淺析鐵路牽引供電燃弧檢測(cè)技術(shù)

邢挺

（中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司西寧供電段，青海西寧，810000）

高鐵成為目前最快捷的出行方式，具有安全舒適等優(yōu)勢(shì)在世界各國(guó)快速發(fā)展。日本等國(guó)家加入高鐵競(jìng)爭(zhēng)中，高鐵發(fā)展水平反映群眾提高的物質(zhì)生活水平，我國(guó)高鐵營(yíng)業(yè)里程超過(guò)世界高鐵總里程的2/3，高鐵技術(shù)整合發(fā)揚(yáng)各國(guó)高鐵技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)通了滬昆、鄭徐等 高鐵，代表采用中國(guó)高鐵標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組安全性能處于世界領(lǐng)先地位。動(dòng)車組通過(guò)受電弓獲取電能，受電弓與接觸網(wǎng)相互影響，弓網(wǎng)關(guān)系影響受流性能，我國(guó)高鐵建設(shè)日益完善，目前面臨很多弓網(wǎng)問(wèn)題，動(dòng)車高速運(yùn)行中發(fā)生弓網(wǎng)離線情況，弓網(wǎng)燃弧是劇烈放電現(xiàn)象，伴隨強(qiáng)光、電離輻射等現(xiàn)象，對(duì)受電弓接觸網(wǎng)造成侵蝕。本文針對(duì)新型紫外線傳感器，研究對(duì)不同紫外紅光波長(zhǎng)，不同外界環(huán)境情況下的靈敏度等，提供新的檢測(cè)思路。

1 弓網(wǎng)受流性能檢測(cè)概述

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)通過(guò)牽引變電站與動(dòng)車組傳輸電能，接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車提供電能裝置，受電弓是用于運(yùn)行狀態(tài)中保持接觸網(wǎng)滑動(dòng)摩擦取得電能裝置。架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括回流線、接觸線等，接觸網(wǎng)本質(zhì)是高壓電力輸電線，比一般輸電線具有更高要求，接觸網(wǎng)包含電能傳輸問(wèn)題，在電氣狀態(tài)上有嚴(yán)格的要求，造成接觸網(wǎng)在服役環(huán)境、負(fù)載等方面不同于一般高壓輸電線。

受電弓由受電弓滑板、弓角等部分組成，使用空壓機(jī)提供氣囊壓力調(diào)整受電弓框架愛(ài)伸縮移動(dòng)，滑板是集電部件，由粉末冶金石墨塊組成，受損會(huì)造成氣囊失壓自動(dòng)降弓保證接觸線安全。受電弓-接觸網(wǎng)包含多方面關(guān)系，主要特點(diǎn)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)用，接觸網(wǎng)電流通過(guò)接觸線-牽引電機(jī)，弓網(wǎng)離線燃弧產(chǎn)生[1]。弓網(wǎng)關(guān)系要求保證能量功率傳輸可靠性，動(dòng)車組與電力機(jī)車運(yùn)行中保持良好受流質(zhì)量，減少電磁輻射等對(duì)鐵路周邊環(huán)境的影響。弓網(wǎng)燃弧是復(fù)雜的研究對(duì)象，檢測(cè)中受到氣流場(chǎng)、等離子體等外界因素影響。電弧放電伴隨強(qiáng)電離發(fā)生，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備等產(chǎn)生較大干擾，對(duì)檢測(cè)設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)格要求。

接觸網(wǎng)在不受接觸電弓狀態(tài)下測(cè)量為靜態(tài)檢測(cè)，在接觸網(wǎng)與受電弓正常下進(jìn)行接觸網(wǎng)測(cè)量為動(dòng)態(tài)檢測(cè)，用于檢測(cè)接觸網(wǎng)與受電弓配合下動(dòng)態(tài)參數(shù)。中鐵科研院研發(fā)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，目前在多列綜合檢測(cè)車安裝應(yīng)用，系統(tǒng)檢測(cè)針對(duì)接觸線拉出值等幾何參數(shù)，及離線狀態(tài)、動(dòng)車組側(cè)電流等弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用參數(shù)精確測(cè)量，滿足指導(dǎo)高鐵接觸網(wǎng)聯(lián)調(diào)試施工精調(diào)。接觸網(wǎng)服役中張力是影響受流性能重要指標(biāo)，接觸網(wǎng)架設(shè)初期保證張力，實(shí)際運(yùn)行與動(dòng)車組受電弓固定氣囊壓力配合，弓網(wǎng)壓力過(guò)大對(duì)受電弓造成磨損，損害受電弓造成弓網(wǎng)故障。壓力檢測(cè)是通過(guò)受電弓安裝壓力傳感器，接觸網(wǎng)壓力反映受電弓抬升下受電弓與接觸網(wǎng)接觸狀態(tài)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)壓力范圍對(duì)比，確認(rèn)接觸力不穩(wěn)定位置，嚴(yán)重影響弓網(wǎng)受流性能。

