電氣化鐵路弓網(wǎng)分離電弧的分析與處理

電氣化鐵路弓網(wǎng)分離電弧的分析與處理

0弓網(wǎng)離線檢測(cè)在電氣化鐵路上，電氣機(jī)車的運(yùn)行必須通過(guò)接觸頂部的電箭和接觸線來(lái)獲得能。為了保證列車的穩(wěn)定運(yùn)行，必須通過(guò)電纜和接觸網(wǎng)之間的可靠接觸，以確保弓網(wǎng)良好的流量。電弧一旦發(fā)生,將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響,主要表現(xiàn)在:對(duì)沿線通訊線路產(chǎn)生干擾,加劇受電弓滑板和接觸線的磨損,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)袛嘟佑|線對(duì)電力機(jī)車的供電。目前國(guó)內(nèi)對(duì)弓網(wǎng)離線檢測(cè)的方法主要有:電學(xué)檢測(cè)法和光學(xué)檢測(cè)法。電學(xué)檢測(cè)法是根據(jù)離線產(chǎn)生火花,通過(guò)火花電流變化情況來(lái)判斷是否發(fā)生弓網(wǎng)離線,但是當(dāng)機(jī)車在惰性時(shí)即使不離線也會(huì)有高頻火花產(chǎn)生,因此測(cè)量存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。光學(xué)檢測(cè)法是根據(jù)弓網(wǎng)離線發(fā)生電弧時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào),通過(guò)光電轉(zhuǎn)換等一系列處理,測(cè)量其輸出信號(hào),得到電弧信息以及弓網(wǎng)受流質(zhì)量情況。文中是基于光學(xué)檢測(cè)法來(lái)判斷是否發(fā)生弓網(wǎng)電弧,并高精度對(duì)發(fā)生電弧位置定位,提高弓網(wǎng)檢修效率,而且能測(cè)量多個(gè)接觸網(wǎng)參數(shù),為后續(xù)電弧的研究提供依據(jù)。1弓網(wǎng)電弧特性分析為了能夠檢測(cè)弓網(wǎng)電弧,最重要的是提取弓網(wǎng)電弧的特征。弓網(wǎng)電弧的特征主要包括光特征、熱特征及電磁特征。其中,光特征最為明顯。在正常狀態(tài)下氣體具有良好的絕緣性能,但當(dāng)在氣體間隙的兩端施加足夠大的電場(chǎng)時(shí)氣體就會(huì)被電離擊穿從而發(fā)生持續(xù)放電。列車在運(yùn)行中,如果接觸網(wǎng)與受電弓接觸良好的情況下,即受流良好的情況,接觸網(wǎng)與受電弓的電壓相等。但如果發(fā)生弓、網(wǎng)分離,受電弓和接觸網(wǎng)的電壓就不再相等,在分離瞬間,其電壓差就急劇增加,即在弓網(wǎng)之間的氣隙施加了較大的電場(chǎng),氣體就發(fā)生“擊穿現(xiàn)象”而放電,形成流注,并以弧光的形式發(fā)射出能量,產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧,如圖1所示。利用光譜分析儀,可以得到太陽(yáng)光和高壓下的弓網(wǎng)放電產(chǎn)生弧光的光譜特性曲線。由圖2可以看出,太陽(yáng)光波長(zhǎng)分布較寬,主要集中在300~1100nm之間,且輻射強(qiáng)度較大,而弓網(wǎng)電弧光譜分布范圍較為分散,在紫外、可見(jiàn)以及紅外區(qū)域內(nèi)均有分布,其中在紫外光波段(10~400nm)內(nèi)主要集中在:240~260nm,300~330nm,390~400nm.由于240~260nm波段處于太陽(yáng)光日盲區(qū)范圍內(nèi),地球表面含量極少,如果采用該波段紫外光作為電弧檢測(cè)的特征量,便可以有效地排除太陽(yáng)光的干擾,較為準(zhǔn)確全面地檢測(cè)是否有弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象發(fā)生,得到弓網(wǎng)離線相關(guān)參數(shù),提高系統(tǒng)檢測(cè)精度?；谝陨戏治?檢測(cè)弓網(wǎng)電弧的基本思路是:從弓網(wǎng)電弧所發(fā)出的特定紫外光波段(選取250±10nm)出發(fā),通過(guò)特定波段靈敏響應(yīng)的光電傳感器,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào),通過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理,以得到電弧數(shù)目、電弧時(shí)間、電弧率等相關(guān)參數(shù),從而對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。