電力機(jī)車弓網(wǎng)離線檢測技術(shù)研究

摘?要：在電氣化鐵路中，弓網(wǎng)離線檢測技術(shù)是檢測電力機(jī)車離線狀態(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)車離線事故。本文以弓網(wǎng)離線對電力機(jī)車產(chǎn)生的危害為研究對象，對電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，以期能夠為解決弓網(wǎng)離線對電力機(jī)車所產(chǎn)生的影響提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車;受電弓;離線檢測技術(shù)

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

一、電力機(jī)車弓網(wǎng)離線帶來的危害

電力機(jī)車所需的電能是通過列車車頂?shù)氖茈姽c接觸線的相對滑動而獲取的，接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的主要供電設(shè)備。通常在低速運行狀態(tài)中，受電弓能夠促使電力機(jī)車正常受流，滑板與接觸線之間的接觸相對平穩(wěn);但在高速運行狀態(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，受電弓加快速度，即：“受電弓離線”。一方面，電力機(jī)車運行時發(fā)生離線，會引起車載變壓器產(chǎn)生勵磁涌流，相當(dāng)于主斷路器的重合閘，當(dāng)離線拉弧過大時，會中斷供電，影響電力機(jī)車的正常牽引功率，從而對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被擊穿，發(fā)生脫離，從而產(chǎn)生電弧等離子體。此時，作為列車取流的通道，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方面：一在電力機(jī)車運行速度很高的情況下，受電弓會垂直加速度，導(dǎo)致接觸線產(chǎn)生振動，受電弓接觸不良，從而造成電弧、弓網(wǎng)離線;二弓網(wǎng)間的接觸壓力會隨著運行速度的不同而產(chǎn)生不同，機(jī)車的高速運行會很大地磨損受電弓，增加接觸線壓力。而機(jī)車的慢速度運行，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，受電弓高速通過時，容易造成硬點沖擊，弓網(wǎng)間的接觸力會發(fā)生變化，引起離線。并且接觸導(dǎo)線的材質(zhì)、工藝等也會導(dǎo)致弓網(wǎng)離線;四從一個高度過渡到另一個高度時，接觸導(dǎo)線會形成一定的傾斜度，完成從高到低的變化。一段選擇不當(dāng)，接觸導(dǎo)線會引起電力機(jī)車離線問題。

弓網(wǎng)離線的危害主要有四個方面：一電力機(jī)車高速運行的情況下，弓網(wǎng)之間產(chǎn)生的電弧可能會導(dǎo)致機(jī)車受流時斷時續(xù)，導(dǎo)致機(jī)車運行發(fā)生減速、加速等不正常問題，甚至?xí)袛嘟佑|網(wǎng)對機(jī)車的供電;二在牽引供電系統(tǒng)中，受電弓離線會導(dǎo)致電壓畸變，產(chǎn)生的電弧會引起諧振過電壓，與正常工作電壓相比，擊穿電壓最高可達(dá)幾十倍、幾百倍，從而對機(jī)車的安全運行造成很大的威脅，機(jī)車內(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，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)生的電弧會產(chǎn)生無線電噪音干擾，尤其是在無線電信號上，弓網(wǎng)離線會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致機(jī)車不能安全運行。

二、電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)

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

（一）電阻測量法

電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)中，電阻測量法檢測離線問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)簡單、費用低。通過“隔離電容—受電弓—接觸網(wǎng)—接觸網(wǎng)對地分布電容—鋼軌”，弓網(wǎng)接觸時，電流形成回路，一旦產(chǎn)生“離線”問題，弓網(wǎng)之間的阻抗變大，流入檢測電路環(huán)節(jié)中的電流變小，電路中流入電流，從而檢測出離線信號。并且為了減少隔離電容和接觸網(wǎng)對地分布電容的阻抗，恒流源會采用高頻信號。而通過高壓電容，當(dāng)受電弓與導(dǎo)線接觸時，會減小接觸嗲群組，檢測回路被旁路，接觸網(wǎng)之中會流入大部分信號電流。并且沿線分布的電容，經(jīng)過檢測車接觸軸流會瀉回鋼軌。此時，流回接觸網(wǎng)離線檢測裝置會形成回路。在這兩種情況下，測量離線信號可以通過選頻、解調(diào)、觸發(fā)等環(huán)節(jié)，這是由于離線問題會導(dǎo)致信號電流產(chǎn)生兩種幅值不同的電壓信號所造成的;電阻電容法測量精確度高，是通過檢測波形的拜年話來檢測離線問題，測量時，將兩個電容器和一個電阻接入受電弓與地面之間。測量受電弓電壓，可以利用電容器，受電弓電流的測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會改變接觸線電壓;而當(dāng)離線時，電流會發(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）受電弓電流測量法