2 燃弧產(chǎn)生機(jī)理

電弧表面是大氣放電現(xiàn)象，檢測(cè)中電弧是包含輻射等影響綜合過(guò)程，大氣中斷開(kāi)電路電流超過(guò)1A，產(chǎn)生劇烈放電現(xiàn)象，電弧中間部分稱為弧柱，燃弧中部產(chǎn)生6000K 以上高溫。電弧放電是常見(jiàn)放電現(xiàn)象，電弧研究中可將其視為多種物質(zhì)處于等離子狀態(tài)，電弧發(fā)光區(qū)域形狀多變具有隨機(jī)性，單位時(shí)間內(nèi)電能傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。電磁場(chǎng)環(huán)境下電弧形態(tài)及電位發(fā)生較大變化，研究電弧變化規(guī)律有助于避免電弧放電現(xiàn)象發(fā)生。

當(dāng)前牽引供電系統(tǒng)動(dòng)車主要依靠手電弓從接觸線獲取電能，弓網(wǎng)關(guān)系影響動(dòng)車安全，接觸網(wǎng)接觸線不平順帶來(lái)震動(dòng)，環(huán)境與列車行駛中擾動(dòng)氣流等因素隨著動(dòng)車提速加劇，導(dǎo)致受電弓碳滑板，縮短使用壽命。規(guī)定持續(xù)時(shí)間大于10ms 電弧不超過(guò)每100m/次，車輛250km/h 運(yùn)行燃弧率不超過(guò)0.2%[2]。燃弧探測(cè)器應(yīng)對(duì)銅類材料輻射出紫外光波長(zhǎng)敏感，銅合金接觸線應(yīng)探測(cè)波長(zhǎng)范圍為220-225nm，測(cè)量系統(tǒng)免疫于波長(zhǎng)大于330nm 的可見(jiàn)光影響。只有燃弧持續(xù)時(shí)間大于規(guī)定才應(yīng)記錄次數(shù)，持續(xù)時(shí)間根據(jù)線路車況要求決定。列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于持續(xù)時(shí)間短電流較小，不會(huì)對(duì)受電弓造成傷害，操作失誤列車主斷路器合閉，列車瞬間通過(guò)接觸線接觸點(diǎn)電流大，熱量集中對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重電燒蝕，影響后續(xù)行車安全。

電氣化鐵路中存在各種放電現(xiàn)象，弓網(wǎng)燃弧與其他放電具有不同特性，檢測(cè)中需要通過(guò)類似特性對(duì)弓網(wǎng)燃弧進(jìn)行預(yù)防，確認(rèn)好燃弧位置有助于弓網(wǎng)維護(hù)。弓網(wǎng)燃弧具有電弧物理特性，弓網(wǎng)燃弧包含電磁場(chǎng)劇烈變化，氣壓帶來(lái)絕緣距離變動(dòng)等復(fù)雜過(guò)程，鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)電壓，接觸線平順性、牽引電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、列車行駛位置風(fēng)速等決定。電弧點(diǎn)位梯度是重要物理特性，弓網(wǎng)燃弧研究把弧柱電位梯度作為基本物理特性，影響因素包括燃弧發(fā)熱特性，觀察到的燃弧是電弧放電特性作用結(jié)果。滅弧是通過(guò)提高燃弧位置熱導(dǎo)加強(qiáng)電弧冷卻效果。電流擊穿導(dǎo)體電離空氣放電導(dǎo)體，不斷輻射出聲光波，燃弧發(fā)生伴隨紫外線產(chǎn)生，產(chǎn)生原因包括金屬導(dǎo)體與空氣電離發(fā)光，電弧光波長(zhǎng)范圍較廣，需要選擇特定波長(zhǎng)范圍檢測(cè)。

燃弧是電能劇烈釋放過(guò)程，在接觸網(wǎng)與受電弓產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致受電弓滑板材料溶化等。導(dǎo)體兩極材料響應(yīng)有表面強(qiáng)度等動(dòng)力學(xué)特性變化，導(dǎo)致裂紋形成擴(kuò)大。材料表面相變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，使得材料表面產(chǎn)生很大溫度梯度，材料表面應(yīng)力集中，碳滑板發(fā)生材料飛濺。金屬材料表面形成金屬熔池。電弧與電極材料作用中，燃弧產(chǎn)生熔化金屬受到洛倫茲力影響，流速超過(guò)一定值形成小滴液噴濺，弓網(wǎng)離線電弧放電造成接觸副表面溫度升高，使碳滑板表面產(chǎn)生灼燒痕跡。加速銅合金接觸線點(diǎn)寢室，對(duì)線路帶來(lái)?yè)p傷。

