肖冰語，段國輝，張文靜

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130113）

受電弓－接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行，很大概率會發(fā)生弓網(wǎng)燃弧，該現(xiàn)象是列車處于運(yùn)行狀態(tài)下，在電弓、接觸網(wǎng)接觸之后，出現(xiàn)不良狀態(tài)最為直接的表現(xiàn)形式，所以弓網(wǎng)燃弧通常被作為了解弓網(wǎng)受流性能的一項重要指標(biāo)，而燃弧檢測結(jié)果精準(zhǔn)性，也作為需要關(guān)注的一項重要問題。很多從業(yè)者針對弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象展開分析，分別立足于該現(xiàn)象的行車機(jī)理、燃弧在滑板與接觸線磨損兩方面產(chǎn)生影響、弓網(wǎng)燃弧仿真、弓網(wǎng)燃弧特性檢測裝置等維度做出分析，面向弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)研發(fā)相應(yīng)的裝置，使弓網(wǎng)燃弧檢測能力顯著提升。弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有相對廣泛的應(yīng)用，在該系統(tǒng)中采用可控紫外光，是系統(tǒng)運(yùn)行的一種優(yōu)化方法，有利于進(jìn)一步提高弓網(wǎng)燃弧檢測水平。因此，本文針對可控紫外光在弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)中的運(yùn)用作出分析，總結(jié)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實際應(yīng)用效果。

1 可控紫外光與弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，地鐵軌道受流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，一般可以通過測量接觸網(wǎng)、受電弓產(chǎn)生的相互動態(tài)，檢測對象包括弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、最長弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時間、和弓網(wǎng)燃弧率等參數(shù)。因為燃弧現(xiàn)象的行車具有偶然性，所以無法保證每次都能精準(zhǔn)捕捉，所以在選擇檢測系統(tǒng)時，要具備實時待命、快速響應(yīng)、完整記錄燃弧信號的功能，例如，圖像采集系統(tǒng)、紫外光感應(yīng)系統(tǒng)比較常見。對比這兩個系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)得出的結(jié)果，很容易受到一些非燃弧現(xiàn)象影響，所以實踐中多采用燃弧特征紫外光頻段敏感性較強(qiáng)的接收裝置，檢測線路弓網(wǎng)燃弧。另外，弓網(wǎng)燃弧閃爍時間非常短，且具有確定性，所以需要準(zhǔn)確辨認(rèn)、判斷所能夠接收的單次燃弧閃爍有效信號與時長數(shù)據(jù)，對比標(biāo)準(zhǔn)燃弧時長后，將其作為有效燃弧記錄。但是，燃弧信號采集裝置、計算機(jī)分析軟件評判模型參數(shù)，用于記錄、預(yù)估與判斷信號存在一定困難?；诖?，選擇可以標(biāo)定矯正燃弧的紫外光信號采集裝置非常重要，且該定標(biāo)系統(tǒng)還需保證機(jī)械穩(wěn)定、軟件參數(shù)精準(zhǔn)，為弓網(wǎng)燃弧檢測裝置設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)等提供技術(shù)方面的支持。

實際上，我國弓網(wǎng)燃弧檢測有關(guān)研究仍然處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，尤其是關(guān)于弓網(wǎng)燃弧測量裝置方面的研究。為了進(jìn)一步提高檢測裝置穩(wěn)定性，面對弓網(wǎng)燃弧檢測裝置標(biāo)準(zhǔn)燃弧定標(biāo)系統(tǒng)，還需要做到精準(zhǔn)標(biāo)定，但是目前現(xiàn)有的弓網(wǎng)燃弧檢測技術(shù)、評判標(biāo)準(zhǔn)等，對比國際標(biāo)準(zhǔn)仍然有一些不足。為此，要想充分發(fā)揮出弓網(wǎng)燃弧檢測裝置在時間特征參數(shù)方面的定標(biāo)功能優(yōu)勢，需要立足弓網(wǎng)燃弧機(jī)理、檢測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在可控紫外光基礎(chǔ)上構(gòu)建弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)。

