)生空氣電離放電時，會伴隨有大量電子電離的現(xiàn)象，它們不斷獲得和釋放能量，當(dāng)釋放能量時，會輻射出光波、聲波、少量的臭氧、紫外線和微量化學(xué)元素等。同樣，當(dāng)弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象發(fā)生時，也會輻射出特定譜段的光波信號，且根據(jù)外加電壓及極性材料的不同，光譜特性也會出現(xiàn)較大差異。

在此，以弓網(wǎng)電弧的光譜特性為檢測依據(jù)，采用專用紫外光電傳感器，對電力機(jī)車運行時的弓網(wǎng)電弧狀態(tài)進(jìn)行實時檢測。該檢測方案主要由4個子系統(tǒng)組成，即：弧光采集系統(tǒng)、紫外光電傳感系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及上位機(jī)綜合處理系統(tǒng)。

檢測方案總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案示意圖

每個子模塊的主要功能如下：

（1）弧光采集系統(tǒng)。包括紫外透鏡組以及紫外光纖2部分。其中：紫外透鏡組負(fù)責(zé)采集弓網(wǎng)電弧弧光發(fā)出的光信號，并通過濾光片將光信號中特定波段的紫外光特征信號提取出來，最后將紫外信號耦合至紫外光纖的接收端；紫外光纖負(fù)責(zé)將耦合進(jìn)來的紫外光信號傳輸至后端的光學(xué)傳感器。

（2）紫外光電傳感系統(tǒng)。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對特定波段光信號的準(zhǔn)確響應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過濾波、甄別及整形電路，以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖信號輸出，從而實現(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的檢測。

（3）信號處理平臺。該部分實現(xiàn)傳感器輸出信號的預(yù)處理、脈沖計數(shù)以及外圍功能模塊的擴(kuò)展。其中，預(yù)處理過程可根據(jù)不同情況靈活改進(jìn)信號處理算法，以達(dá)到較高的檢測精度；還可擴(kuò)展人機(jī)交換接口，實現(xiàn)弓網(wǎng)數(shù)據(jù)的綜合顯示及處理。

（4）上位機(jī)綜合處理系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)接收信號處理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并實時顯示及存儲數(shù)據(jù)；還可完成弓網(wǎng)電弧信息與其他弓網(wǎng)參數(shù)的數(shù)據(jù)融合及處理，實現(xiàn)弓網(wǎng)狀態(tài)多參數(shù)綜合檢測功能。

在安裝位置上，紫外透鏡組以及實時監(jiān)控設(shè)備均安裝至電力機(jī)車的車頂，通過調(diào)整安裝角度，使透鏡組及監(jiān)控設(shè)備能夠精確對準(zhǔn)弓網(wǎng)接觸區(qū)域。

3 弓網(wǎng)電弧檢測結(jié)果及分析

根據(jù)上述檢測原理，搭建紫外弓網(wǎng)電弧檢測試驗平臺，并對某試驗區(qū)段（此為地鐵試驗段）以160 km/h為目標(biāo)速度進(jìn)行現(xiàn)場實測，測得的弓網(wǎng)電弧狀態(tài)曲線如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)為檢測時間，縱坐標(biāo)為電弧響應(yīng)脈沖值。

圖2 弓網(wǎng)電弧檢測曲線圖

通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象時，電弧狀態(tài)曲線中會出現(xiàn)尖峰響應(yīng)，并且每次電弧所對應(yīng)的脈沖計數(shù)值及持續(xù)時間均有差異，在所有的尖峰響應(yīng)中，最大脈沖計數(shù)值達(dá)到9 000左右，最小只有400左右。另外，根據(jù)紫外檢測原理可知，脈沖計數(shù)值的幅值大小即反映了該電弧點（區(qū)域）的電弧強(qiáng)度情況；尖峰響應(yīng)所包含采樣點的總個數(shù)可以反映弓網(wǎng)電弧持續(xù)時間這一參數(shù)。

總之，通過對數(shù)據(jù)的處理及統(tǒng)計分析，可以得到該檢測區(qū)間詳細(xì)的弓網(wǎng)電弧參數(shù)，如電弧率、電弧次數(shù)、電弧持續(xù)時間以及電弧強(qiáng)度等。但由于該方法采用傳感器單位脈沖數(shù)響應(yīng)作為衡量電弧強(qiáng)弱的依據(jù)，因此在實際檢測時需要對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行事先標(biāo)定，以獲取合適的標(biāo)定閾值，在此不作詳述。

同時，通過查看相對應(yīng)的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)檢測到的電弧狀態(tài)曲線基本與視頻信息相對應(yīng)。這也進(jìn)一步說明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的實時檢測，并且具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

為了更詳細(xì)反映該區(qū)段的弓網(wǎng)電弧情況，以公里標(biāo)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計列車勻速狀態(tài)下K11～K15每公里內(nèi)的電弧分布情況，并統(tǒng)計不同持續(xù)時間電弧現(xiàn)象的出現(xiàn)次數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖3 電弧現(xiàn)象統(tǒng)計示意圖

通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理，其結(jié)果可較準(zhǔn)確地反映檢測區(qū)段的弓網(wǎng)接觸性能狀況，同時還能以報表的形式供現(xiàn)場技術(shù)人員查看，為線路階段性驗收及技術(shù)維護(hù)提供參考。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)概述了弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象的產(chǎn)生過程及現(xiàn)場實際情況，并以弓網(wǎng)電弧的紫外特性設(shè)計了紫外型弓網(wǎng)電弧檢測方法，它能夠較準(zhǔn)確地檢測出弓網(wǎng)電弧實時狀態(tài)，并且通過綜合分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)弓網(wǎng)動態(tài)接觸性能的有效評估，為弓網(wǎng)系統(tǒng)的驗收及技術(shù)改造提供了必要的數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù)，具有較強(qiáng)的發(fā)展前景與使用推廣價值。

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The paper illustrate the process of arcing between pantograph and catenary and its hazards, compares and analyzes the current inspection methods , pus forward an inspection method based on ultraviolet performance of arcing between pantograph and catenary, and verifies the feasibility of the method by means of site test.

Arcing between pantograph-catenary; ultraviolet inspection; experimental research

U226.8

B

1007-936X(2015)01-0005-03

2014-03-24

范國峰.中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，高級工程師，電話：13901353491。