（光学工程专业论文）电力机车弓网离线电弧检测装置.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本文介绍了一种应用光电传感器检测技术实现电力机车弓网离线电弧的 非接触、实时检测方法，并在此基础上完成了“电力机车弓网离线电弧检测 装置”的研制。 文章通过对电气化铁道相关知识的了解及对国内外离线检测技术的深入 了解，尤其是对离线电弧检测技术的了解，总结出了基于光电传感器的非接 触离线电弧检测系统能够得到准确的弓网离线情况，并且是国内外检测技术 的发展方向；文章详细的分析了离线电弧产生的原因，电弧对机车牵引动力 的影响情况，研究了我国铁路系统中离线电弧的光谱特征分布；分析了系统 的检测原理，提出了采用光电传感器实现对离线电弧进行检测的方法，并设 计了“电力机车弓网离线电弧检测装置”的检测功能和管理功能，规划了系 统的组成结构及检测流程。文章还详细介绍了实现离线电弧检测系统的硬件 组成设计和软件处理设计，包括检测器件的选型、特性参数设计、硬件电路 设计、通信系统设计和软件处理系统设计。文章末尾给出了系统在实验室内 的运行情况，对实验数据作了详细的分析，并总结出系统有待完善的地方。 最后。文章总结了研究开发过程中有意义的设计，并根据我们铁路发展的方 向，展望了离线电弧检测装置的未来研究方向。 关键词：电力机车；电弧：光电传感器：离线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t t od e t e c tt h eo c c u r r e n c eo fa r c i n gb e t w e e nt h ep a n t o g r a p ha n dt h eo v e r h e a d c o n t a c tl i n e ，an e wm e a s u r e m e n ts y s t e mi ss t u d i e da n ds e tu p t h es y s t e mu s e s p h o t o t u b et om e a s u r et h ed u r a t i o no ft h eu l t r a v i o l e te m i s s i o nd u et ot h ee l e c t r i c a r c i n g t h em a j o ra d v a n t a g e so ft h es y s t e mp r o p o s e da r ei t sn o n - i n v a s i v i t yw i t h t h ep a n t o g r a p he q u i p m e n t ，i t sr e l i a b i l i t ya n di t sl o wc o s t f i r s t l y , e l e c t r i z a t i o nk n o w l e d g er e l a t e dt ot h er e s e a r c hi si n t r o d u c e d a f t e ra d e e ps t u d yo nv a r i o u sc o n t a c tl o s sd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l yo nt h ee l e c t r i c a r c sd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h eu n t o u c h e dd e t e c t i o n t e c h n i q u eb a s e do np h o t o t u b es e n s o rc a na c q u i r ee x a c tc o n t a c tl o s si n f o r m a t i o n ， a n dw i l lt ob et h el e a d i n gt e c h n i q u ef o rc o n t a c tl o s sm e a s u r e m e n ti n f u t u r e s e c o n d l y , c o m b i n i n gw i t ht h es p e c i a lr a i l w a y ss y s t e mi no u rc o u n t r y , w ea n a l y z e t h ec a