受電弓監測系統在重載電力機車應用方案研究

摘要：隨著現代鐵路技術的快速發展，重載電力機車因其高效率和低能耗特點在鐵路運輸中占據了舉足輕重的地位。受電弓作為電力機車的重要部件，其運行狀態直接關系到機車運行的穩定性和安全性。因此，研究重載電力機車受電弓監測系統的應用方案，對于提升鐵路運輸的安全性和效率具有重要意義。圍繞受電弓監測系統的原理、功能、應用現狀以及優化方案展開詳細論述，以期為推動重載電力機車的發展提供有益的參考。

關鍵詞：系統優化安全運行重載電力機車受電弓監測

ResearchonApplicationSchemeofPantographMonitoringSysteminHeavyDutyElectricLocomotives

HUYang

VehicleBranchofChinaEnergyShuohuangRailwayDevelopmentCo.，Ltd.，Cangzhou，HebeiProvince，062350China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofmodernrailwaytechnology，heavy-dutyelectriclocomotiveplaysacrucialroleinrailwaytransportationduetoitscharacteristicsofhighefficiencyandlowenergyconsumption.Pantogragh，asanimportantcomponentofanelectriclocomotive，itsoperatingstatusdirectlyaffectsthestabilityandsafetyoflocomotiveoperation.Therefore，studyingtheapplicationschemeofthepantographmonitoringsystemforheavy-dutyelectriclocomotivesisofgreatsignificanceforimprovingthesafetyandefficiencyofrailwaytransportation.Thisarticlewilldiscussindetailtheprinciple，function，applicationstatus，andoptimizationplanofthepantographmonitoringsystem，inordertoprovideusefulreferencesforpromotingthedevelopmentofheavy-dutyelectriclocomotives.

KeyWords：Systemoptimization;Safeoperation;Heavy-dutyelectriclocomotive;Pantographmonitoring

近年來，重載鐵路技術的發展為朔黃鐵路的運輸能力提升提供了強有力的技術支持。重載鐵路技術的應用，使得單列列車的載重能力得到顯著提高，同時也對機車設備的穩定性和可靠性提出了更高的要求。在這一背景下，電力機車作為鐵路運輸的主要牽引動力，其關鍵部件之一——受電弓的性能和狀態，直接關系到電力機車的運行效率和安全。

因此，對受電弓的實時監測和狀態管理顯得尤為重要。通過建立一套有效的受電弓監測系統，可以實時掌握受電弓的工作狀態，及時發現并處理潛在的問題，從而保障電力機車的安全穩定運行[1]。此外，隨著信息技術的快速發展，現代受電弓監測系統已經能夠實現數據的實時采集、傳輸、處理和分析，為鐵路運輸安全管理提供了強有力的技術支撐。

本文旨在深入研究和探討受電弓監測系統在重載電力機車上的應用方案，分析現有監測技術的優勢與不足，并提出相應的優化措施。通過對受電弓監測系統的優化升級，不僅可以提高監測的準確性和實時性，還可以通過智能化技術實現對受電弓狀態的智能診斷和預測性維護，進一步提升鐵路運輸的安全性和效率[2] 。

1國內外重載鐵路受電弓監測技術研究概況

1.1國內研究與應用現狀

在中國，隨著鐵路運輸的快速發展，特別是重載鐵路技術的不斷進步，對鐵路運輸的安全性和可靠性提出了更高的要求。受電弓作為電力機車的核心部件，其監測技術的研究與應用受到了廣泛關注。國內在受電弓監測技術方面的研究主要集中在以下幾個方面。