2檢測(cè)系統(tǒng)弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)將特定紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過(guò)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理得到檢測(cè)參數(shù),因此檢測(cè)系統(tǒng)包括光學(xué)成像測(cè)量系統(tǒng)、紫外光電傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。2.1弓網(wǎng)電弧狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在該部分中,需要設(shè)計(jì)特定的光路,捕捉弓網(wǎng)電弧發(fā)出的紫外光子,然后利用UV光纖將光信號(hào)傳送至車內(nèi)的紫外光電傳感器及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng),這樣便可以有效避免紫外光電傳感器中的探測(cè)器受電磁以及熱效應(yīng)影響的問(wèn)題。該部分框架圖如圖3所示,通過(guò)設(shè)計(jì)特定的感光鏡頭,將弓網(wǎng)電弧發(fā)出的特定波段內(nèi)的紫外光耦合至UV光纖的接收端,從而傳送至車內(nèi)的傳感器及信號(hào)處理電路。另外還配置有實(shí)時(shí)錄像設(shè)備,實(shí)時(shí)記錄弓網(wǎng)電弧狀態(tài)視頻信息。要想得到較為準(zhǔn)確的檢測(cè)效果,需要對(duì)光學(xué)采集系統(tǒng)的鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先,為保護(hù)窗口,防止鏡頭受污染,需要在成像系統(tǒng)最外側(cè)加裝1塊石英保護(hù)窗口,將成像鏡頭密封在鏡筒內(nèi)。其次,由檢測(cè)原理知,系統(tǒng)選擇250nm作為電弧采集波長(zhǎng),為避免太陽(yáng)光干擾,提高精度,需加1片窄帶濾光片,該窄帶濾光片滿足:透過(guò)中心波長(zhǎng)250nm,帶寬20nm(250nm±10nm);阻止270~800nm波段光(光電倍增管可響應(yīng)的光譜范圍);中心波長(zhǎng)的透過(guò)率要盡量高。最后,為提高光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率,需要給成像鏡頭及保護(hù)窗口玻璃240~260nm增透膜,鍍膜后光學(xué)元件透過(guò)率可以大于99%.2.2光電增益管轉(zhuǎn)換紫外光電傳感系統(tǒng)的框架圖如圖4所示,是一個(gè)集成光電倍增管(PMT)、信號(hào)處理電路、電源模塊以及光纖適配器組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收由光學(xué)成像測(cè)量系統(tǒng)耦合并由紫外光纖傳輸進(jìn)來(lái)的紫外光,進(jìn)行光纖適配轉(zhuǎn)換裝置,最后將紫外光耦合進(jìn)入光電倍增管模塊內(nèi)部。經(jīng)過(guò)PMT響應(yīng),放大器、比較器、甄別器的作用,輸出信號(hào)為一個(gè)主信號(hào)(即TTL脈沖輸出信號(hào))以及一個(gè)溢出輸出信號(hào)(當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到光電倍增管的接收最大值則該接口產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào))。然后將信號(hào)傳至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理,最后將處理結(jié)果存儲(chǔ)并上傳至PC機(jī),以供后續(xù)分析。由于光電倍增管輸出時(shí),除了有入射光子產(chǎn)生的單個(gè)脈沖外,還存在一系列的噪聲脈沖,如暗電流脈沖、宇宙射線脈沖等,各脈沖示意圖如圖5所示。需要對(duì)噪聲脈沖進(jìn)行排除,提取到有效信號(hào)脈沖,由圖5可知,可以采用區(qū)分每個(gè)脈沖的強(qiáng)度的方法得到有效信號(hào),其工作原理示意圖如圖6所示。2.3弓網(wǎng)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由小信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集及發(fā)送電路兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)功能框如圖7所示。