基于PMT電壓一次積分值的城軌弓網電弧檢測系統

于曉英， 蘇宏升

(1. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國經濟快速發展及城市化建設進程的加快，各大中城市的軌道交通建設規模也在不斷擴大，2018年，國辦發〔2018〕52號[1]中指出，新時期要進一步推動城市軌道交通建設、運營模式創新，增強可持續發展能力，堅守安全發展底線，把安全作為發展城市軌道交通的生命線。作為鐵路最重要的三大關系之一，弓網關系由于直接關系到列車運行的效率及安全而越來越受到業界研究人員的重視，弓網離線率是衡量弓網關系好壞的重要指標之一，而燃弧發生次數及持續時間又可以直接反應弓網離線率[2]。因此，找到適當的方法實現對弓網燃弧定時、定量、定位的實時檢測可以直接得出弓網離線率、衡量弓網關系的好壞，從而為城市軌道交通弓網配合設計、維修維護、絕緣配合設計等工作提供一定的理論依據，增強弓網受流的穩定性，提高城市軌道交通安全系數，推動我國城市軌道交通建設穩步發展。

電弧現象是一個電場、磁場、氣流場、溫度場等多物理場之間相互耦合變化的復雜過程[3]。目前，關于電弧的研究成果主要集中在開關電弧領域[4]。弓網電弧與開關電弧最大的區別在于其發生在開闊的室外環境下，且弓網接觸點隨列車運行高速移動，電弧兩極處于切向高速滑動和法向頻繁振動狀態，受氣流等外界因素的影響較大，加之電弧的發生具有一定的隨機性，因此對弓網電弧的研究具有一定的難度。

2012年，我國正式實施《高速鐵路供電安全檢測監測系統(6C系統)總體技術規范》[5]，6C系統的主要目的是對高速鐵路牽引供電系統進行全方位、全覆蓋的綜合檢測監測，其檢測對象包括弓網電弧[6]。

針對電弧的電磁特征、熱特征、聲特征及力特征先后出現了電學檢測法、熱學檢測法、聲學檢測法以及壓力檢測法等，但均存在誤檢、漏檢率較高的弊端[7]。近年來又出現了光學檢測法，日本和意大利分別以電弧中200～240 nm和175～195 nm波段紫外光作為特征信號檢測弓網電弧[8]，但將檢測系統的光電傳感器部分安裝于車頂，距接觸線較近，會受到嚴重的電磁干擾。西南交通大學馬成[9]基于燃弧能量的數學模型，提出了基于能量的紫外法弓網電弧檢測系統，實現了對弓網電弧的定性檢測。然而，現有的弓網燃弧檢測系統只能檢測出電弧現象，卻不能準確量化燃弧強度。基于此，本文設計了一種基于光電倍增管(Photomultiplier tube,PMT)電壓一次積分值的紫外法城軌弓網電弧檢測系統。該系統能夠收集弧光中處于日盲區的275～285 nm波段紫外光信號，并將其轉換成相應的電信號輸出顯示，通過PMT輸出電信號數值變化來衡量弓網電弧的強弱，同時結合定位及測速數據統計出區段內的燃弧次數、燃弧率、燃弧持續時間、燃弧強度、燃弧位置等信息。在蘭州軌道交通1號線的應用試驗表明:該系統能夠避免外界光線的影響有效檢測出燃弧現象，且不受列車運行方向的影響。

1 紫外法電弧檢測原理

1.1 日盲檢測原理

太陽光中10～400 nm波段被稱為紫外線[10]。其中近紫外(300～400 nm)能夠到達地球表面，而真空紫外(10～200 nm)和中紫外(200～300 nm)在傳輸過程中被大氣中的氧離子及平流層中的臭氧強烈吸收，因此，10～300 nm的紫外波段在近地面幾乎不存在，該波段被稱為“日盲區”[11]。

弓網電弧是接觸線與受電弓滑動接觸時，切線方向高速運動，法線方向相對緩慢運動且位移很小條件下的自由放電現象。電弧發生過程中，弓網接觸材料的電子或離子被激發造成能級躍遷，特定材料的電子或離子由高能級躍遷到低能級過程中，將伴隨特定波長的光產生[12]。電弧光譜中存在300 nm以下、處于日盲區的紫外部分，如果將日盲紫外波段作為電弧檢測的特征量，則可通過系統是否采集到該波段的光判斷是否發生了弓網電弧現象并避免太陽光的影響。由于電弧的光強與其放電電流強度具有很強的正相關性[13]，如果電弧光譜在日盲區存在一個波段隨弧光的強弱同向變化，則該波段可反應電弧放電的強弱。