u s eo ft h ea r c s ，a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h eo n b o a r dt r a c t i o nd r i v ed u et ot h ea r c si nd e t a i l ，a n ds t u d yt h ea r c s s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c w ea l s oa n a l y z ed e t e c t i n gp r i n c i p i e sa n dp u tf o r w a r dw i t ham e t h o d u s i n gp h o t o t u b e s e n s o rt od e t e c tt h ec o n t a c tl o s sa r e s ，c o n c e i v et h e c o n f i g u r a t i o n sa n dd e t e c t i o nf l o w so ft h em e a s u r e m e n t t h e n ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n so ft h em e a s u r e m e n ti sd e t a i l e d l ye x p l a i n e d ，i n c l u d i n gp h o t o t u h e s e n s o r ss e l e c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ，h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g na n d s oo n f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e m e a s u r e m e n tr u n n i n gs t a t u si nl a b o r a t o r y , d e t a i l e d l ya n a l y z e st h em e a s u r i n gd a t a ， a n ds u m m a r i z e sp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ee x p e r i m e n t a tl a s t ，t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h es i g n i f i c a n td e s i g n sd u r i n gt h ec 0 1 u 雠o f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ， a n dp r o s p e c t st h a tp o w e r f u la u t o m a t i cd e t e c t i o nm e a s u r e m e n tw i l lb ed e v e l o p e d f o rc o n t a c tl o s sd e t e c t i o ni nf u t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv c h i c l e s ；a r c ；p h o t o t u b es e n s o r ；c o n t a c tl o s s 亘塑窒塑奎兰塑主塑窒圭兰笪迨塞 蔓! 夏 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 在电气化铁路系统中，机车通过其顶部的受电弓与接触导线间的滑动接 触获取运行所需电流。受电弓与接触线间的不问断接触是高受流质量的标志。 但对高速机车来说，很难获得稳定的接触。这样。一个关键的问题就是如何 保证在任何条件下受电弓与接触网都能安全可靠的接触。因接触状态较差时 将出现许多问题，包括离线电弧、受电弓滑板和接触线的过度损耗、接触线 悬挂部分与固定部分的摆动等。高速行驶会使这些阔题更加严重；速度越大， 这些问题就越严重。 为了在高速下取得好的受流质量，减少由电弧引起的恶化，主要采用的 方案有f l 】： 1 ) 增加受电弓与接触线间的抬升力。