2 弓網(wǎng)燃弧機(jī)理以及潛在危害

城市軌道交通進(jìn)行電能傳輸，其中非常重要的環(huán)節(jié)之一便是弓網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)受電弓、接觸網(wǎng)處于良好接觸狀態(tài)時，弓網(wǎng)之間通常不會產(chǎn)生比較大的能量流失。但是弓網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生震動，或是接觸線、滑板接觸點存在異常，接觸線、滑板存在異物，將會引發(fā)弓網(wǎng)接觸故障或者是弓網(wǎng)離線現(xiàn)象，增加弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生概率。一旦發(fā)生燃弧現(xiàn)象，必然會導(dǎo)致弓網(wǎng)電氣侵蝕和磨損等問題，甚至發(fā)生牽引電流擾動，加劇設(shè)備損耗，不利于地鐵行車的安全性。弓網(wǎng)電接觸即為受電弓、接觸線發(fā)生接觸，這主要得益于壓力的作用，接觸面不是絕對光滑，以滑動接觸為主。所以立足微觀角度，受電弓、接觸線也非絕對接觸。一旦受電弓、接觸線之間發(fā)生接觸，那么，接觸區(qū)域僅出現(xiàn)部分微小且分散點，此類接觸點便是接觸斑點，將組成導(dǎo)電通路的斑點，視為導(dǎo)電斑點。無論弓網(wǎng)接觸面積如何，實際接觸面非常微小，而且接觸點直接承載弓網(wǎng)施加的所有壓力、弓網(wǎng)摩擦和熱效應(yīng)。上述分析均是在弓網(wǎng)處于相對靜止情況下，當(dāng)弓網(wǎng)系統(tǒng)開始運(yùn)行，那么弓網(wǎng)之間會產(chǎn)生滑動接觸，從而加劇負(fù)面影響。

3 弓網(wǎng)燃弧檢測技術(shù)分析

比較傳統(tǒng)的弓網(wǎng)燃弧檢測為可視光光學(xué)式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置，該裝置很難在白天測量，經(jīng)過改進(jìn)后，可控紫外光可以支持白天檢測，在列車車頂位置安裝紫外光光學(xué)傳感器，對受電弓－接觸網(wǎng)燃弧信號進(jìn)行檢測。接觸網(wǎng)導(dǎo)線、受電弓滑板的原料以銅、碳為主，燃弧形成弧光，通常在紫外光范圍內(nèi)會有強(qiáng)光譜。紫外光傳感器通過金屬光電效應(yīng)、氣體倍增效應(yīng)發(fā)揮作用，同時還需利用紫外光傳感器專用光敏管。光敏管的其中一項優(yōu)勢是185～260nm 窄光譜靈敏度，面對可見光不敏感，對比普通光半導(dǎo)體傳感器，無須用到光學(xué)濾光片，所以在檢測應(yīng)用中效率更高。雖然尺寸參數(shù)小，但是角度靈敏度高，進(jìn)一步提高了弓網(wǎng)燃弧產(chǎn)生微弱紫外光檢測的效率與可靠性。

紫外光傳感器僅面向弓網(wǎng)燃比較小范圍的紫外線敏感，所以其余頻譜光線通常不具有敏感性。要想充分展現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧紫外光傳感器的靈敏性，需要從紫外光傳感器放電次數(shù)著手。如果入射紫外光弱，輸出脈沖數(shù)、入射紫外光光強(qiáng)為正比例關(guān)系，入射紫外光強(qiáng)度增加后，輸出脈沖數(shù)量趨于飽和，且不會繼續(xù)增加。

