高速鐵路接觸網檢測技術研究

[摘 要]高速鐵路是現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾M成部分，其安全可靠程度直接影響著社會經濟的正常運行和人們的出行體驗。接觸網是高速鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，其狀態(tài)與性能直接關系到列車的平穩(wěn)運行。文章介紹了高速鐵路接觸網常見故障，闡述了高速鐵路接觸網檢測的必要性，分析了高速鐵路接觸網檢測技術及其應用，以供參考。

[關鍵詞]高速鐵路；接觸網；檢測技術

[中圖分類號]U226.8 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0153–03

Research on Detection Technology of High Speed Railway Contact Network

SUN Changqian

[Abstract]High-speed railway is an important part of modern transportation， and its safety and reliability directly affect the normal operation of social economy and people’s travel experience. Catenary is an important part of the power supply system of high-speed railway， and its state and performance are directly related to the smooth running of trains. This paper introduces the common faults of high speed railway contact line， expounds the necessity of high speed railway contact line detection， analyzes the detection technology and application of high speed railway contact line for reference.

[Keywords]high-speed railway； contact network； testing technology

1 高速鐵路接觸網概述

接觸網是高速鐵路供電與輸電的關鍵部件，由導線、絕緣子、支柱等組成。其中，導線是電能傳輸?shù)闹饕橘|，通過其把電能從電源傳輸?shù)交疖嚿?；絕緣子可以將電源與地面隔離開來，防止漏電、短路；支柱起到支撐、固定導線的作用，以保證高速列車運行時的穩(wěn)定性。另外，接觸網中還包含有地線、張力裝置、避雷器等輔助設備，其相互配合，以確保接觸網安全高效地運行。電能先由發(fā)電廠經輸電線送至接觸網，再經導線送至列車。弓網是列車受電弓的核心部件，其主要作用是收集接觸網的電能，并將電能傳輸至車內的電力系統(tǒng)，驅動馬達，實現(xiàn)高速運動，在此過程中，接觸網的穩(wěn)定與可靠顯得尤為重要。接觸網與列車受電弓之間不僅存在電能傳輸?shù)年P系，而且還涉及電磁兼容和機械穩(wěn)定等問題。為減小電磁干擾，接觸網一般采用屏蔽措施，并將不同頻率電磁波對列車設備的影響納入設計之中。機械穩(wěn)定性方面，要求接觸網的張力和高度可以準確控制，以確保弓網在不同氣象條件下的穩(wěn)定運行。

2 高速鐵路接觸網常見故障

2.1 接觸線斷裂

接觸線擔負著傳輸電流的任務，起著至關重要的作用。當接觸線發(fā)生故障時，將直接造成供電中斷，從而影響高速鐵路的正常運營。斷裂的原因有很多，既有長期機械應力引起的疲勞斷裂，也有外部環(huán)境的腐蝕、氧化造成的的斷裂。另外，當受到外界的撞擊和摩擦時，如高速行駛時與其他物體的碰撞、摩擦等，也有可能導致接觸線的斷裂。接觸線的斷裂不僅導致停電，而且可能引發(fā)電火花，引發(fā)二次災害。

2.2 絕緣子破損

絕緣子起著隔離電流、提供電絕緣及支撐導線的作用。絕緣子破斷常以表面開裂、剝落及破裂為特征。絕緣子損壞的原因很多：①環(huán)境因素。如長時間暴露于高濕度、酸雨、鹽霧等惡劣天氣中，絕緣子材料會逐漸老化、退化。②機械應力的影響。如絕緣子的安裝及使用過程中所受的外力，如振動、撞擊等，都會造成絕緣子的結構損傷。③電應力對絕緣子內部結構的腐蝕。絕緣子破損將導致絕緣性能下降，發(fā)生電氣故障，嚴重時還會引起電弧短路等嚴重事故。

2.3 支架變形或損壞

在高速鐵路接觸網中，支架是支撐并固定導線的關鍵構件，其結構完整性對整個接觸網的穩(wěn)定起著至關重要的作用。支架的變形和損傷主要表現(xiàn)在支架的彎曲、斷裂及連接部分的松動。在長時間的機械應力作用下，如通過時產生的氣流沖擊、地震等自然災害引起的振動、沖擊等，是造成支架變形或破壞的重要原因。此外，腐蝕也是支撐失效的重要原因，尤其在沿海、工業(yè)污染嚴重的沿海地區(qū)，支撐體金屬材料易發(fā)生腐蝕，導致其強度降低，甚至發(fā)生破壞。支架的變形和損傷不僅會造成導線失穩(wěn)，影響電流傳輸，而且嚴重時還會引起導線斷線、接地等嚴重故障。