该方法以减少受电弓滑板，尤其是 接触线的寿命为代价，因为抬升力增加后，腐蚀和磨损增加，温度也随之增 加。 2 ) 减少受电弓弓头质量。但高电流传输限制了减少程度。 3 ) 设计一种新的接触线系统。这种方法只能缓和问题，且对现有系统的 改进所需费用昂贵。 事实证明，良好接触可以通过将接触线的几何特征维持在最佳值得到i 2 1 。 例如，尽可能限制接触线高度变化和摇晃，检查接触线厚度等。 所以，所有的铁路系统都不得不安装和测试监视系统来检查接触线状态 和指导维修工作。传统的方式是利用检测车沿铁路线对接触网进杼定期检查 1 3 - 4 ，但随着对机车速度要求的提高，这些检测设备越来越不能满足需要。因 此许多铁路公司都在研发新的专门针对高速列车的检测设备。 目前，国外研究的主要目标是通过对测量数据的统计分析和对接触线每 公里受流质量的量化来确定受流质量指数，以帮助维修工作。文献【2 】中提出 了三种确定该指数的必要检测装置，它们是： 检测由离线引起的电弧： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 测量受电弓滑板与接触线间的接触压力； 测量接触线与静止状态有关的动态抬升状态。 每种测量装置因受电弓工作条件的不同而有不同的有效范围，要使每种 方法独立探测到坏的受流情况是很困难的。例如，接触压力检测装置得到的 频率响应在离线时间小于5 - 1 0 r e s 时不能识别离线，但这种小离线与受流质量 的指标却有关。三种测量装置的关系图如图1 1 所示。图中，三圆圈的共同 区域很小，但只有将这三种测量所得到的信息相关联才能得到可靠的、广泛 适用的指标。 圈1 - 1 三种检测装置的关系圈 然而在这三种测量方法中最重要的还是对离线电弧的检测。因为这种 检测方法是一种非接触性检测，成本低，且可靠性高。 为此，我们决定开发针对离线电弧的离线检测系统，以实现在列车运行 中对弓网状态的在线监测，和指导维修工作。 1 2 国内外弓网离线检测方法综述 根据离线发生的各种特征，国内外检测离线的方法主要有电流法、电阻 法、电容- 电阻法、压力检测法、电磁检测法和光学法等。 1 2 1 电流法 1 2 1 1 交流电式离线检测法这是一种将受电弓电流及其微分值两者都为 零的情形作为离线判定依据的方法，检测原理如图1 2 所示【5 1 。在电力机车 中，电流沿接触网受电弓一变流器一电动机钢轨流动。若受电弓离开接 触线，流过受电弓的电流i l 为零。由于，i 是交流电，即使没有离线，电流也 堕堂奎塑查兰堡圭堡塞竺兰焦迨塞 塑! 夏 可能为零。但是从图i - 3 可以看出，离线时由于电流微分值也是同时为零 故用这种方法可以正确检测出离线。 图1 2 交流电式离线检测原理 图1 3 离线时受电弓的电流分布 试验结果：能够比以往更方便地测得离线率和最长离线时间等数据。但 在受电弓电流波形畸变较大、电流大小急剧变化等情况下将不能正确测定离 线。 1 2 1 1 电流循环式离线检测法电流循环式离线检测法测量结构图如图i - 4 所示1 6 7 j ，检测车中振荡器产生的高频信号由电容器和测量用受电弓送至接触 网，再经接触网接地电容流回地面。电容器在接触网电压频率较低时为高阻 抗，频率较高时为低阻抗。离线时，电容的阻抗由低到高发生突变，从而使 通过接触网的高频率电流产生突变。电流循环式离线检测法就是通过检测高 频率电流变化情况来检测离线是否发生。 蔚乏5 1 函- i l ：蹄： 黻 羟- 目如黧 弛坯y 缈 。艇- 图1 - 4 电流循环式检测原理 为提供测量准确度，图1 4 中的放大器可采用锁相式放大器【4 】，它主要由 相敏检波器( p s d ) 和低通滤波器( l p f ) 组成相关器。 试验结果：测量结果与离线火花比较，正确率达9 9 5 以上。目前，这 种技术用于我国j j c 1 型接触网检测车上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 电阻法 电阻法是根据离线时受电弓与接触导线问电阻变大的原理进行检测，如 图1 5 所示【8 】d 弓网接触时，电流l 通过c 1 - 受电弓- 接触网一c 2 一钢轨构成回路， 使流入j 的电流变小。一旦离线，弓网间电阻交大。电流流入j 内，从而检 出离线信号。 图i - 5 电阻法离线检测原理 试验结果：离线测量范围为o 3 s ，分辨率为2 m s ，离线误差s5 。该 技术由于其技术简单和费用低的特点。被大多数接触网检测车所采用。 1 2 3 电容- 电阻法 电阻电容法是在测量用受电弓与地间接入两个电容器和一个电阻。