基于弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)的電弧電流分析*

劉寶軒, 陳唐龍, 蒲文旭, 于 龍, 馮 超, 朱志增

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著電力機(jī)車運行速度的不斷提高，接觸網(wǎng)振動、軌道不平順等因素造成受電弓和接觸網(wǎng)發(fā)生不良接觸，甚至機(jī)械性瞬時脫離，從而引起弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生[1]。弓網(wǎng)電弧的發(fā)生會影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量，造成弓網(wǎng)電氣磨耗加劇和電磁干擾。弓網(wǎng)電弧的頻繁發(fā)生，制約了機(jī)車速度的提升[2]。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317—2002[3]中明確規(guī)定：接觸壓力或者電弧率是檢驗電氣化鐵路受流系統(tǒng)運行可靠性和運行質(zhì)量的依據(jù)。

目前，我國對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評價大多采用傳統(tǒng)的接觸式檢測方法，即通過在受電弓上放置傳感器測試弓網(wǎng)接觸壓力，但在檢測過程中，機(jī)車—軌道耦合振動對弓網(wǎng)動態(tài)相互作用關(guān)系的影響加劇[4]，在受電弓垂直方向上產(chǎn)生較大的加速度，導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大誤差。基于紫外(UV)光電檢測原理，對弓網(wǎng)電弧發(fā)生時特有的(250±10) nm波段的UV進(jìn)行非接觸式檢測能夠?qū)﹄娀〈螖?shù)、電弧持續(xù)時間總和、最長電弧持續(xù)時間以及電弧率進(jìn)行精確測量。與此同時實時,采集機(jī)車電流、速度、接觸壓力以及公里標(biāo)等信息，對電弧發(fā)生的區(qū)域精確定位，為接觸網(wǎng)的維護(hù)和安全運營提供了理論依據(jù)。在對牽引電流分析過程中，采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)方法篩除待分析電流趨勢信號，對處理后的信號進(jìn)行分析，排除了電流趨勢對分析結(jié)果造成的影響，具有實際意義。

1 弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)

電力機(jī)車正常狀態(tài)下弓網(wǎng)良好接觸，弓網(wǎng)電位相等，弓網(wǎng)離線情況下，接觸線和受電弓之間電壓為供電電壓和車載變壓器原邊電壓矢量和，當(dāng)弓網(wǎng)間隙較小，弓網(wǎng)間隙的場強(qiáng)較大時，間隙氣體被擊穿從而引起氣體放電，產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧[2]。弓網(wǎng)電弧發(fā)生過程中，弓網(wǎng)接觸材料的電子或離子被激發(fā)造成能級躍遷，當(dāng)特定材料的電子或離子由高能級躍遷到低能級過程中，將伴隨著特定波長的光產(chǎn)生[5]。根據(jù)我國電氣化鐵路弓網(wǎng)放電和太陽光譜特性[6]，如圖1所示，可以看出電弧發(fā)生伴隨著(250±10) nm波段的UV，而該波段UV在太陽光譜中幾乎不存在，因此，將電弧發(fā)生時刻放電特征量(250±10) nm波段的UV作為在線檢測目標(biāo)可以較大程度地排除太陽光的影響，增加檢測設(shè)備的準(zhǔn)確性與抗干擾性。

圖1 太陽與弓網(wǎng)電弧光譜特性曲線

1.1 檢測裝置系統(tǒng)組成與原理

本項目研制一種非接觸式弓網(wǎng)電弧檢測裝置，用于運營機(jī)車弓網(wǎng)電弧測量。該系統(tǒng)主要分為3個部分：光學(xué)成像測量系統(tǒng)、UV光電傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)光學(xué)采集傳輸系統(tǒng)

弓網(wǎng)電弧發(fā)生時，特征波段UV經(jīng)過透鏡組進(jìn)入光學(xué)采集系統(tǒng)，光信號經(jīng)過UV光纖傳送至車內(nèi)的UV光電傳感系統(tǒng)。同時,在車頂安裝有實時錄像裝置，可以將弓網(wǎng)狀態(tài)記錄并存儲。

