范國(guó)峰

電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧紫外檢測(cè)方法研究

范國(guó)峰

簡(jiǎn)要闡述了弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生過(guò)程及其危害，并對(duì)目前的檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了一種基于弓網(wǎng)電弧紫外特性的檢測(cè)方法，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

弓網(wǎng)電弧；紫外線檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路及城市軌道系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定期檢測(cè)、及時(shí)掌握其服役性能已成為運(yùn)營(yíng)部門關(guān)心的核心問(wèn)題之一。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用弓網(wǎng)綜合檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力列車運(yùn)行狀態(tài)及弓網(wǎng)受流質(zhì)量的性能評(píng)價(jià)，為運(yùn)營(yíng)線路的安全評(píng)估及現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)。但是，由于電力機(jī)車運(yùn)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(dòng)接觸、外部環(huán)境多變等特點(diǎn)[1，2]，從而對(duì)弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性能、精確度以及靈敏度要求較高。因此，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的精確檢測(cè)，并得到能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的性能指標(biāo)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)弓網(wǎng)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)一步完善弓網(wǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)體系具有重要意義。

1 弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)程

電力機(jī)車運(yùn)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(shí)便會(huì)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(duì)整個(gè)弓網(wǎng)系統(tǒng)均會(huì)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(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以將實(shí)際的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象歸納為如下情況：

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

（2）受電弓升降操作時(shí)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(shí)，其開斷或接通的電流較大，從而會(huì)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(shí)電弧的能量會(huì)在固定的接觸區(qū)域瞬間釋放，可能會(huì)造成接觸線或承力索軟化斷線的嚴(yán)重事故，并且會(huì)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(guò)接觸網(wǎng)特殊結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。當(dāng)受電弓滑板經(jīng)過(guò)電分相時(shí)，由于該處特殊的電氣連接方式以及人為操作不當(dāng)會(huì)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(guò)分段絕緣器、錨段關(guān)節(jié)或過(guò)線岔等結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)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(shí)，會(huì)造成弓網(wǎng)滑動(dòng)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(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象。當(dāng)接觸線表面由于長(zhǎng)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(diǎn)（單一質(zhì)量塊、接觸線局部彎折或安裝缺陷等）時(shí)，受電弓滑板滑動(dòng)通過(guò)時(shí)便會(huì)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(cè)方法

2.1 弓網(wǎng)電弧檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象的檢測(cè)方法大致可以分為間接檢測(cè)法和直接檢測(cè)法2類，其中間接檢測(cè)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(cè)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(cè)方法所采用的方式及使用條件。

表1 弓網(wǎng)電弧主要檢測(cè)方法比較表

由表1可知：

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

（2）直接檢測(cè)法測(cè)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(jí)等因素的影響，因此利用該類方法進(jìn)行檢測(cè)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(cè)方案

當(dāng)發(fā)生空氣電離放電時(shí)，會(huì)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(shí)，會(huì)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(shí)，也會(huì)輻射出特定譜段的光波信號(hào)，且根據(jù)外加電壓及極性材料的不同，光譜特性也會(huì)出現(xiàn)較大差異。

在此，以弓網(wǎng)電弧的光譜特性為檢測(cè)依據(jù)，采用專用紫外光電傳感器，對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)電弧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該檢測(cè)方案主要由4個(gè)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(hào)處理系統(tǒng)以及上位機(jī)綜合處理系統(tǒng)。

檢測(cè)方案總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案示意圖

每個(gè)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(hào)，并通過(guò)濾光片將光信號(hào)中特定波段的紫外光特征信號(hào)提取出來(lái)，最后將紫外信號(hào)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(lái)的紫外光信號(hào)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(duì)特定波段光信號(hào)的準(zhǔn)確響應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波、甄別及整形電路，以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的檢測(cè)。

（3）信號(hào)處理平臺(tái)。該部分實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理、脈沖計(jì)數(shù)以及外圍功能模塊的擴(kuò)展。其中，預(yù)處理過(guò)程可根據(jù)不同情況靈活改進(jìn)信號(hào)處理算法，以達(dá)到較高的檢測(cè)精度；還可擴(kuò)展人機(jī)交換接口，實(shí)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(hào)處理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)狀態(tài)多參數(shù)綜合檢測(cè)功能。

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

3 弓網(wǎng)電弧檢測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)上述檢測(cè)原理，搭建紫外弓網(wǎng)電弧檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)某試驗(yàn)區(qū)段（此為地鐵試驗(yàn)段）以160 km/h為目標(biāo)速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)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(cè)時(shí)間，縱坐標(biāo)為電弧響應(yīng)脈沖值。

圖2 弓網(wǎng)電弧檢測(cè)曲線圖

通過(guò)觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象時(shí)，電弧狀態(tài)曲線中會(huì)出現(xiàn)尖峰響應(yīng)，并且每次電弧所對(duì)應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)值及持續(xù)時(shí)間均有差異，在所有的尖峰響應(yīng)中，最大脈沖計(jì)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(cè)原理可知，脈沖計(jì)數(shù)值的幅值大小即反映了該電弧點(diǎn)（區(qū)域）的電弧強(qiáng)度情況；尖峰響應(yīng)所包含采樣點(diǎn)的總個(gè)數(shù)可以反映弓網(wǎng)電弧持續(xù)時(shí)間這一參數(shù)。

總之，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理及統(tǒng)計(jì)分析，可以得到該檢測(cè)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(shí)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(shí)際檢測(cè)時(shí)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，通過(guò)查看相對(duì)應(yīng)的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電弧狀態(tài)曲線基本與視頻信息相對(duì)應(yīng)。這也進(jìn)一步說(shuō)明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)弓網(wǎng)電弧狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，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(jì)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(jì)不同持續(xù)時(shí)間電弧現(xiàn)象的出現(xiàn)次數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 電弧現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)示意圖

通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，其結(jié)果可較準(zhǔn)確地反映檢測(cè)區(qū)段的弓網(wǎng)接觸性能狀況，同時(shí)還能以報(bào)表的形式供現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員查看，為線路階段性驗(yàn)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(guò)程及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并以弓網(wǎng)電弧的紫外特性設(shè)計(jì)了紫外型弓網(wǎng)電弧檢測(cè)方法，它能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)出弓網(wǎng)電弧實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且通過(guò)綜合分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸性能的有效評(píng)估，為弓網(wǎng)系統(tǒng)的驗(yàn)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(jià)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(guó)峰.中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，電話：13901353491。