合理選擇日盲區特征波段作為紫外法弓網電弧檢測的特征量可以大大提高燃弧檢測的精度。電弧的光譜分布具有一定的規律性，實驗室中，利用AVANTES光譜儀獲得電弧光譜分布見圖1。

由圖1可以看出，處于日盲區且輻射強度相對值最高的波段為275～285 nm，該波段的輻射強度相對值在整個電弧光譜中占比穩定，可以反應電弧強度的大小[14]，同時，該檢測波段滿足國際標準IEC 62487—2017[15]中關于燃弧檢測波段范圍的要求。因此，275～285 nm波段可作為特征檢測量反應城軌弓網燃弧的強弱。

1.2 PMT電壓一次積分值檢測原理

本系統采用的光電轉換元件為PMT，PMT能夠將其陰極接收到的紫外光信號轉換為相應的電脈沖信號并通過陽極輸出。PMT由光電陰極、聚焦電極、二次發射倍增極(D1～D8)和陽極四部分構成，其工作原理見圖2。

PMT的陰極K受到紫外光的照射后會發射出光電子，光電子經極間電場加速聚焦，高速轟擊倍增極D。倍增極在高速電子的轟擊下產生二次電子發射，使電子的數目增大若干倍。經過多個倍增極后電子數目急劇增加，最后被陽極收集形成陽極電流。PMT的等效輸出電路見圖3，圖中U為陽極輸出電壓，R和C分別代表等效電阻和等效電容。

由于光信號在空氣中的傳播具有衰減性，電弧釋放的光能量EL與PMT陰極K接收到的光能量ES滿足以下關系[16]

ES=μe-kρLEL

( 1 )

式中:μ為PMT的吸收系數;k為空氣吸收系數;L為信號接收點與弓網電弧發生點之間的距離;ρ為空氣密度。

同時，PMT接收到的電弧紫外光能量滿足下列關系[17]

( 2 )

式中：PS(t)為PMT接收到的電弧光功率；G為電流增益；Sd為光陰極靈敏度；u(t)為PMT陽極輸出電壓；u′(t)為陽極輸出電壓的微分值；τ=RC。

聯立式( 1 )、式( 2 )可得

( 3 )

電弧放電光能量EL與其視在放電量Q之間滿足以下關系[18]

( 4 )

式中：η為電弧發光效率；ui為電弧起始放電電壓峰值。

聯立式( 3 )、式( 4 )可得

( 5 )

( 6 )

由式( 6 )可以看出，電弧發生時，PMT陽極輸出電壓的一次積分值與電弧的放電量呈線性正比關系，因此，本系統通過檢測PMT陽極輸出電壓的一次積分值來衡量電弧放電量大小的方法是合理的。

2 檢測系統整體結構

本文設計的弓網電弧檢測系統主要由三大部分組成，見圖4。包括安裝于車頂的弧光采集系統，安裝于車內控制室的紫外光電轉換模塊及數據處理模塊。

發生電弧時，弧光中僅275～285 nm波段的紫外光信號能夠通過弧光采集系統并成像在其末端的光纖端面上，紫外光纖將該光信號輸送至光電轉換模塊，轉換為電信號后送入數據處理模塊，同時利用定位及測速系統獲取檢測點機車運行的基礎數據，定位電弧發生點，存儲記錄相關電弧數據。

2.1 弧光采集系統

能否最大程度地收集有效光信號并將其傳送至光電傳感器模塊對整個電弧檢測系統至關重要，弧光采集系統設計的關鍵在于：

(1) 能夠收集電弧光中275～285 nm特征波段紫外光信號，同時阻止其他波段光信號進入弧光采集系統。

(2) 能夠將收集到的特征光信號，無損失地傳送至光電轉換模塊進行處理。

考慮到以上要求，設計弧光采集系統結構見圖5。

鏡頭以25°傾角安裝在車頂支座上，且該安裝角度可調。鏡頭前端上方的遮光罩可以有效避免太陽光直射鏡頭。為了確保弧光中275～285 nm波段紫外光能夠順利通過光學鏡頭同時阻止其他波段光的干擾，在鏡頭前端加裝一塊透過中心波長為280 nm、帶寬為10 nm的窄帶濾光片。同時，為了減少玻璃元件表面反射造成光損失，使中心波長的透過率盡量高，在成像鏡頭及保護窗口玻璃表面加275～285 nm增透膜，鍍膜后光學元件的透過率可達99%。

由于機車車頂上需要布置受電弓支架、空調機組等設備，為了保證弧光采集系統具有足夠的安裝空間且視野不被遮擋，綜合考慮后，將該弧光采集系統應安裝于距弓網接觸點水平距離3 m位置處，由于城軌弓網接觸點與車頂間的垂直距離很小，因此，本弧光采集系統的光學參數也按照物距3 m進行設計。