（1）監測技術的研究：國內研究機構和企業致力于開發高精度、高穩定性的傳感器，以及相應的數據采集和處理技術，以實現對受電弓狀態的實時監測。

（2）系統穩定性的研究：在鐵路運輸環境中，受電弓監測系統需要在極端天氣和復雜電氣環境下穩定工作。因此，提高系統的穩定性和抗干擾能力是研究的重點之一。

（3）實時性和準確性的提升：為了能夠及時響應受電弓可能出現的故障，系統需要具備快速的數據處理和分析能力，以及高準確度的故障診斷技術。

（4）智能化技術的融合：隨著人工智能技術的發展，越來越多的智能化算法被應用于受電弓監測系統中，以實現故障的智能診斷和預測性維護。

（5）標準化和模塊化設計：為了提高系統的兼容性和可擴展性，國內研究者強調監測系統的標準化和模塊化設計，以適應不同型號和規格的電力機車。

1.2國際研究與應用現狀

在國際上，受電弓監測技術的研究與應用同樣得到了廣泛的關注。與國內相比，國際上的研究和應用具有以下特點。

（1）技術集成與創新：國際上的研究更加注重技術的集成創新，通過將先進的傳感器技術、數據處理技術、通信技術和智能化技術相結合，開發出綜合性能更優的監測系統。

（2）智能化與自動化：國際上的監測系統更加強調智能化和自動化，利用機器學習和人工智能技術，實現對受電弓狀態的智能監測和故障預測。

（3）系統的可靠性與安全性：國際研究者在提高系統可靠性和安全性方面投入了大量的研究，以確保監測系統在各種復雜環境下的穩定運行。

（4）國際合作與標準制定：國際上的研究和應用更加注重國際合作和標準的制定，通過國際合作，共享研究成果，推動受電弓監測技術的全球發展。

（5）用戶體驗的重視：在用戶界面設計和操作流程上，國際研究者更加注重用戶體驗，以提高系統的易用性和可操作性。

總體而言，受電弓監測技術的研究與應用是一個不斷發展和進步的過程。通過國內外研究者的共同努力，相信未來受電弓監測技術將更加成熟和完善，為鐵路運輸安全提供更加有力的保障。

2受電弓監測系統構成

受電弓監測系統，是一種采用現代傳感技術和數據分析手段，對電力機車受電弓進行實時監控與預警的系統。它通過安裝在受電弓上的精密傳感器，實時采集受電弓的工作狀態數據，并依托先進的數據處理與分析技術，實現對受電弓狀態的實時監控與預警。

以某公司開發的受電弓監測系統為例，該系統主要包括以下組成部分。

2.1受電弓壓力硬點檢測設備

該設備配備了2個加速度傳感器和4個壓力傳感器。壓力傳感器用于實時測量受電弓與接觸網之間的接觸壓力；加速度傳感器則用于實時監測受電弓在垂直和水平方向上的加速度變化。

2.2受電弓綜合檢測設備

該設備集成了1臺高清工業相機、1臺紫外探測器和1臺紅外熱像儀。高清工業相機用于實時監視受電弓的運行狀態；紫外探測器用于檢測燃弧故障；紅外熱像儀則用于監測受電弓接觸點的溫度變化情況。

2.3車內設備

車內設備包括1臺車內分析服務器和1臺光纖解調儀。車內分析服務器負責接收并處理來自各個傳感器的數據，同時與地面服務器進行通信；光纖解調儀則用于解析壓力傳感器和加速度傳感器的數據。

2.4車底補償設備

車底補償設備用于修正行車過程中因車體抖動或偏移導致的幾何參數檢測誤差，從而提高幾何參數檢測的精度和可靠性。

2.5無線傳輸設備

無線傳輸設備利用4G/5G網絡技術，實時將監測數據、圖像及報警信號發送至地面數據處理中心。這有助于在出現受電弓故障時迅速進行故障診斷和處理，提高檢修效率。

3系統原理詳解

3.1溫度檢測

在機車高速行駛時，受電弓與接觸網的相互作用會產生摩擦力和電流，這兩者均會導致熱量的產生。為了精確測量受電弓的溫度，監測系統采用高分辨率和高幀率的紅外熱成像攝像機作為主要檢測工具。該設備具備捕捉受電弓在運行中溫度變化的高清晰度和高速度能力。此外，系統利用先進的圖像處理技術，對所捕獲的熱成像數據進行即時分析和處理，以提取出關鍵的溫度數據，并將其轉化為易于理解的溫度分布圖。

3.2結構異常

首先，工業相機采集到的圖像數據通過深度神經網絡進行處理和分析。通過對大量監測數據的訓練和學習，深度神經網絡能夠自動識別出受電弓的異常狀態和故障類型，從而實現對受電弓運行狀態的實時監控和預警，該神經網絡結構經過精心設計和優化，能夠準確定位到受電弓的關鍵結構區域。通過SSD算法的應用，系統能夠在復雜的環境中準確識別出關注區域，為后續的分析和處理提供了可靠的數據基礎。