如图 1 6 所示【9 - 1 0 1 ，利用电容器c l 测量受电弓电压，电阻测量受电弓电流，电容 器c o 充当分压器。当受电弓与接触线良好接触时，在接触线电压发生改变时， 对电容充电和放电的电流将流经受电弓：而当离线时电流将随着受电弓与 接触线间的距离和电压差的变化而变化：离线时电压呈阶梯状，而电流为间 隔不规则的脉冲或零电流情况，如图1 - 7 所示。阻容式离线检测就是通过检 测这些波形的变化来检测离线的。 图】- 6 电容- 电阻检测法原理图图1 - 7 离线时屯流和电压的波形图 亘堕奎堕查堂亟塑窒圭堂焦迨塞 篁! 垂 试验结果：测量精确度高，现用于日本铁路线检测车上。 1 2 4 压力检测法 当列车在高速下运行时，因接触线沿跨距的弹性不均匀以及受电弓的惯 性力影响，会使受电弓在垂直方向产生具有一定振幅的振动，从而导致接触 线与受电弓之间的接触压力变化。在接触压力趋于零值或小于零值时。会导 致离线。压力检测法就是通过对弓网接触压力的检测来判断离线的。测量框 图如图1 - 8 所示，为提高测量的准确度，4 个压力传感器分别安装在受电弓 横向支撑架的四个角落j 。 例1 8 压力法离线检测框图 压力传感器信号为模拟量。经滤波除去高压环境噪声后转换为数字量。 数字信号由l e d 发光二极管转换成的光信号，经光纤从检测车平面传输至低 压端控制室( 采用串行通信方式) 后，再由光敏管将光信号还原为电信号。 电信号被转换为模拟量后经数据采集卡传输至计算机，进行数据处理。 试验结果：目前，该检测技术己在兰州铁路局接触网检测车上投入使用。 1 2 5 电磁检测法 电磁检测法是通过测试受电弓附近放电辐射电磁信号，进行时频分析， 从而了解离线放电过程的一种方法。放电辐射电磁信号分为周期型辐射电磁 信号和随机脉冲型辐射电磁信号：周期型辐射电磁信号是由电网电压波动引 起的，而随机脉冲型辐射电磁信号主要由车辆振动和接触网弹性偏差引起弓 网离线放电造成。电磁检测时用差分电路将脉冲型辐射电磁信号分离出来并 进行频谱分析”“。 使用小波变换理论对弓网离线信号进行多分辨率分析，能够得出各频率 分量的分布与离线之间的关系：小离线时，放电量小，频率主要分布在高频 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 区：大离线时，放电量大，频率主要分布在低频区。随着放电量增大，频率 分布区域将由高频移向低频。该方法中，谱图变化情况能反映放电量的变化， 据此用于在线监测离线放电的大小和离线时间进而判断大离线、计算离线 率等。 值得注意的是，在电磁检测法中，由于必须试制选择性极高、抗干扰能 力极强的接收机，难度大，效果也不好，所以在实际的检测装置中很少采用 该方法。 1 2 6 光学法 受电弓离线时产生火花、电弧，发出强烈的紫外光。其中，电火花与电 弧的区别是前者为高压放电的结果，后者是由大量密集的电火花构成。光学 法就是根据离线时产生的电火花或电弧进行检测的一种方法。 1 2 6 1 根据电火花检测测量装置结构如图1 - 9 所示 6 j ，在透镜系统中采 用一排独立输出的光接收器，并将光电二极管放置在透镜系统的焦点处。将 离线产生的电火花转化为电信号并放大后，采用高通滤波器除掉环境光影响， 再将各信号光整流后叠加，缛到输出的离线信号( 离线率和离线次数) ，离线 信号处理框图及每部分的输出信号如图1 1 0 所示。 图卜9 测量装置的结构图 i _ 蛾f i 号o l 陛l 已l 一 2 田瓤：醐口口口口口 3 即协：膏拉次蠹 口口 口 口 口 i 删壤弗 = = = = l 丫餐储 馏离 5 籼二 r l 一 6 疆胨冲j l 卫一 图l - l o 离线信号处理框图及每部分的输出波形 参 西南交通大学硕士研究生学位论文 塑! 夏 试验结果：受电弓不需要接触高压部分就能够容易得出离线率和离线次 数，并能够在普通电力机车上进行检测；但是，在直流部分以及小离线情况 下，测量不准确。 1 6 2 2 用光电传感器检测紫外光文献 1 3 - 1 4 1 q b 介绍了该检测方法，测量 仪器被安装在意大利e t r 5 0 0 高速列车上，光电传感器安置在受电弓前4 米 处的机车硕部，由金属圆柱体保护，该盒属圆柱口一端安装了特殊的透明石 英玻璃，以便于只让波长为1 7 5 1 9 5 r i m 的电弧紫外光通过。 测量结构大致可以分为两部分，一部分位于机车顶部，包括光电传感器 及其相关供电装置：另一部分位于机车内部的控制台内，包括对机车顶部的 远程控制系统和信号数据采集系统，如图1 1 1 所示。图1 1 2 为每千米电弧 发生次数分布图。 