2.4 電氣連接松動

電氣連接松脫是一種比較隱蔽的故障。電氣連接涉及絕緣子與導線之間的連接，這些連接點的穩(wěn)定與否直接關系到電能傳輸?shù)目煽啃?。在長時間運行過程中，由于溫度的變化、材料的熱脹冷縮，連接處緊固件逐漸松動，是造成電氣連接松動的主要原因之一。此外，行駛時產生的振動、風等機械振動及沖擊，也可使連接部位產生松動。電氣連接的松動將使接觸電阻增大，引起局部發(fā)熱，嚴重者可引起電氣火災。另外，連接松散也會影響輸電穩(wěn)定性，增加電網失效率。

3 高速鐵路接觸網檢測的必要性

3.1 保障交通安全

接觸網是電力系統(tǒng)中的重要部分，其運行狀況對車輛的正常行駛及行車安全有著重要的影響。接觸網故障會引起電力系統(tǒng)失穩(wěn)，從而引發(fā)交通事故。因此，對接觸網進行定期、全面的檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患，保證供電穩(wěn)定可靠，有效防止因接觸網故障而引發(fā)的交通事故。另外，接觸網檢測技術還可以對接觸網運行狀況進行監(jiān)測與評估，及時采取必要的維修措施，防止設備老化、損壞而帶來的安全隱患。通過對接觸網進行科學、系統(tǒng)的檢測，才能保證接觸網的正常使用，保證車輛及乘客的生命財產安全。

3.2 提高運行效率

接觸網是電力輸送的關鍵設備，其運行狀況直接影響著整個電力系統(tǒng)的效率。對接觸網運行狀態(tài)進行定期監(jiān)測與評估，可及時發(fā)現(xiàn)并解決影響輸電效率的因素，如接觸不良、電纜老化、絕緣不良等，以保證電網安全可靠運行。同時，接觸網運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供詳細的運行數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)信息，有助于對電網進行優(yōu)化調整，提高輸電效率與可靠性。采用科學的檢測方法，實現(xiàn)接觸網精細化管理，可充分發(fā)揮接觸網的性能與功能，降低損耗，提高能源利用率。由此可以看出，接觸網檢查不僅是保證設備正常運行的必要手段，而且對提高高速鐵路的整體運營效率具有重要意義。

3.3 降低維護成本

接觸網是一種長時間運行的電力設備，其維修與維護是一項復雜而又耗資巨大的工作。對接觸網進行定期、科學的檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)接觸網存在的隱患和隱患，避免重大故障的發(fā)生，降低應急檢修與更換的次數(shù)與費用。此外，接觸網檢修還能提供詳細的設備狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)，有助于科學制訂維修計劃，優(yōu)化維修資源配置，提高維修效率與效果。通過對接觸網進行科學的檢測與預防維修，可延長接觸網使用壽命，減少設備更換、維護次數(shù)，有效控制并減少維修費用。因此，對接觸網進行在線監(jiān)測，不僅可以保證設備的正常運行，而且可以減少維修費用，提高經濟效益。

3.4 滿足法規(guī)和標準要求

接觸網是電力系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其設計、安裝、運行均應符合國家及行業(yè)標準。對接觸網進行定期檢測與評估，以保證接觸網各項技術指標及運行狀況符合相關規(guī)范，杜絕違章作業(yè)，造成安全隱患。另外，接觸網測試還能提供詳盡的測試報告及數(shù)據(jù)，為主管部門的檢查與審核提供依據(jù)，從而保證高速鐵路電力系統(tǒng)的合法合規(guī)運行。滿足相關規(guī)范要求是保證設備安全可靠運行所必需的，同時也是保護企業(yè)及管理者合法權益，避免因違規(guī)操作而產生的法律風險與經濟損失的重要手段。因此，接觸網檢修對于滿足相關規(guī)范要求、保證設備合法合規(guī)運行必不可少。