該神經網絡的優點是定位準確，魯棒性好，但是計算量大，因此第一次在定位到關注區域后，系統采用KCF算法進行圖像跟蹤。KCF具有高效的目標跟蹤性能，該算法通過在線學習的方式，不斷更新目標模型，實現對受電弓的精確跟蹤和定位。即使在復雜多變的鐵路環境中，KCF算法也能保持較高的跟蹤精度和穩定性，通過跟蹤，系統能夠持續監測受電弓的結構狀態，及時發現任何異常變化。

對于跟蹤到的各個區域，系統使用SVM算法進行異常檢測。SVM算法是一種廣泛應用于分類和識別任務的機器學習算法，通過構建分類器，經過訓練和學習，SVM算法可以自動識別和判斷受電弓結構的異常狀態。通過SVM算法的應用，系統能夠準確判斷羊角異常、異物入侵等預警信息，并及時發出報警提示。

系統還采用霍夫變換算法對滑板進行傾斜檢測。霍夫變換是一種在圖像處理中廣泛應用的算法，能夠用于檢測圖像中的直線和形狀。通過對滑板進行霍夫變換處理，系統能夠確定滑板是否發生傾斜，并據此判斷受電弓是否存在結構異常。

3.3燃弧檢測

根據《鐵路應用集電系統受電弓和接觸網的動力交互》（EN-50317－2002）標準中關于燃弧率的定義，燃弧率的計算公式明確了燃弧持續時間和測量時間內的電流狀態對燃弧率的影響。基于這一計算原理，受電弓燃弧檢測系統采用了紫外探測器來實現對燃弧現象的實時監測。

燃弧率的計算公式為：

式中：

是持續時間超過1ms的拉弧時間；

是一段測量時間內電流超過額定電流30%的時間總和。

在220～329nm的紫外光線范圍內，燃弧現象會釋放出大量的紫外光，這些光線被紫外探測器接收后，會轉化為脈沖信號并傳輸給信號處理模塊。信號處理模塊對這些脈沖信號進行處理和分析，從而得出燃弧發生的持續時間和強度。

4重載電力機車受電弓監測系統的優化方案

目前，雖然部分重載電力機車已經配備了受電弓監測系統，但其在應用過程中仍存在一些問題。首先，部分監測系統的功能相對單一，僅能實現簡單的數據記錄，缺乏對受電弓狀態的綜合分析和預警[3]。其次，監測系統的精度和穩定性還有待提高，尤其在復雜環境下運行時，其監測結果易受到干擾和誤差。此外，現有監測系統往往與機車的其他系統相對獨立，缺乏有效的數據共享和交互機制，導致信息孤島現象較為普遍。

針對現有重載電力機車受電弓監測系統存在的問題，作者提出以下優化方案。

（1）提升系統功能：增加實時監測、故障預警、數據分析等功能，實現對受電弓狀態的全面監控和預警。同時，引入智能5算法和模型，提高監測系統的精度和穩定性，減少誤報和漏報現象[4]。

（2）加強系統集成：將受電弓監測系統與其他機車系統進行深度集成，實現數據共享和交互。通過與其他系統的協同工作，提高監測數據的利用效率和準確性，為機車的安全運行提供更加全面的保障[5]。

（3）引入新技術：利用物聯網、云計算等新技術，構建基于大數據的受電弓監測系統。通過實時監測、數據傳輸和云端分析，實現對受電弓狀態的遠程監控和預警，提高監測效率和準確性。

5結論與展望

通過對重載電力機車受電弓監測系統的深入研究，本文提出了相應的優化方案。這些方案旨在提升監測系統的功能、精度和穩定性，為重載電力機車的安全運行提供更加可靠的保障。未來，隨著技術的不斷進步和應用經驗的積累，相信受電弓監測系統將在重載電力機車中發揮更加重要的作用，為鐵路運輸的安全和效率做出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 馬文龍.標準動車組受電弓智能監測系統研究[J].數碼世界，2020（12）：287-288.

[2]呂海軍.DSA型受電弓風路系統實時監測系統的研究[J].鐵道技術監督，2020，48（11）：33-36.

[3]曾燕軍，金希紅，何永強，等.基于實測應力譜的重載電力機車車體損傷特性及剩余壽命評估[J].鐵道機車車輛，2024，44（3）：84-90.

[4] 郝偉佳.重載電力機車坡道起車操作分析[J].集成電路應用，2021，38（4）：120-121.

[5] 韓彥青，裴曉將，張宗燦，等.雨天工況動車組受電弓安全狀態檢測技術研究[J].中國鐵路，2024（5）：111-117.