電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)離線檢測(cè)技術(shù)研究

摘?要：在電氣化鐵路中，弓網(wǎng)離線檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)電力機(jī)車(chē)離線狀態(tài)、找出離線發(fā)生原因的重要技術(shù)，研究弓網(wǎng)離線能夠解決電力機(jī)車(chē)離線事故。本文以弓網(wǎng)離線對(duì)電力機(jī)車(chē)產(chǎn)生的危害為研究對(duì)象，對(duì)電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，以期能夠?yàn)榻鉀Q弓網(wǎng)離線對(duì)電力機(jī)車(chē)所產(chǎn)生的影響提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車(chē);受電弓;離線檢測(cè)技術(shù)

在整個(gè)電力機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中，“離線”是制約電力機(jī)車(chē)提速的關(guān)鍵因素。受電弓一旦離線，供電問(wèn)題會(huì)直接產(chǎn)生，并伴有電弧火花，從而對(duì)沿途的通信線路產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響電力受流裝置的控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。目前，隨著電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度和鐵路運(yùn)輸量的不斷提升，研究弓網(wǎng)離線檢測(cè)技術(shù)成了鐵路局及下屬機(jī)務(wù)段迫切面對(duì)的首要問(wèn)題之一。

一、電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)離線帶來(lái)的危害

電力機(jī)車(chē)所需的電能是通過(guò)列車(chē)車(chē)頂?shù)氖茈姽c接觸線的相對(duì)滑動(dòng)而獲取的，接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的主要供電設(shè)備。通常在低速運(yùn)行狀態(tài)中，受電弓能夠促使電力機(jī)車(chē)正常受流，滑板與接觸線之間的接觸相對(duì)平穩(wěn);但在高速運(yùn)行狀態(tài)中，由于受電弓與接觸線自身具有一定的特性，接觸線的抬升量加大，導(dǎo)致垂直方向上的受電弓與接觸線脫離，導(dǎo)致兩者發(fā)生振動(dòng)，受電弓加快速度，即：“受電弓離線”。一方面，電力機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)生離線，會(huì)引起車(chē)載變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，相當(dāng)于主斷路器的重合閘，當(dāng)離線拉弧過(guò)大時(shí)，會(huì)中斷供電，影響電力機(jī)車(chē)的正常牽引功率，從而對(duì)變壓器的正常工作產(chǎn)生危害;另一方面，在高電壓的作用下，。受電弓與接觸線之間的氣隙會(huì)被擊穿，發(fā)生脫離，從而產(chǎn)生電弧等離子體。此時(shí)，作為列車(chē)取流的通道，電弧被拉大，隨受電弓和接觸線之間的距離增大，但弧柱半徑卻遭到了減小，增大了電弧電阻增大。并且電弧會(huì)吸收大量的能量，導(dǎo)致電弧熄火不能燃燒，從而嚴(yán)重影響著列車(chē)及其電氣設(shè)備以及電力電子器件的正常工作。

弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的原因大致有四個(gè)方面：一在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度很高的情況下，受電弓會(huì)垂直加速度，導(dǎo)致接觸線產(chǎn)生振動(dòng)，受電弓接觸不良，從而造成電弧、弓網(wǎng)離線;二弓網(wǎng)間的接觸壓力會(huì)隨著運(yùn)行速度的不同而產(chǎn)生不同，機(jī)車(chē)的高速運(yùn)行會(huì)很大地磨損受電弓，增加接觸線壓力。而機(jī)車(chē)的慢速度運(yùn)行，可以分離弓網(wǎng)，降低接觸線壓力，從而導(dǎo)致電弧產(chǎn)生灼熱，從而使接觸線燒傷，導(dǎo)致電弓滑板燒傷;三由于接觸網(wǎng)重量較為集中，在分段絕緣器、電連接線夾、接觸線接頭線夾等線夾處，受電弓高速通過(guò)時(shí)，容易造成硬點(diǎn)沖擊，弓網(wǎng)間的接觸力會(huì)發(fā)生變化，引起離線。并且接觸導(dǎo)線的材質(zhì)、工藝等也會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)離線;四從一個(gè)高度過(guò)渡到另一個(gè)高度時(shí)，接觸導(dǎo)線會(huì)形成一定的傾斜度，完成從高到低的變化。一段選擇不當(dāng)，接觸導(dǎo)線會(huì)引起電力機(jī)車(chē)離線問(wèn)題。

弓網(wǎng)離線的危害主要有四個(gè)方面：一電力機(jī)車(chē)高速運(yùn)行的情況下，弓網(wǎng)之間產(chǎn)生的電弧可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)受流時(shí)斷時(shí)續(xù)，導(dǎo)致機(jī)車(chē)運(yùn)行發(fā)生減速、加速等不正常問(wèn)題，甚至?xí)袛嘟佑|網(wǎng)對(duì)機(jī)車(chē)的供電;二在牽引供電系統(tǒng)中，受電弓離線會(huì)導(dǎo)致電壓畸變，產(chǎn)生的電弧會(huì)引起諧振過(guò)電壓，與正常工作電壓相比，擊穿電壓最高可達(dá)幾十倍、幾百倍，從而對(duì)機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行造成很大的威脅，機(jī)車(chē)內(nèi)部份額定電壓不高的電氣設(shè)備被燒毀;三弓網(wǎng)離線時(shí)，受電弓與接觸導(dǎo)線間產(chǎn)生的電弧電阻增大，加大了兩者的磨損，甚至可能燒毀受電弓滑板與接觸導(dǎo)線;四伴隨著高熱量、高能量的釋放，弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電弧會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電噪音干擾，尤其是在無(wú)線電信號(hào)上，弓網(wǎng)離線會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致機(jī)車(chē)不能安全運(yùn)行。

