电气化铁路弓网电弧紫外检测方法研究

范国峰

电气化铁路弓网电弧紫外检测方法研究

范国峰

简要阐述了弓网电弧的产生过程及其危害，并对目前的检测方法进行了对比分析，提出了一种基于弓网电弧紫外特性的检测方法，并且通过现场实测，验证了该方法的可行性。

弓网电弧；紫外线检测；实验研究

0 引言

随着我国高速铁路及城市轨道系统的迅速发展，对弓网系统运行状态进行定期检测、及时掌握其服役性能已成为运营部门关心的核心问题之一。目前，国内外广泛采用弓网综合检测技术实现对电力列车运行状态及弓网受流质量的性能评价，为运营线路的安全评估及现场维护提供技术支撑。

弓网电弧状态作为综合反映弓网动态接触性能的直接体现，已经成为弓网状态检测系统关注的重点。但是，由于电力机车运行工况极其复杂，并且具有载荷周期性随机变化、列车取流量大、高电压、高速滑动接触、外部环境多变等特点[1，2]，从而对弓网电弧检测系统的实时性、抗干扰性能、精确度以及灵敏度要求较高。因此，实现弓网电弧状态的精确检测，并得到能够准确评价弓网受流质量的性能指标，对促进我国弓网在线检测技术的发展及进一步完善弓网状态评价体系具有重要意义。

1 弓网电弧现象产生过程

电力机车运行环境较为复杂，容易发生滑板与接触线之间出现接触压力不足甚至机械脱离的现象，此时便会不可避免地在受电弓滑板与接触线之间产生明显的电火花或者电弧放电等现象，对整个弓网系统均会造成极大危害，例如：受电弓滑板及接触线的异常磨耗、电弧烧蚀严重、弓网受流稳定性差、滑板断裂等。

根据文献[3～6]，并结合现场运行经验，可以将实际的弓网电弧现象归纳为如下情况：

（1）弓网滑动接触中产生的电弧现象。由于弓网振动、接触网弹性的周期性变化以及接触线的不规则，会导致弓网动态接触压力出现较大波动，当接触力为零时，还会出现强烈的弓网电弧现象。

（2）受电弓升降操作时产生的电弧现象。在带负荷情况下进行升降弓操作时，其开断或接通的电流较大，从而会由于滑板与接触线之间的高电压及大电流而产生严重的静止弓网电弧现象，此时电弧的能量会在固定的接触区域瞬间释放，可能会造成接触线或承力索软化断线的严重事故，并且会引起金属类受电弓滑板的局部熔化甚至变形。

（3）受电弓经过接触网特殊结构时产生的电弧现象。当受电弓滑板经过电分相时，由于该处特殊的电气连接方式以及人为操作不当会产生明显的弓网电弧现象。另外，当受电弓高速通过分段绝缘器、锚段关节或过线岔等结构时，可能由于设备安装存在的缺陷而引起弓网电弧现象。

（4）滑板或接触线有异物时产生的电弧现象。如果当接触线或者受电弓滑板表面有异物覆盖（主要包括雨雪冰的影响）时，会造成弓网滑动接触不良，从而引起弓网电火花或电弧的现象，该现象在高速铁路中表现尤为明显。

（5）接触线表面不平顺或有明显硬点时产生的电弧现象。当接触线表面由于长期的磨耗以及安装缺陷等原因造成接触线表面不平顺或出现明显硬点（单一质量块、接触线局部弯折或安装缺陷等）时，受电弓滑板滑动通过时便会出现较明显的弓网电火花或电弧现象。

2 紫外型弓网电弧检测方法

2.1 弓网电弧检测方法简述

目前，国内外针对弓网电弧现象的检测方法大致可以分为间接检测法和直接检测法2类，其中间接检测法主要是以接触压力、机车受流、电压等弓网参数间接反映弓网电弧状态，而直接检测法是以弓网电弧现象的外在特征（光、电磁波、声波等特征）为主要判断依据。

表1列出了上述2类弓网电弧检测方法所采用的方式及使用条件。

表1 弓网电弧主要检测方法比较表

由表1可知：

（1）间接检测法主要通过测量弓网接触压力、电流、电压、阻抗等一系列参数来反映弓网系统电弧情况，但由于列车运行周围环境较为恶劣、干扰源较多，使得测得的参数或波形极易受到环境噪声的影响，造成检测精度较差。

（2）直接检测法测量精度普遍较高、安全性及抗干扰能力强，且不受接触网悬挂类型、供电形式以及电压等级等因素的影响，因此利用该类方法进行检测在各领域均具有较强的推广意义。

2.2 紫外弓网电弧检测方案

当发生空气电离放电时，会伴随有大量电子电离的现象，它们不断获得和释放能量，当释放能量时，会辐射出光波、声波、少量的臭氧、紫外线和微量化学元素等。同样，当弓网电弧现象发生时，也会辐射出特定谱段的光波信号，且根据外加电压及极性材料的不同，光谱特性也会出现较大差异。

在此，以弓网电弧的光谱特性为检测依据，采用专用紫外光电传感器，对电力机车运行时的弓网电弧状态进行实时检测。该检测方案主要由4个子系统组成，即：弧光采集系统、紫外光电传感系统、信号处理系统以及上位机综合处理系统。