由前部分傳感系統(tǒng)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)處理以及信號(hào)采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,送至上位機(jī),通過(guò)相應(yīng)的算法對(duì)其分析,計(jì)算出電弧率、電弧時(shí)間、電弧能量等一系列弓網(wǎng)評(píng)價(jià)參數(shù),并結(jié)合接觸網(wǎng)檢測(cè)信息,從而精確定位電弧發(fā)生地點(diǎn),并對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),最后形成報(bào)表及測(cè)試報(bào)告。系統(tǒng)軟件框架如圖8所示,軟件界面如圖9所示。其中電弧率是鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量的評(píng)判依據(jù),表達(dá)式為所測(cè)區(qū)段的電弧總時(shí)間與測(cè)量時(shí)間的比值。根據(jù)光學(xué)材料、傳感器特性參數(shù)以及光學(xué)理論等可以得到紫外電弧能量We與所測(cè)電弧信號(hào)的關(guān)系式。式中:T1(λ)、T2、n、s為光學(xué)材料參數(shù);K、α、L、T3為光纖參數(shù);G、T4、R、Sc(λ)為光電傳感器參數(shù);V為測(cè)量電壓參數(shù);k為系統(tǒng)修正系數(shù),后經(jīng)光學(xué)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),k=0.983。3市二宮-江南西和公園前-扣留時(shí)間滯后于列車加速采用該套弓網(wǎng)電弧檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)廣州地鐵二號(hào)線運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè),獲取弓網(wǎng)電弧試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及其他參數(shù)信息。廣州地鐵二號(hào)線采用剛性接觸網(wǎng)供電方式,受電弓采用SBF920彈簧弓,電客車為A型車,列車采用ATO模式運(yùn)行且最大速度為80km/h.經(jīng)該次試驗(yàn)檢測(cè),廣州地鐵二號(hào)線電弧發(fā)生較嚴(yán)重區(qū)段為市二宮-江南西和公園前-海珠廣場(chǎng),以下僅選取這兩段做簡(jiǎn)單分析。圖10和圖11即是市二宮-江南西和公園前-海珠廣場(chǎng)經(jīng)濾波后的檢測(cè)信號(hào)曲線,包括列車速度,受電弓對(duì)地電壓,電流,電弧信號(hào)以及弓網(wǎng)接觸壓力。圖12是市二宮-江南西區(qū)段某次電弧發(fā)生瞬間。由圖10和圖11可以看出,在列車啟動(dòng)加速階段,電流和速度達(dá)到較大的情況下,較為容易產(chǎn)生電弧。此外,電弧的產(chǎn)生會(huì)使電流明顯變化,產(chǎn)生凹陷,而且如果電弧能量較大,電流的變化也較大,這種由電弧所引起的電流的暫態(tài)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的直流分量對(duì)機(jī)車牽引變壓器產(chǎn)生負(fù)面影響,導(dǎo)致機(jī)車受流惡化。因此有必要通過(guò)對(duì)電弧的檢測(cè)以及分析,從而采取有效措施,將電弧率控制在一定的范圍之內(nèi),提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量。4弓網(wǎng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)隨著國(guó)內(nèi)電氣化鐵路的發(fā)展,弓網(wǎng)電弧已經(jīng)成為影響機(jī)車速度繼續(xù)提高的直接因素,需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。該系統(tǒng)可以對(duì)弓網(wǎng)電弧進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),得到電弧時(shí)間,電弧率等測(cè)量參數(shù),從而評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量,可以為弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及技術(shù)改造提供必要的數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù)。但是由于外界環(huán)境