二、電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)

以往，弓網(wǎng)離線檢測(cè)技術(shù)主要采用人工觀察記錄的方法，這種檢測(cè)技術(shù)工作量大、人為因素多，是一種原始的弓網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，一般在機(jī)車(chē)后的掛車(chē)上通過(guò)目測(cè)的方法，對(duì)拉弧、火花等情況進(jìn)行檢測(cè)，誤差比較大。目前，隨著我國(guó)電氣化的不斷發(fā)展，電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代化程度不斷提升，一些先進(jìn)的電子測(cè)量和監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛的推廣，很多鐵路局已經(jīng)具備了用檢測(cè)車(chē)檢測(cè)弓網(wǎng)離線狀態(tài)的能力，極大地滿足了電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)的需要。其主要有以下幾方面技術(shù)：

（一）電阻測(cè)量法

電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)中，電阻測(cè)量法檢測(cè)離線問(wèn)題是利用受電弓和接觸導(dǎo)線間電阻變大的原理，主要包括電阻變大法、電阻—電容法兩種。其中電阻變大法技術(shù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低。通過(guò)“隔離電容—受電弓—接觸網(wǎng)—接觸網(wǎng)對(duì)地分布電容—鋼軌”，弓網(wǎng)接觸時(shí)，電流形成回路，一旦產(chǎn)生“離線”問(wèn)題，弓網(wǎng)之間的阻抗變大，流入檢測(cè)電路環(huán)節(jié)中的電流變小，電路中流入電流，從而檢測(cè)出離線信號(hào)。并且為了減少隔離電容和接觸網(wǎng)對(duì)地分布電容的阻抗，恒流源會(huì)采用高頻信號(hào)。而通過(guò)高壓電容，當(dāng)受電弓與導(dǎo)線接觸時(shí)，會(huì)減小接觸嗲群組，檢測(cè)回路被旁路，接觸網(wǎng)之中會(huì)流入大部分信號(hào)電流。并且沿線分布的電容，經(jīng)過(guò)檢測(cè)車(chē)接觸軸流會(huì)瀉回鋼軌。此時(shí)，流回接觸網(wǎng)離線檢測(cè)裝置會(huì)形成回路。在這兩種情況下，測(cè)量離線信號(hào)可以通過(guò)選頻、解調(diào)、觸發(fā)等環(huán)節(jié)，這是由于離線問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電流產(chǎn)生兩種幅值不同的電壓信號(hào)所造成的;電阻電容法測(cè)量精確度高，是通過(guò)檢測(cè)波形的拜年話來(lái)檢測(cè)離線問(wèn)題，測(cè)量時(shí)，將兩個(gè)電容器和一個(gè)電阻接入受電弓與地面之間。測(cè)量受電弓電壓，可以利用電容器，受電弓電流的測(cè)量可以利用電容器充當(dāng)分壓器。流經(jīng)受電弓的電容充電和放電的電流，當(dāng)受電弓和接觸線良好時(shí)會(huì)改變接觸線電壓;而當(dāng)離線時(shí)，電流會(huì)發(fā)生變化，受電弓與接觸線之間的距離和電壓差;電流間隔會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的脈沖或0電流情況，電壓呈現(xiàn)出階梯狀。

（二）受電弓電流測(cè)量法

電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)中，受電弓電流測(cè)量法主要包括交流電式測(cè)量法、電流循環(huán)式測(cè)量法兩種。其中交流電式測(cè)量法只能對(duì)“大離線”工況進(jìn)行測(cè)量，不能測(cè)定“拉弧、放電、小離線”等問(wèn)題。2000年，日本研究的新干線，運(yùn)用電流沿接觸導(dǎo)線—受電弓—變流器—電動(dòng)機(jī)—鋼軌流動(dòng)的原理，研制出了交流電式離線檢測(cè)裝置。交流電式的理想測(cè)定方法能夠檢測(cè)出電流為0的狀態(tài)，一旦受電弓離開(kāi)接觸導(dǎo)線，流過(guò)受電弓的電流為0。就算電動(dòng)機(jī)車(chē)沒(méi)有發(fā)生離線問(wèn)題，由于交流電大小以0為中心上下振動(dòng)，電流也會(huì)出現(xiàn)0的情況，即：“過(guò)零”。檢測(cè)離線根據(jù)受電弓電流及其微分值2個(gè)均為0的情形，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出離線，這樣在機(jī)車(chē)內(nèi)就可以知道離線率等數(shù)據(jù)。但由于受電弓電流為0，交流電式測(cè)量法在機(jī)車(chē)惰行時(shí)，并不能測(cè)定信號(hào)在什么地方產(chǎn)生離線。并且受電弓電流值的影響，當(dāng)加速放緩時(shí)，滑板并沒(méi)有離開(kāi)接觸導(dǎo)線，會(huì)異常顯示出“離線”;電流循環(huán)式測(cè)量法目前大多被運(yùn)用在我國(guó)JJC1型接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)上，檢測(cè)車(chē)中，由電容器和測(cè)量用受電弓，將振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)送到接觸網(wǎng)上，然后流回地面經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)接地電容。在接觸網(wǎng)電壓頻率較高時(shí)，電容器為低阻抗，反之為低阻抗。并且離線時(shí)，通過(guò)接觸網(wǎng)的高頻率電流會(huì)發(fā)生突變，電容阻抗由低到高發(fā)生變化。