检测方案总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计方案示意图

每个子模块的主要功能如下：

（1）弧光采集系统。包括紫外透镜组以及紫外光纤2部分。其中：紫外透镜组负责采集弓网电弧弧光发出的光信号，并通过滤光片将光信号中特定波段的紫外光特征信号提取出来，最后将紫外信号耦合至紫外光纤的接收端；紫外光纤负责将耦合进来的紫外光信号传输至后端的光学传感器。

（2）紫外光电传感系统。该模块能够实现对特定波段光信号的准确响应，将光信号转换为电信号，然后经过滤波、甄别及整形电路，以标准数字脉冲信号输出，从而实现弓网电弧状态的检测。

（3）信号处理平台。该部分实现传感器输出信号的预处理、脉冲计数以及外围功能模块的扩展。其中，预处理过程可根据不同情况灵活改进信号处理算法，以达到较高的检测精度；还可扩展人机交换接口，实现弓网数据的综合显示及处理。

（4）上位机综合处理系统。主要负责接收信号处理系统的输出数据，并实时显示及存储数据；还可完成弓网电弧信息与其他弓网参数的数据融合及处理，实现弓网状态多参数综合检测功能。

在安装位置上，紫外透镜组以及实时监控设备均安装至电力机车的车顶，通过调整安装角度，使透镜组及监控设备能够精确对准弓网接触区域。

3 弓网电弧检测结果及分析

根据上述检测原理，搭建紫外弓网电弧检测试验平台，并对某试验区段（此为地铁试验段）以160 km/h为目标速度进行现场实测，测得的弓网电弧状态曲线如图2所示。其中，横坐标为检测时间，纵坐标为电弧响应脉冲值。

图2 弓网电弧检测曲线图

通过观察图2可以发现：当发生弓网电弧现象时，电弧状态曲线中会出现尖峰响应，并且每次电弧所对应的脉冲计数值及持续时间均有差异，在所有的尖峰响应中，最大脉冲计数值达到9 000左右，最小只有400左右。另外，根据紫外检测原理可知，脉冲计数值的幅值大小即反映了该电弧点（区域）的电弧强度情况；尖峰响应所包含采样点的总个数可以反映弓网电弧持续时间这一参数。

总之，通过对数据的处理及统计分析，可以得到该检测区间详细的弓网电弧参数，如电弧率、电弧次数、电弧持续时间以及电弧强度等。但由于该方法采用传感器单位脉冲数响应作为衡量电弧强弱的依据，因此在实际检测时需要对现场环境进行事先标定，以获取合适的标定阈值，在此不作详述。

同时，通过查看相对应的弓网监控视频，发现检测到的电弧状态曲线基本与视频信息相对应。这也进一步说明该方法能够实现弓网电弧状态的实时检测，并且具有较强的准确性和可靠性。

为了更详细反映该区段的弓网电弧情况，以公里标为基准，统计列车匀速状态下K11～K15每公里内的电弧分布情况，并统计不同持续时间电弧现象的出现次数，统计结果见图3。

图3 电弧现象统计示意图

通过对检测数据进行统计整理，其结果可较准确地反映检测区段的弓网接触性能状况，同时还能以报表的形式供现场技术人员查看，为线路阶段性验收及技术维护提供参考。

4 结论

本文系统概述了弓网电弧现象的产生过程及现场实际情况，并以弓网电弧的紫外特性设计了紫外型弓网电弧检测方法，它能够较准确地检测出弓网电弧实时状态，并且通过综合分析统计数据，可以实现弓网动态接触性能的有效评估，为弓网系统的验收及技术改造提供了必要的数据支撑及理论依据，具有较强的发展前景与使用推广价值。

[1] 李娜，张弘，于正平. 受电弓滑板-接触导线摩擦磨损机理与特性分析[J]. 中国铁道科学，1995，17（4）：63-68.

[2] 丁涛. 电气化铁路受电弓/接触线摩擦磨损性能及电特性研究[D]. 成都：西南交通大学博士学位论文，2010.

[3] 闫站伟. 浅析接触线拉弧原因及其预防措施[J]. 郑铁科技通讯，2007，（1）：15-18.

[4] 周自成. 大秦线铜导线断线原因浅析[J]. 电气化铁道，2000，（3）：22-26.

[5] 韩通新. 弓网受流中出现连续电火花的原因分析[J]. 铁道机车车辆，2003，23（3）：58-61.

[6] 吴积钦，钱清泉. 受电弓与接触网系统电接触特性[J].中国铁道科学，2008，29（3）：106-109.

[7] 财团法人 铁道综合技术研究所. 接触网与受电弓特性.中铁电气化局集团有限公司译[M].北京：中国铁道出版社，2010.

The paper illustrate the process of arcing between pantograph and catenary and its hazards, compares and analyzes the current inspection methods , pus forward an inspection method based on ultraviolet performance of arcing between pantograph and catenary, and verifies the feasibility of the method by means of site test.

Arcing between pantograph-catenary; ultraviolet inspection; experimental research

U226.8

B

1007-936X(2015)01-0005-03

2014-03-24

范国峰.中国铁建电气化局集团有限公司，高级工程师，电话：13901353491。