l 2 i l 图1 1 1 测量装置结构图 i 目o n l 口蝴曲o m 1 7 1l 冲l 酗1 豫l 7l 掰1 6 st h 如 图l _ 1 2 每千米电弧发生次数的分布图 试验结果：能够持续监视机车运行区间，可应用于高速运行的机车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 本论文的工作 前期调研：在研制开发前，深入了解了弓网离线的相关知识及国内外离 线检测技术的发展水平，其中尤其是离线电弧检测技术的发展状况。总结出 检测离线电弧能够得到准确的弓网离线情况，通过检测离线电弧实现对电力 机车的非接触检测是国内外检测技术的发展方向。 可行性分析：本文提出了利用光电传感器实现对离线电弧检测的方法。 结合国外已有的检测技术，对系统的可行性进行了分析。 离线电弧光谱特征研究：结合我国铁路实际情况，详细的分析了电弧产 生的原因，电弧对机车牵引动力的影响情况，并研究了离线电弧的光谱特征 分布。 方案设计：详细设计了系统的研制方案，包括功能设计、原理设计、系 统结构设计等。 研制开发：负责系统的硬件系统设计，包括特性参数设计、器件选型、 安装调试参数估计等。 安装、调试、运行：确保系统稳定正常工作：负责对运行过程中的检测 结果进行详细的数据分析，总结系统需要改进完善的地方。 本文介绍的内容主要包括：简要介绍设计过程中涉及到的电力机车相关 知识，并概述了国内外离线检测技术的发展；详细介绍了离线电弧发生的原 因以及其对电力机车牵引动力的影响关系，介绍了采用光纤光谱仪测量离线 电弧光谱特征的结果。重点介绍了检测系统中的硬件系统设计和软件系统设 计；详细分析了系统在实验室运行中的检测数据，总结了系统有待完善的地 方；总结了研究开发过程中有意义的设计，并展望了离线电弧检测装置的未 来发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文匀虫页 第2 章电气化铁路基础知识 2 1 电气化铁路介绍 电气化铁路，是以电能作为牵引动力的一种现代化交通运输工具，由电 力机车和牵引供电系统两大部分组成。牵引供电系统本身并不能产生电能， 而是将电力系统的电能传送给电力机车，因为对于铁路部门来说，专门用于 供给电力机车电能的牵引变电所和接触网称为牵引供电。 我国发电厂发出的电是三相交流电，为减少输电过程中的电能损失，发 电厂发出的电能，要先经升压变压器升压，然后以l l o k v 或2 2 0 k v 的高压，通 过电网传输到区域变电所，再从那里输送到铁路附近的牵引变电所。牵引变 电所的主要任务是将电力系统输来的三相高压交流电变换成不低于2 5 k v 的 工频单相交流电，向邻近的区间和战场线路的接触网送电，供电力机车使用 1 1 5 1 。我国常用牵引变电所向接触网的供电方式为单边供电，如图2 1 所示【1 6 j 。 所谓单边供电，指接触网在相邻两个牵引变电所的中央部位是断开的，它将 接触网分成两个供电分区。每一分区的接触网只能从其一端的牵引变电所取 得电能。 图厶1 我国常用牵引变电所向接触网的供电方式( 单边供电) 1 一发电厂；2 一高压输电线；3 区域变电所；4 一铁路牵引变电所：5 一馈电线； 6 一接触网；7 一钢轨：8 一回流线；9 一接地线；l o 一电力机车 当电力机车在铁路线上运行时，升起的受电弓正好与接触导线接触而形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 成电流的回路。于是电流从牵引变电所流出，通过馈电线、接触网、然后进 入机车内的变压器降压，硅整流器整流，供给直流牵引电动机，推动机车前 进。电流经轮对进入钢轨，再经回流线重新回到牵引变电所。 2 2 电力机车的取流 2 ，2 1 受电弓 机车顶部一般专装有两套受电弓，但我国铁路系统只允许机车运行时升 起机车尾部的受电弓。受电弓滑扳紧压接触网导线滑行摩擦从电网上取得电 流，如图2 2 所示。 图2 - 2 受电弓外形图 受电弓弓头部分包括弹簧盒和弓头，弓头是直接与接触线接触受流的部 分，其上装有特殊材料的滑板，滑板的原始厚度为l o m m ，弹簧盒使弓头与 受电弓铰链机构进行弹性连接，保证机车运行时弓头能随着接触线高度和驰 度的变化而做前后、上下的动作以便改善受流质量【1 7 l 。 受电弓滑板质量是影响受流质量的个关键因素。对滑板的基本要求有 t s l ：( 1 ) 机械强度高，能经受一定的振动和冲击载荷而不损坏；( 2 ) 优良的 润滑性能和耐磨损性能，摩擦系数低，对接触导线及滑板自身的磨耗小：( 3 ) 良好的电性能，电阻率低，耐弧性强；( 4 ) 轻量化。