（三）光學(xué)法

電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)中，光學(xué)法主要包括火花測(cè)量法、紫外線測(cè)量法兩種。其中，檢測(cè)任何受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，火花測(cè)量法不用接觸受電弓上高壓部分，在透鏡系統(tǒng)中采用一排光接收器，就可以檢測(cè)實(shí)現(xiàn)離線檢測(cè)。并且將光電二極管放置在透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)處，采用高通濾波器，可以促使這些光接收器獨(dú)立輸出，并將離線產(chǎn)生的電火花轉(zhuǎn)化為電信號(hào)放大，除掉環(huán)境光的影響，然后為了得到輸出的離線信號(hào)，將整流各信號(hào)后疊加在一起。但由于離線很小、弧線很弱，這種檢測(cè)技術(shù)在直流系統(tǒng)或者機(jī)車(chē)滑行時(shí)，不能精確地檢測(cè)出離線問(wèn)題;紫外光測(cè)量法適用于高速運(yùn)行的機(jī)車(chē)，能夠持續(xù)監(jiān)視機(jī)車(chē)運(yùn)行區(qū)間，是通過(guò)測(cè)量受電弓離線時(shí)發(fā)出紫外光，實(shí)現(xiàn)離線檢測(cè)的。在牽引狀態(tài)下，機(jī)車(chē)受電弓離線時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的紫外光，產(chǎn)生電弧。在該系統(tǒng)中，受電弓前的機(jī)車(chē)頂部會(huì)安裝金屬原著體內(nèi)的光電傳感器，該金屬圓柱口只允許通過(guò)波長(zhǎng)175～195nm的紫外光，會(huì)安裝具有透明的石英玻璃。

（四）其他檢測(cè)方法

電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)中，其他檢測(cè)方法還有電磁檢測(cè)法、壓力檢測(cè)法等。其中電磁檢測(cè)法包括場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法和輻射電磁信號(hào)分析法。難度較大的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法是為了換算出每個(gè)跨距內(nèi)的離線率大小，根據(jù)車(chē)速、前進(jìn)距離，試制選擇性極高、抗干擾能力強(qiáng)的接收機(jī);輻射電磁信號(hào)分析法可將脈沖型輻射電磁信號(hào)分離出來(lái)，并利用小波變換進(jìn)行頻譜分析，檢測(cè)離線放電產(chǎn)生的高頻輻射電磁信號(hào)，譜圖變化情況能夠反映放電量的變化，噪聲不易去除，處理方式較為復(fù)雜。壓力檢測(cè)法要求傳感器安裝在弓頭，工作環(huán)境比較惡劣，處于高壓狀態(tài)，當(dāng)弓網(wǎng)接觸壓力趨近與零值或小于零值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致離線。這種檢測(cè)方法對(duì)傳感器要求較高，要求有良好的抗干擾能力和很強(qiáng)的適應(yīng)能力，不容易達(dá)到要求。

三、電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)展望

電力機(jī)車(chē)受電弓離線檢測(cè)技術(shù)對(duì)預(yù)防和減少弓網(wǎng)事故、保證行車(chē)安全具有積極作用，準(zhǔn)確率較高、方便，能夠提升社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但弓網(wǎng)離線檢測(cè)技術(shù)并不能滿足頻繁檢測(cè)和在線檢測(cè)的需要，每年只能安排3～4次。目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)其他方法也進(jìn)行了研究。如：在國(guó)外，為了檢測(cè)離線時(shí)受電弓電流和電壓的變化，采用精度高的檢測(cè)車(chē)檢測(cè)技術(shù)來(lái)完成離線檢測(cè)，。但這種檢測(cè)并不能實(shí)現(xiàn)頻繁檢測(cè)和在線檢測(cè);而采用光學(xué)法雖然可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精確度、安全性也高，但該技術(shù)還不成熟，技術(shù)要求較高。相信在未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，光學(xué)法會(huì)越來(lái)越被人們所采用。

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課題名稱：衡陽(yáng)市科技局—湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)離線電弧檢測(cè)系統(tǒng)的研究（課題編號(hào)：2017KJ232）

作者簡(jiǎn)介：江麗（1982—?），女，瑤族，湖南邵陽(yáng)人，碩士，副教授，研究方向：電路與系統(tǒng)。