弓網(wǎng)燃弧測量過程中，包括弓網(wǎng)燃弧光譜所涉及的燃弧功率密度、弓網(wǎng)燃弧測量裝置響應(yīng)兩者之間的聯(lián)系。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，弓網(wǎng)燃弧測量裝置需要檢測到銅物質(zhì)發(fā)出紫外光波長。銅以及銅合金接觸線、受電弓碳物質(zhì)滑板，則需要感知到220～225nm、323～329nm 波段范圍內(nèi)所有的紫外光。弓網(wǎng)燃弧測量裝置在應(yīng)用中，燃弧檢測I 值非常重要，I 值的設(shè)置和弓網(wǎng)燃弧最小燃弧功率有直接關(guān)系，最小燃弧功率不同，其適用范圍也存在差異。160μW/cm2±10%適用范圍是25kV AC，57.1μW/cm2±10%適用范圍是15kV AC，15.1μW/cm2±10%適用范圍是13kV AC，12.5μW/cm2±10%適用范圍是1.5kV AC。

4 可控紫外光基礎(chǔ)上弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)的建構(gòu)

基于可控紫外光的弓網(wǎng)燃弧測量裝置定標(biāo)系統(tǒng)，是由氛燈紫外燈光源、紫外燈光源控制電源、光路控制定時系統(tǒng)、定時系統(tǒng)控制器主要元件組成，輔助元件則包括光學(xué)回路、安裝轉(zhuǎn)接件、標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測器等。當(dāng)弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)起到控制作用，標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測器、弓網(wǎng)燃弧傳感器直接進(jìn)入光路輸出端。此時，光路輸入端位置的標(biāo)準(zhǔn)氛燈紫外光，依次輸入光學(xué)回路、濾光回路、輸出光學(xué)回路之后，隨后便會在標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測器、弓網(wǎng)燃弧傳感器光敏面產(chǎn)生成像。借助光功率計和光譜分析儀等裝置，標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測器轉(zhuǎn)換弓網(wǎng)燃弧檢測裝置接收的光信號，以電信號形式傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、測量軟件，比較常見的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測量軟件有數(shù)據(jù)通信模塊，工作人員按照系統(tǒng)參數(shù)科學(xué)設(shè)置模塊，并對模塊進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)光功率計、光譜分析儀、弓網(wǎng)燃弧測量裝置在運(yùn)行中產(chǎn)生所有數(shù)據(jù)的處理，利用RS232、ETHERNET 接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)中。隨后進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，按照提前確定的工作類型，工作人員可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如光學(xué)回路、定時系統(tǒng)控制器數(shù)據(jù)等。通過控制模塊，可以按照系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊的數(shù)值，為光學(xué)回路與定時系統(tǒng)控制器傳輸指令，按照需求對氛燈紫外燈光源輸出強(qiáng)度、光譜與弓網(wǎng)燃弧次數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊主要功能是明確校準(zhǔn)、標(biāo)定、測量的具體類型，調(diào)取校準(zhǔn)、標(biāo)定與測量模塊后，便可以采集需要數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計算。

5 弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行試驗與效果

5.1 定標(biāo)系統(tǒng)性能試驗

弓網(wǎng)燃弧檢測裝置標(biāo)定系統(tǒng)建構(gòu)完成后，工作人員需要及時組織系統(tǒng)性能試驗，在試驗中了解弓網(wǎng)燃弧檢測裝置運(yùn)行的持續(xù)時間、次數(shù)和間隔時間等關(guān)鍵時間特征參數(shù)，保證裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。