4 高速鐵路接觸網檢測技術及其應用

4.1 自適應抗干擾技術

隨著交通量的不斷增大，接觸網在運行過程中會受到各種噪聲干擾，主要有電磁干擾、機械振動、環(huán)境噪聲等。自適應抗干擾技術通過對系統(tǒng)參數(shù)進行實時監(jiān)控與調節(jié)，可有效抑制干擾，確保檢測結果的準確可靠。自適應濾波器能夠根據(jù)輸入信號與期望輸出信號之間的差值，自動調節(jié)自身參數(shù)。常用的自適應濾波算法有LMS（最小均方）算法、遞推最小二乘法等，在接觸網探傷過程中，系統(tǒng)將檢測到的信號實時采集出來?？刹捎米赃m應濾波的方法去除干擾成分，如當有強烈的電磁干擾時，利用LMS算法對濾波器權值系數(shù)進行實時調整，達到濾除電磁干擾信號的目的。在具體應用時，要建立一套高精度信號采集系統(tǒng)，傳感器負責對接觸網電流、電壓及溫度等參數(shù)的實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集卡負責將傳感器采集到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，再送入自適應濾波器處理。為保證系統(tǒng)實時性，數(shù)據(jù)采集卡通常需要10 kHz以上的采樣頻率，而濾波器的運算速度要達到每秒幾十萬次。在實際應用中，為保證系統(tǒng)能在各種復雜工況下穩(wěn)定工作，還需考慮其穩(wěn)定性與收斂性。

4.2 動態(tài)參數(shù)綜合分析

接觸網的動態(tài)參數(shù)主要有電流、電壓、溫度、位移等，其變化可以反映接觸網的運行狀況及健康狀態(tài)。對這些動態(tài)參數(shù)進行綜合分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)隱患，采取針對性的維護措施。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術是一種將多傳感器數(shù)據(jù)進行融合與分析的方法，各傳感器采集到的數(shù)據(jù)均受噪聲、干擾等因素的影響，單傳感器數(shù)據(jù)很難準確反映接觸網的實際狀況。具體應用中，需要在接觸網的各個關鍵節(jié)點上安裝傳感器，然后通過無線或有線的方式向中心控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。中央控制系統(tǒng)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法，如卡爾曼濾波、粒子濾波、貝葉斯估計等方法，通過數(shù)據(jù)融合獲取接觸網電流、電壓、溫度等多個參量的綜合信息，并與歷史數(shù)據(jù)進行對比分析，識別接觸網的異常變化及潛在的故障。

4.3 動態(tài)參數(shù)標準制訂

為保證測試結果的準確性與一致性，須建立相應的動態(tài)參數(shù)標準，需綜合考慮接觸網設計參數(shù)、運行環(huán)境、應用年限等多種因素，結合實測數(shù)據(jù)對其進行修正與優(yōu)化。建立合理的動態(tài)參數(shù)標準，不僅能提高檢測精度，而且能為后續(xù)故障診斷與維護提供科學依據(jù)。動態(tài)參數(shù)標準是建立在統(tǒng)計分析與機器學習基礎上的，可通過對大量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，找出各動力學參數(shù)的正常值與異常值。同時，可采用機器學習方法。在具體應用中，要建立包含大量歷史數(shù)據(jù)及對應工況信息的高精度測試數(shù)據(jù)庫，通過建立數(shù)據(jù)庫，運用統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理與分析，從而確定各動力學參數(shù)的標準值范圍。最后，使用機器學習算法對數(shù)據(jù)進行建模、分類、實時檢測與分類，判斷其是否處于正常范圍，并根據(jù)分類結果采取相應的維護措施。

4.4 受電弓動影響分析計算

弓網運行時，弓網的運動對弓網電流、電壓及溫度等參數(shù)都有很大的影響。通過對接觸網受電弓動影響的分析與計算，可識別接觸網潛在的故障及故障，從而采取針對性的維護措施。可利用電磁場理論及有限元法，對弓動影響進行分析與計算。應建立包含弓網幾何結構、電磁參數(shù)及運動軌跡等信息的弓網電磁場模型，然后利用有限元軟件對該模型進行仿真計算，得出弓網運行過程中電流、電壓及溫度等參量的變化規(guī)律。在具體應用中，需要獲得弓網幾何參數(shù)、材料參數(shù)及運動軌跡等詳細信息，利用三維造型軟件建立弓網電磁模型，導入有限元軟件對弓網進行模擬計算，并將模擬結果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，以驗證所建立的模型的正確性，基于該模型，預測并優(yōu)化接觸網運行狀態(tài)，制訂合理的維護計劃與措施。

5 結束語

高速鐵路接觸網測試技術是保障鐵路安全、高效運行的重要手段。通過對檢測技術的不斷創(chuàng)新與優(yōu)化，不僅可以大幅提高接觸網運行的穩(wěn)定性與可靠性，而且可以有效降低維修費用，提高行車效率。未來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等技術的深入融合和應用，高速鐵路接觸網檢測技術必將得到更廣泛的應用，為實現(xiàn)軌道交通的安全、快速、智能提供更強有力的保障。

參考文獻

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