目前，国内外主要使用 的有粉末冶金滑板和碳系滑板两大类。其中，粉末冶金滑板分为铁基和铜基 西南交通大学硕士研究生学位论文 第n 页 两种，碳系滑板包括纯碳滑板和渗金属碳滑板。 2 2 2 接触网 接触网是沿电气化铁路架设的供电网路，是电气化铁道中主要供电装置 之一，其功用是通过它与受电弓的直接接触而将电能传送给电力机车9 1 。 接触网由承力索、吊弦和接触导线等组成。承力索承受负载，吊弦悬吊 接触导线，而接触导线是与电力机车受电弓滑行接触的带有特殊沟槽形式的 传导电流的导线：接触导线下部应与受电弓良好接触，上部利用两侧的沟槽 与线夹卡住并通过吊弦悬挂于承力索上。其材料具有良好的导电性能，足够 的机械强度及耐磨性，多用青铜、镉铜或其他铜合金制成。我国广泛采用的 是钢铝接触导线和铜接触导线。 一般情况下，接触网电压不应低于2 1 k v ，干线额定电压2 5 k v ，对地2 7 5 k v 。 2 3 离线概念 2 3 1 离线概念及特征 离线是指在电力机车运行中，受电弓与接触线机械脱开的情况1 2 0 】。电力 机车上的受电弓和接触悬挂都是具有一定弹性设备的供电装置。由于接触悬 挂沿跨矩内的悬挂弹性不均匀，接触线的接头线夹、定位线夹、中心锚接线 夹以及分段绝缘器等都会造成硬点发生离线；另外从受电弓来看，当机车运 行达到一定速度时，受电弓自身要产生垂直方向的加速度，引起接触悬挂的 振动，使得受电弓在运行状态中不能很好与接触网接触，造成共线脱离。离 线是受流质量恶化的重要特征之一，体现这一特征的指标是离线率，可表示 为下式： c ；= 擎舢 式中，t 表示被测区间时间，为被测区间内离线总时间。 发生离线时的主要特征有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 测量用受电弓( 不受流的受电弓) 离线时，受电弓与接触线间的 电阻变大； ( 2 ) 离线时受电弓与接触网间的压力减小： ( 3 ) 离线时伴有高频电磁产生； ( 4 ) 测量用受电弓离线时产生火花，火花电流变化陡峭； ( 5 ) 机车受电弓在牵引状态下离线时会产生电弧，发出强烈的紫外光； 2 3 2 弓网离线状态分析 弓网离线时的典型状态如图2 3 所示川。从图中可以看出，主离线后， 受电弓与接触线间还会发生一系列小的次离线，这些次离线是产生大量的电 磁辐射的主要原因。 电弧长度i m i dlli4b 7n 2 3 3 离线产生的危害 图2 - 3 受电弓离线状态图 离线的主要危害有以下几个方面1 2 2 l ： ( 1 ) 造成电力机车的不稳定运行： ( 2 ) 引起接触线和受电弓滑板的异常磨耗； ( 3 ) 产生无线电杂音干扰： ( 4 ) 使牵引电动机整流条件恶化； 丐一趣皤雹回露碰荤f胛妒脚咧 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 ( 5 ) 在主电路中引起过电压现象。 其中，( 2 ) 和( 3 ) 主要是由离线时产生的火花电弧引起的。除此之外， 离线电弧还具有其他较为严重的危害：电弧产生的磨耗造成接触线和受电弓 滑板的凹凸不平，使接收电流不规则地分布在接触表面，因而在接触表面发 生过热点和小的熔接现象。如果机车在高速下行驶( 速度越大，这种效应就 越危险) ，熔接点瞬间脱落，使接触线更加损坏。在这种情况下，受电弓滑 板磨耗增加，并产生连续的火花一一电熔接效应【2 j ，从而持续地损坏需要迅 速维修的接触导线。 2 4 电力机车的监控设备 2 4 1m ( 2 型机车安全信息综合检测装置介绍 t a x 2 型机车安全信息综合检测装置以电源单元和通信单元作为基本 配置，该基本配置主要有以下几个功能： 串行通行功能 记录功能 数据转储功能 数据分析处理功能 t a x 2 型检测装置除基本单元配置外，其它已开发的功能有：t m i s 单元、 轨道检测单元、弓网检测单元、d m i s 单元、无线列调语音单元；另外预 留4 个单元位置用于备用功能单元的扩展。各配置单元如图2 - 4 所示。 其中，通信记录单元( 主机) 每隔5 0 m s 周期就以r s - - 4 8 5 串行通信方式 向各检测单元( 从机) 发送统一内容的列车运行情况信息，每组4 0 个字节， 内含月日、时分秒、公里标、时速、车次、机车号、车站号、区段号、司机 ( 副司机) 号、总重、计长、辆数等信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 刍 刍 jj ! 