此次性能試驗分為兩組進(jìn)行，第一組試驗對象為時間特征參數(shù)。工作人員優(yōu)化調(diào)整弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)的光學(xué)能量特征性能，并對氛燈光源加以調(diào)整，使功率可以穩(wěn)定輸出，且光學(xué)回路增加濾光片，輸出光譜曲線控制在190～300nm 波段范圍內(nèi)。經(jīng)過上述調(diào)試后，定標(biāo)系統(tǒng)性能試驗期間，光學(xué)輸出便可保證可靠性。開始性能試驗后，設(shè)置系統(tǒng)時間特征參數(shù)如下：（1）設(shè)置最佳弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時間參數(shù)是10ms、20ms、30ms、40ms、50ms、100ms、200ms、300ms；（2）弓網(wǎng)燃弧間隔時間統(tǒng)一設(shè)定為1000ms；（3）弓網(wǎng)燃弧次數(shù)以20 次為準(zhǔn)。工作人員在試驗期間，利用弓網(wǎng)燃弧檢測裝置可以獲取燃弧傳感器輸出電壓，并且按照順序標(biāo)定弓網(wǎng)燃弧檢測裝置。

第二組試驗對象為弓網(wǎng)燃弧檢測裝置分辨率、檢測結(jié)果精準(zhǔn)度。此次試驗需要將輸出信號采集頻率調(diào)整為10000Hz，弓網(wǎng)燃弧檢測裝置內(nèi)置軟硬件也需優(yōu)化。因為電動快門響應(yīng)和電動快門控制器相比，兩者在設(shè)置時間方面存在3～4ms 左右時延，因此，弓網(wǎng)燃弧檢測裝置檢測獲取的弓網(wǎng)燃弧時間平均值，通常設(shè)置時間需要增加3～4ms，考慮時延的部分。針對弓網(wǎng)燃弧檢測裝置的輸出值平均偏差穩(wěn)定度、最大值偏差穩(wěn)定度進(jìn)行計算，確定在可控范圍，且最大標(biāo)準(zhǔn)偏差是3.55ms，由此可確定系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)定后，弓網(wǎng)燃弧檢測裝置可以檢測數(shù)據(jù)具有精準(zhǔn)性與實用性。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

此次定標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)過試驗與實操，獲得比較理想的運(yùn)行效果，主要體現(xiàn)在三方面：第一，系統(tǒng)同時具備弓網(wǎng)燃弧光譜輻射照度與響應(yīng)度、弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時間與次數(shù)等諸多功能，可以實現(xiàn)資源共享，而且無須更多成本，將弓網(wǎng)燃弧測量裝置在校準(zhǔn)、測量、標(biāo)定數(shù)據(jù)精確性方面存在的問題解決；第二，輸入光學(xué)回路包括球面反射鏡、平面反射鏡，由其直接組成了成像系統(tǒng)。按照球面反射鏡、平面反射鏡的順序，在反射后射出入射光束。濾光回路內(nèi)還包括大量波段不濾光片，所有濾光片均可利用片輪控制，切入至光路內(nèi)。系統(tǒng)中的輸出光學(xué)回路包括自動可調(diào)光闌，按照實際輕調(diào)整輸出紫外光光束直徑；第三，通過超低震動光學(xué)定時系統(tǒng)，工作人員便可以動態(tài)調(diào)整時長，一般定時分辨率不超過1ms，時長范圍則控制在1ms～1000s。系統(tǒng)可以選擇額的控制觸發(fā)方法比較多元化，如內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、面板操作等。此外，該系統(tǒng)還具有GPIB、RS232、ETHERNET 接口，工作人員可按照需求進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。實操中弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時間、次數(shù)、間隔時間更加精準(zhǔn)，定時系統(tǒng)最小驅(qū)動脈沖可達(dá)到10ms，而最小底部打開時間和定時器設(shè)置時間相比，前者也可以延長3～4ms。

6 結(jié)語

綜上所述，可控紫外光與弓網(wǎng)燃弧檢測裝置定標(biāo)系統(tǒng)相結(jié)合，是在傳統(tǒng)弓網(wǎng)燃弧檢測裝置基礎(chǔ)上做出的改變與創(chuàng)新。對于城市軌道交通而言，可以解決以往地鐵列車在運(yùn)行中遇到的一些問題，確保列車安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。另外，通過標(biāo)定系統(tǒng)，還可以有效節(jié)約成本，為今后我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展提供助力。