常用的光學成像系統結構有反射式和透射式2種。由于該弧光采集系統安裝于車頂，視場大且口徑小，采集波長范圍較窄，比較后采用透射式結構。設計透射式成像系統結構見圖6。

為了使弧光采集系統能夠將收集到的特征光信號有效地傳送至光電轉換模塊，必須保證物面上任何一個點通過成像系統后都可以形成一個很小的像點，尤其是物面邊緣對應的像點尺寸應小于弧光采集系統末端的光纖端面尺寸2.5 mm，這樣才能使盡可能多的弧光耦合進光纖。根據以上要求，設計該弧光采集系統的光學參數見表1。

表1 弧光采集系統基本光學參數

針對表1的設計參數，在MATLAB中進行仿真，得到物面尺寸為φ400 mm的電弧通過該光學采集系統后的成像點列圖,結果見圖7。

圖7中OBJ 0 mm指的是物面中心所成的像點尺寸，OBJ 200 mm與OBJ-200 mm指的是物面邊緣所成像點尺寸，由圖7可以看出，該光學系統的成像接近衍射極限。物面邊緣所成的像點尺寸大小為±1.242 mm，小于光纖端面的尺寸2.5 mm。因此，按表1參數設計的弧光采集系統可以將電弧完全成像在光纖端面上，進而由光纖傳輸至車內控制室。

2.2 紫外光電轉換模塊

紫外光電轉換模塊的任務是將光纖傳輸來的特征波段紫外光信號轉換為能反應電弧強度的電信號并輸出至下一級，該模塊設計的關鍵在于：

(1) 能夠將光信號轉換為電信號，采用的光電轉換元件對275～285 nm波段光信號敏感且在該波段范圍內響應曲線接近線性。

(2) 由于PMT直接輸出的電信號非常微弱，容易受到工作環境中噪聲信號的干擾，直接作為檢測信號會導致檢測結果不準確，應采取相應措施甄別、提取有效信號。

(3) 模塊應有計數功能，能夠對PMT陽極輸出信號的脈沖數進行計數，從而確定電弧發生的次數。

由前文分析可知，紫外檢測法要求光電轉換元件在檢測波段內具有近似線性的響應曲線，同時考慮到傳感器的量子效率(量子效率是指光電效應中在某特定波長上每秒鐘產生光子數與入射量子數之比)應盡量高，綜合考慮后，選用R9880U-210型PMT。該型號PMT的量子效率在入射光波長分布在275～285 nm時線性度好，同時具有質量輕、機械強度高、陰極靈敏度及增益高等優點。經該型號的PMT輸出的電信號可以線性反應入射紫外光的強弱。

為了解決PMT輸出的電信號微弱、易受干擾的問題，模塊中設計低噪聲前置放大器，將夾雜噪聲的微弱電信號放大。為了濾除環境中低幅度和高幅度脈沖噪聲、提高信噪比，設計比較器和甄別器，通過合理選擇甄別器的第一和第二甄別電平，剔除倍增極系統的熱電子噪聲脈沖和放大器噪聲脈沖等低幅度噪聲脈沖以及正離子和宇宙射線造成的氣體熒光高幅度噪聲脈沖，從而提高檢測結果的信噪比。

為了實現電弧計數，在甄別器之后設計脈沖計數單元，用于記錄甄別器輸出的TTL電平信號。模塊設計總體框圖見圖8。

2.3 數據采集及處理模塊

數據采集及處理模塊完成的主要任務是采集光電傳感器模塊傳輸來的電弧信息，結合列車定位系統、測速系統數據對燃弧信息進行處理。

為了實現數據快速采集，該系統采用基于USB總線的阿爾泰2812數據采集卡，該采集卡可直接與計算機的USB接口相連，插拔方便。數據處理部分采用抗干擾能力強的工業級嵌入式計算機實現。經傳感器模塊處理后的信號被傳送至上位機綜合處理系統，通過相應的算法進行分析，計算燃弧率、燃弧時間、燃弧強度等弓網評價參數，并結合接觸網其他監測信息，精準定位電弧發生地點，最后形成報表及測試報告輸出。系統界面采用易操作的Windows風格，在界面上可以實時播放、顯示原始數據圖像或選擇查看歷史信息。數據處理軟件框圖見圖9。

3 系統應用

該燃弧檢測系統安裝于蘭州軌道交通1號線第13列電動客車，目前已順利裝車使用并隨車進行了多次燃弧檢測試驗，設備運行正常，由蘭州市軌道交通有限公司運營分公司車輛部于2018年2月6日開具了設備運行良好證明。