3 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)中由于接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不同于傳統(tǒng)輪軌關(guān)系，弓網(wǎng)關(guān)系動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)與電氣設(shè)備檢測(cè)等不同，列車運(yùn)行下弓網(wǎng)間動(dòng)態(tài)關(guān)系參數(shù)檢測(cè)在受電弓滑動(dòng)摩擦，伴隨高頻振動(dòng)進(jìn)行，弓網(wǎng)受流系統(tǒng)是不斷變化動(dòng)態(tài)過(guò)程，是多種機(jī)械結(jié)構(gòu)適配，其造成的電氣狀態(tài)變化主要包含以下幾點(diǎn)：第一，受電弓在硬點(diǎn)高差作用下，產(chǎn)生的振動(dòng)影響；第二，在橫向作用力下，列車車體會(huì)出現(xiàn)橫向擺動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致電弓會(huì)出現(xiàn)橫向振動(dòng)問(wèn)題；第三，接觸網(wǎng)在電弓或其他因素干擾下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)沿著接觸線傳播至后方造成干擾；第四，在接觸線與電弓之間因各種原因?qū)е碌闹匦陆佑|和離線都會(huì)給其他方向的設(shè)備帶來(lái)沖擊；第五，電弓與接觸線短時(shí)間斷離會(huì)導(dǎo)致離線燃弧的產(chǎn)生，導(dǎo)致接觸網(wǎng)電力發(fā)生改變。所以，弓網(wǎng)受流是復(fù)雜機(jī)械過(guò)程，檢測(cè)弓網(wǎng)受流性能系統(tǒng)必須適應(yīng)復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境。目前成熟的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)思路是燃弧向外輻射紫外線，傳感器受電路中電壓波動(dòng)，數(shù)值進(jìn)入信號(hào)調(diào)理設(shè)備進(jìn)行操作轉(zhuǎn)化為虛擬信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)線輸入到電腦處理數(shù)據(jù)，弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)系統(tǒng)框架

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)燃弧檢測(cè)描述系列要求，給出銅合金不同于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍220-225nm。紫外探測(cè)器分為廣電導(dǎo)型，光電子發(fā)射型與光伏型。目前應(yīng)用最多的是光電子型光電倍增管，主體材料易得低價(jià)，日常檢測(cè)中存在帶隙小，不同溫度下暗電流變化大，需要對(duì)可見(jiàn)光加濾光片等缺點(diǎn)[3]。由于半導(dǎo)體技術(shù)成熟，設(shè)備制造技術(shù)逐漸成熟。第三代4H 碳化半導(dǎo)體材料進(jìn)入實(shí)用化階段，碳化硅材料制成的傳感器替代原有檢測(cè)領(lǐng)域，4H-Si 制造紫外線探測(cè)器具有日盲特性，常規(guī)光伏型紫外探測(cè)器趨于成熟。4H 碳化硅材料紫外傳感器具有耐高溫，較大機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。

半導(dǎo)體紫傳感器可適用各種環(huán)境檢測(cè)要求，由于傳感器靈敏度受到溫度影響，應(yīng)選擇常溫下敏感的傳感器，選擇敏感度包含波長(zhǎng)220-225nm 的型號(hào)，因車頂位置局限，考慮安裝位置顧及大部分線路，傳感器應(yīng)滿足檢測(cè)范圍正負(fù)30度范圍內(nèi)。傳感器在0°時(shí)定義標(biāo)準(zhǔn)輸出比為1，在±30°輸出比為0.5，安裝時(shí)注意角度。傳感器半導(dǎo)體芯片面積與靈敏度相關(guān)，需要在檢測(cè)時(shí)保證受光面積。

4 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)試驗(yàn)

紫外二極管產(chǎn)生光電流很小，不能使用常用萬(wàn)用表測(cè)量需要放大電路，放大電路是使用廣泛的電子電路，將輸入微弱信號(hào)放大到所需幅度值，實(shí)際放大電流由信號(hào)源構(gòu)成放大器及負(fù)載組成。通過(guò)使用跳線可選擇放大器類型與配置，電壓增益范圍為2-1000 倍數(shù)。電路采用24V 直流電源供電，可使用兩級(jí)放大，實(shí)驗(yàn)中采用兩級(jí)放大方案。受空間位置局限性較小，應(yīng)采取緊湊的設(shè)計(jì)方式。