2)UV光電傳感系統(tǒng)

UV光電傳感系統(tǒng)由光纖適配器、光電倍增管(PMT)、信號處理電路、電源模塊組成，如圖3所示。由UV光纖傳輸進(jìn)來的UV，經(jīng)光纖適配器轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PMT內(nèi)部，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出一個電流模擬信號。該模擬信號經(jīng)放大器、比較器、甄別器的作用，輸出一個脈沖信號，最后該脈沖信號傳至信號處理模塊。

圖3 UV光電傳感系統(tǒng)

3)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)主要由小信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換與發(fā)送電路兩部分構(gòu)成，如圖4所示。該部分主要作用是將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊

1.2 檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件

弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)主要由弓網(wǎng)電弧檢測裝置、速度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等組成。由弓網(wǎng)電弧檢測裝置發(fā)送到上位機(jī)的采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法運算得出電弧率、電弧時間、最大持續(xù)時間、電弧次數(shù)等，與此同時結(jié)合其他參數(shù)(公里標(biāo)、速度、受流大小、弓網(wǎng)壓力等)信息。以曲線、報表的形式進(jìn)行顯示、存儲，并將所得參數(shù)與檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，得出檢測區(qū)段弓網(wǎng)受流性能的評價結(jié)論。上位機(jī)軟件框架如圖5所示。

圖5 軟件框架

2 廣州地鐵二號線檢測數(shù)據(jù)分析

廣州地鐵二號線采用的是剛性接觸網(wǎng)供電方式，供電電壓為直流1 500 V，電客車為A型車，最大運行速度為100 km/h，ATO模式運行最大速度為80 km/h，試驗中采用SBF920型彈簧弓。利用非接觸式弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)對廣州地鐵二號線弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象進(jìn)行了在線檢測，進(jìn)行了不同的線路、不同速度模式下的測量試驗。根據(jù)數(shù)據(jù)檢測結(jié)果,對線路弓網(wǎng)綜合運行質(zhì)量進(jìn)行了評估，為線路維護(hù)與改造提供了理論參考。

2.1 弓網(wǎng)電弧指標(biāo)統(tǒng)計

根據(jù)歐標(biāo)EN 50317[3]要求，需測量統(tǒng)計的電弧指標(biāo)包括電弧次數(shù)、所有電弧持續(xù)時間總和、最長的電弧持續(xù)時間和電弧率等。其中，電弧率是反應(yīng)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的有效指標(biāo)之一，電弧率NQ[8]定義式(1)如下

(1)

式中ti為所測區(qū)段的第i個持續(xù)時間大于1 ms電弧的持續(xù)時間,ms，0≤i≤I；ttotal為所測區(qū)段總測量時間,ms。

廣州地鐵二號線各區(qū)段弓網(wǎng)電弧檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示，其中區(qū)間1～23分別表示各檢測區(qū)段。

表1 二號線各區(qū)段電弧參數(shù)統(tǒng)計表

由表1顯示，廣州地鐵二號線市二宮—江南西區(qū)段電弧總持續(xù)時間最長，電弧率最高，表明該區(qū)段弓網(wǎng)受流質(zhì)量較差，應(yīng)重點檢查維護(hù)。該區(qū)段檢測到的電弧信號、速度和弓網(wǎng)電流綜合分析圖，如6(a)所示，某電弧發(fā)生區(qū)段電弧信號與電流波形如6(b)所示(信號采樣頻率f為7 176 Hz)。

圖6 檢測信號波形

在地鐵運行過程中牽引電流波動較大，這主要由于地鐵采用1 500 V直流供電，電壓較低，而列車所需功率大，當(dāng)列車處于牽引加速階段時，機(jī)車取流值會迅速升高，而當(dāng)列車達(dá)到目標(biāo)速度時，便隨即惰行，取流值迅速降低。