電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)中，受電弓電流測量法主要包括交流電式測量法、電流循環(huán)式測量法兩種。其中交流電式測量法只能對“大離線”工況進(jìn)行測量，不能測定“拉弧、放電、小離線”等問題。2000年，日本研究的新干線，運用電流沿接觸導(dǎo)線—受電弓—變流器—電動機(jī)—鋼軌流動的原理，研制出了交流電式離線檢測裝置。交流電式的理想測定方法能夠檢測出電流為0的狀態(tài)，一旦受電弓離開接觸導(dǎo)線，流過受電弓的電流為0。就算電動機(jī)車沒有發(fā)生離線問題，由于交流電大小以0為中心上下振動，電流也會出現(xiàn)0的情況，即：“過零”。檢測離線根據(jù)受電弓電流及其微分值2個均為0的情形，可以準(zhǔn)確地檢測出離線，這樣在機(jī)車內(nèi)就可以知道離線率等數(shù)據(jù)。但由于受電弓電流為0，交流電式測量法在機(jī)車惰行時，并不能測定信號在什么地方產(chǎn)生離線。并且受電弓電流值的影響，當(dāng)加速放緩時，滑板并沒有離開接觸導(dǎo)線，會異常顯示出“離線”;電流循環(huán)式測量法目前大多被運用在我國JJC1型接觸網(wǎng)檢測車上，檢測車中，由電容器和測量用受電弓，將振蕩器產(chǎn)生的高頻信號送到接觸網(wǎng)上，然后流回地面經(jīng)過接觸網(wǎng)接地電容。在接觸網(wǎng)電壓頻率較高時，電容器為低阻抗，反之為低阻抗。并且離線時，通過接觸網(wǎng)的高頻率電流會發(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)車受電弓離線檢測技術(shù)中，光學(xué)法主要包括火花測量法、紫外線測量法兩種。其中，檢測任何受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)時，火花測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，就可以檢測實現(xiàn)離線檢測。并且將光電二極管放置在透鏡系統(tǒng)的焦點處，采用高通濾波器，可以促使這些光接收器獨立輸出，并將離線產(chǎn)生的電火花轉(zhuǎn)化為電信號放大，除掉環(huán)境光的影響，然后為了得到輸出的離線信號，將整流各信號后疊加在一起。但由于離線很小、弧線很弱，這種檢測技術(shù)在直流系統(tǒng)或者機(jī)車滑行時，不能精確地檢測出離線問題;紫外光測量法適用于高速運行的機(jī)車，能夠持續(xù)監(jiān)視機(jī)車運行區(qū)間，是通過測量受電弓離線時發(fā)出紫外光，實現(xiàn)離線檢測的。在牽引狀態(tài)下，機(jī)車受電弓離線時會發(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)車頂部會安裝金屬原著體內(nèi)的光電傳感器，該金屬圓柱口只允許通過波長175～195nm的紫外光，會安裝具有透明的石英玻璃。

（四）其他檢測方法

電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)中，其他檢測方法還有電磁檢測法、壓力檢測法等。其中電磁檢測法包括場強(qiáng)測量法和輻射電磁信號分析法。難度較大的場強(qiáng)測量法是為了換算出每個跨距內(nèi)的離線率大小，根據(jù)車速、前進(jìn)距離，試制選擇性極高、抗干擾能力強(qiáng)的接收機(jī);輻射電磁信號分析法可將脈沖型輻射電磁信號分離出來，并利用小波變換進(jìn)行頻譜分析，檢測離線放電產(chǎn)生的高頻輻射電磁信號，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，會導(dǎo)致離線。這種檢測方法對傳感器要求較高，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)車受電弓離線檢測技術(shù)展望

電力機(jī)車受電弓離線檢測技術(shù)對預(yù)防和減少弓網(wǎng)事故、保證行車安全具有積極作用，準(zhǔn)確率較高、方便，能夠提升社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但弓網(wǎng)離線檢測技術(shù)并不能滿足頻繁檢測和在線檢測的需要，每年只能安排3～4次。目前，國內(nèi)外一些學(xué)者對其他方法也進(jìn)行了研究。如：在國外，為了檢測離線時受電弓電流和電壓的變化，采用精度高的檢測車檢測技術(shù)來完成離線檢測，。但這種檢測并不能實現(xiàn)頻繁檢測和在線檢測;而采用光學(xué)法雖然可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，測量精確度、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，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，光學(xué)法會越來越被人們所采用。

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

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