3.1 全線燃弧率檢測

為了驗證該燃弧檢測系統能夠避開陽光的影響有效地檢測出弓網電弧現象，于2019年上半年某日白天和夜晚在蘭州軌道交通1號線進行了模擬線路開通后運行條件的全線燃弧檢測試驗。試驗條件見表2。

表2 燃弧檢測試驗條件

試驗當天蘭州市日中時間為13：10：47，日落時間為19：20：08。所選擇的白天試驗時間處于當天紫外線最強時段，而夜晚試驗時段完全不會受到太陽光影響。對于檢測系統，若在基本相同的試驗條件下，能夠獲得一致程度較高的試驗結果，則可以證明，檢測系統有較高的可靠性。由于不同時間進行的燃弧檢測試驗，列車速度、環境溫度、氣流影響等均是不可復制的過程，加之燃弧現象本身也具有一定的隨機性，2次檢測結果不可能完全一致，但是只要2次試驗結果的燃弧率檢測結果相似度較高，能夠說明該燃弧檢測系統可以不受列車運行方向及太陽光的影響，有效地檢測出弓網電弧現象。

燃弧率NQ的定義為[19]

( 7 )

式中:ti為被測區段中電弧持續時間超過1 ms的第i個電弧的持續時間(小于1 ms的燃弧放電對弓網的影響可以忽略不計)；tt表示該區段的總測量時間，即列車在該區段的總運行時間。

蘭州軌道交通1號線共24個車站，其中一期20個車站，提取以上2次試驗中一期全線19個區間的燃弧率檢測數據結果見圖10。

從圖10中可以看出，2次試驗中，各區段檢測的燃弧率走勢基本相同。說明該系統無論是在白天還是夜晚均可以有效檢測出燃弧現象且不會受列車運行方向的影響。

3.2 特殊區段燃弧數據分析

從圖10可以看出，2次試驗中，燃弧率最大的區段分別為第4區段——蘭州海關站到馬灘站(海關—馬灘)和第14區段——蘭州大學站到東方紅廣場站(蘭大—廣場)，選取兩區段在以上2次燃弧檢測試驗中的數據結果進行分析。試驗中，列車在兩區段的運行情況及燃弧總體情況見表3。

表3 兩區段列車運行及燃弧情況

2次試驗中，兩區段檢測到的燃弧數據結果分別列于表4、表5，為了方便對比，表5中的燃弧數據按倒序(即與表4電弧發生順序一致)排列。

表4 試驗一(白天、上行)檢測電弧數據結果

表5 試驗二(夜晚、下行)檢測電弧數據結果

通過表4、表5的對比發現，雖然2次試驗在不同時間段執行，列車運行方向、平均速度和最高速度均不同，但發生燃弧的位置基本一致，試驗一中檢測到的燃弧現象都能在試驗二相應位置處找到。由于試驗二中列車的平均速度和最大瞬時速度略高，馬灘-海關區段的燃弧次數、燃弧強度及燃弧持續時間也略高于試驗一檢測結果。而廣場—蘭大區段的燃弧檢測結果與試驗一基本持平。說明本文設計的光學鏡頭即使在一天中紫外線最強的時段，也能有效地檢測出弓網電弧現象，可以有效避免275～285 nm波段以外自然光的干擾。

2次試驗中光子探頭采集到的光子數與PMT陽極輸出的電信號關系見圖11。

4 結論

本文利用弓網電弧光譜中紫外部分的日盲特性，設計并研制了一種基于PMT陽極輸出電壓一次積分值的紫外法城軌弓網電弧檢測系統。其弧光采集系統能夠收集電弧光譜中處于日盲區的275～285 nm波段的紫外光信號并將其傳輸至光電轉換模塊，同時阻止該波段以外的光進入鏡頭。光電轉換模塊將光信號轉換成電信號并經過放大、比較、甄別后輸出計數，結合定位、測速系統的基礎數據，對燃弧信息進行處理并輸出顯示。一天中不同時間段在蘭州軌道交通1號線進行的2次燃弧檢測試驗結果表明，該系統能夠不受自然光線及列車運行方向的影響，有效檢測出弓網燃弧現象并線性反應燃弧的強弱。

雖然本試驗進行時，蘭州軌道交通1號線尚未正式開通運營，但列車已經模擬開通后的運行模式進行了長期的試運行，且2次試驗時，列車在各區間的運行速度、持續時間，車站停靠時間也與正式開通后基本一致。區別只是列車的載重不同，但這并不會影響該系統對燃弧現象的有效檢測。因此即使針對不同區間的燃弧檢測結果與正式運行后會稍有差別，仍然可以在一定程度上反應出其弓網匹配合理性。該系統的設計為今后弓網系統的信息融合、網絡化診斷，提供了一定技術依據，為本領域的進一步研究奠定了基礎。