根據(jù)圖6(a)可知,電弧集中分布在ATO加速到最大速度的區(qū)段，即距離市二宮出發(fā)后0.2～0.3 km左右，因此，定位該區(qū)域并加強(qiáng)日常維護(hù)有重要意義；如圖6(b)將電弧信號與對應(yīng)的電流波形放大后可知，電弧的發(fā)生會造成電流幅值瞬時下降，而后迅速抬升并超過原有電流幅值，最后恢復(fù)正常,且電弧信號幅值越大、持續(xù)時間越長,該現(xiàn)象越明顯；另外，電弧的發(fā)生條件受速度和機(jī)車取流大小共同影響，即電弧的發(fā)生需要較大電流和較高速度條件，但速度不是電弧發(fā)生的決定因素，如勻速運行區(qū)段速度到達(dá)最大值，此時的電弧率并不是很高。

2.2 牽引電流數(shù)據(jù)處理分析

弓網(wǎng)電弧的發(fā)生造成牽引電流的畸變，影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。由圖6(a),(b)可知，電弧的發(fā)生與否對牽引電流的整體變化趨勢沒有任何影響，電弧的發(fā)生只對電流信號有瞬時影響，所以，當(dāng)分析電弧電流特性時，應(yīng)排除電流整體變化趨勢的因素對分析結(jié)果造成的影響。因此，首先利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法，提取待分析電流信號的趨勢信號，然后對篩除趨勢信號的電流進(jìn)行相關(guān)分析處理，事實證明，該方法具有很好的可行性和適用性。

2.2.1 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與趨勢信號

經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馐怯蒆uang N E提出來的一種全新的處理非平穩(wěn)、非線性信號的處理方法[7]。它通過對信號的“篩選”將信號分解成不同頻率的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，本征模態(tài)函數(shù)的極值與過零點數(shù)目相等或差一，且本征模態(tài)函數(shù)的上下包絡(luò)線的均值為0。將一個已知信號X(t)進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解,結(jié)果如式(2)所示

(2)

式中Cn+1=rn。它的含義是：一個復(fù)雜的非平穩(wěn)序列X(t)經(jīng)過逐級篩選過程后，可分解為n個本征模態(tài)函數(shù)分量C1,…,Cn,以及一個分解余項rn。第一個本征模函數(shù)分量IMF1中包含原信號中時間尺度最小(頻率最高)成分，隨著階數(shù)的增加對應(yīng)頻率逐次降低，因此，余項rn所包含的頻率成分最低，因此rn即為信號的趨勢項[7]。將圖6(b)中電弧電流信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后得到的電流趨勢信號如圖7(b)所示。

2.2.2 篩除趨勢信號的電流信號分析

取一定時間長度電弧發(fā)生區(qū)段電流信號和相同時間長度相鄰正常電流信號，分別對其進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，然后篩除趨勢信號。如圖8所示，其中，圖8(a)，(b)分別為電弧電流信號和正常電流信號，圖8(c)，(d)為其各自篩除趨勢信號后的處理波形。

圖8 電流及其篩選后波形

根據(jù)圖8(c)，(d)可知，正常電流也有不同幅度值的不規(guī)則擾動，但相比電弧發(fā)生區(qū)間其擾動幅值要小的多。分別對圖8(c)，(d)進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖9所示。圖中虛線為電弧電流分析結(jié)果，實線為正常電流分析結(jié)果。從圖9可以看出，電弧發(fā)生較正常運行情況下，電流成分中0～50 Hz諧波幅值明顯增加，而50 Hz以上幾乎沒有變化,可認(rèn)為沒有影響。

圖9 FFT分析結(jié)果

3 結(jié)束語

1)電弧的發(fā)生受速度和機(jī)車取流大小共同影響，即電弧的發(fā)生需要較大電流和較高速度條件。

2)電弧造成牽引電流畸變，電弧發(fā)生時刻電流幅值瞬時下降，而后迅速抬升并超過原有電流幅值，最后恢復(fù)正常,且電弧信號幅值越大、持續(xù)時間越長該現(xiàn)象越明顯。

3) 電弧的發(fā)生導(dǎo)致牽引電流中0～50 Hz頻段諧波幅值明顯增加。

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