實(shí)驗(yàn)采用逆變器，輸出端觸頭為銅合金導(dǎo)線，試驗(yàn)中用于直流電轉(zhuǎn)換為交流電，升壓回路通過(guò)電子元器件控制電路開(kāi)放，把直流電壓提升到逆變電路所需電壓，使同等直流電壓轉(zhuǎn)換為50Hz 的交流電壓，可以擊穿間隙的空氣產(chǎn)生足夠大的電弧[4]。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置要求保證現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)，設(shè)備保持接地，傳感器布置在堅(jiān)固平面，信號(hào)處理設(shè)備遠(yuǎn)離電弧發(fā)生裝置。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求按照方案確保現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紫外光源，接通電源確保無(wú)短路情況。確保無(wú)紫外光源干擾下進(jìn)行放電試驗(yàn)，保證現(xiàn)場(chǎng)有其他波長(zhǎng)紫外線。持續(xù)若干秒多次燃弧檢測(cè)，從試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束記錄全程數(shù)據(jù)，試驗(yàn)操作時(shí)人工記錄試驗(yàn)參數(shù)。

首次進(jìn)行若干次單次燃弧檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)符合日光光譜紫外光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)區(qū)別，電壓峰值在1-3V。實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)3ms，1.6ms 達(dá)到峰值，隨后電壓值回落。無(wú)燃弧出現(xiàn)下系統(tǒng)輸出電壓處于穩(wěn)定范圍，放電后回落到之前基準(zhǔn)值。金屬銅觸頭表面發(fā)射電子，紫外傳感器產(chǎn)生較大電流，波形展現(xiàn)出急劇上升[5]。觸頭間隙氣體原子印電子產(chǎn)生電離，紫外傳感器對(duì)散發(fā)紫外線波長(zhǎng)靈敏度較低，電路輸出電壓降低。放電結(jié)束后，傳感器兩端產(chǎn)生暗電流恢復(fù)到之前水平。單位面積接受紫外線與距離光源距離成反比，距離燃弧發(fā)生未知近則電壓值高?？蓮南到y(tǒng)輸出電壓值觀察燃弧產(chǎn)生熄滅過(guò)程，傳感器不受日光干擾，可靈敏辨別固定波長(zhǎng)內(nèi)紫外線，可準(zhǔn)確記錄燃弧時(shí)間。

在若干秒內(nèi)進(jìn)行多次燃弧實(shí)驗(yàn)，傳感器距離燃弧模擬器5m,電壓值持續(xù)若干秒，進(jìn)行5 次試驗(yàn)。首次試驗(yàn)整體持續(xù)時(shí)間15s，手動(dòng)操作放電3 次，燃弧檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓有明顯變化，顯示為相對(duì)集中三塊區(qū)域，每塊區(qū)域中有若干道間隙。第二次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間20s,手動(dòng)操作放電7 次。燃弧檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓有明顯變化，顯示為集中七塊區(qū)域，1-3區(qū)域后有若干道間隙。第三次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間36s,手動(dòng)操作放電13 次，燃弧檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓有明顯變化，顯示為相對(duì)集中14 塊區(qū)域，有4-5，13-14 區(qū)域中有若干道間隙，可能存在部分干擾信號(hào)。設(shè)備采集數(shù)據(jù)可能存在干擾信號(hào)，需要分析處理。燃弧檢測(cè)系統(tǒng)記錄每次模擬燃弧產(chǎn)生結(jié)束，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出燃弧次數(shù)，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差可能與手動(dòng)操作有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高鐵飛速發(fā)展，對(duì)行車安全要求不斷提高。接觸網(wǎng)檢測(cè)是確保行車安全的重要預(yù)防手段，本文總結(jié)各國(guó)先進(jìn)檢測(cè)方案，提出燃弧檢測(cè)改進(jìn)意見(jiàn)。首先介紹電接觸理論，分析弓網(wǎng)燃弧產(chǎn)生原因，通過(guò)對(duì)弓網(wǎng)燃弧散發(fā)紫外線波長(zhǎng)研究，分析各種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)，選擇對(duì)波長(zhǎng)220-290nm 敏感傳感器，根據(jù)傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)電路，制作簡(jiǎn)易弓網(wǎng)燃弧模擬設(shè)備，選擇德國(guó)IMC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用MATLAB 為數(shù)據(jù)處理軟件驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)可行性。當(dāng)前高鐵大發(fā)展情況下弓網(wǎng)燃弧不可避免，不斷完善檢測(cè)方案，可以監(jiān)控弓網(wǎng)燃弧產(chǎn)生原因，確保接觸網(wǎng)使用的壽命。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)是檢測(cè)弓網(wǎng)受流性能的工具，期待有更好的方法減少弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生。