团 电琏 筑 弓td备 语备 撒 嚣 讯遵 磅hm罔 t用 单记 撩肇ii基 竞 拳调淘 ssk膏 尼再 五 ” 簟摹簟 单簟 簟 l 元 元晃元兀咒 斋 户 j 33 i3 -。 ，甬一“，。俪卜 图2 - 4t a x 2 型检测装黄各配置单元图 弓网检测单元用于机车运行时动态检测弓网技术状况。该单元对由拉出 值和硬点冲击超限检测传感器检测到的拉出值超限、硬点冲击超限等信号进 行处理，能及时检测到电力机车在运行线路上的弓网状态，并将确定的拉出 值和硬点冲击超限点的时间、线路公里标、速度等信息实时反馈给通信记录 单元进行记录，以便地面的进一步分析和及时对弓网设备进行维护。 2 4 2 弓网运行状态监控记录装置 “弓网运行状态监控记录装置”是一套基于w i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s x p 操 作系统的软件系统，硬件平台为工业p c 机。它安装在机车上，主要完成实 时录像，路段信息叠加和故障信息存盘等功能。机车和路段的相关信息通过 r s 4 8 5 通讯接口从“t a x 2 系统”获得。系统结构如图2 5 所示。 臣困 l 一 图2 - 5 弓网运行状态监控记录装置系统结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 弓网运行状态监控记录装置的主要功能和特点如下： 1 升弓自动开机。系统处于关机状态时，只要i 端或i i 端受电弓升弓， 系统即自动开机。开机后自动引导录像系统启动并进入上一次运行 的工作状态。 2 降弓自动关机。系统处于开机状态时，从l 端和i l 端都降弓开始，计 时9 0 秒钟，系统自动关机。该延迟时间可以调整。 3 运行过程中自动检查新的可用数据硬盘：如果数据硬盘空侧小于所 需要的空间，则自动删除最老的故障记录和录像文件，使系统可以 持续运行。 4 根据录像模式，实时完成视频图像的采集、压缩和存盘等。系统支 持三种录像模式： 1 ) 故障录像：发生故障时，启动录像，将故障点前后的弓网状态 录像保存在硬盘中。 2 ) 全程录像：当系统工作在全程录像模式时，系统不问断地完成 图像的采集、压缩和存盘工作。 3 ) 手动录像：用户手动控制开始和停止录像。 5 速度门限功能：当“速度门限”置为“o n ”时，如果机车速度低于 设定的速度门限。系统停止录像。当机车速度高于设定的门限时 6 支持时间信息和路段信息在视频图像中的实时叠加。 7 故障信息“实时”叠加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 耍 3 1 电弧 第3 章电弧理论基础 3 1 1 电弧的产生原理及特征 在正常状态下，气体具有良好的绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上 足够大的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象就称放电1 2 m 引。通常， 放电现象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及 加在间隙两端的电压等因素有关。 当受电弓沿接触线接触滑动时，两者电压相同。而当接触中断瞬间，两 者问电压迅速升高，从而发生电现象。放电现象发生时，在电极最近处空气 中的难负离予被电场加速。在移动的过程中与其它空气分子碰撞产生新的离 子，这种离子大量增加的现象称为“电离”。空气被电离的同时，温度随之急 剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压， 属于低电压大电流放电。离线时产生的电弧光如图3 1 所示。 图3 - 1 弓网离线时产生的电弧光 文献【2 5 】中指出：高压电路中产生的电弧，是触头电流通过空气传导而 产生的，所以又被认为是种气体放电现象。电弧其实是一种低温等离子体。 其主要的外部特征有：( 1 ) 是一种自持放电现象，它不用很高的电压就可以 持续相当长时间的稳定燃烧而不熄灭；( 2 ) 是强功率的放电现象，在开断数 十千安的短路电流时，电弧的温度可达上万摄氏度甚至更高，并且具有强辐 射：( 3 ) 是等离子体，质量极轻，极容易改变形状。 亘壹窒望查主堡塑窒生堂垡鲨室 塑! ! 夏 3 1 2 电弧与弓网离线的关系 文献 1 3 】中提到，安装实验装置的e t r 5 0 0 列车为双弓运行，且装有等 势线( 连接前后两受电弓的导线，能够在两个受电弓中一个发生离线时利用 电流传导来进行补偿) ，如图3 2 所示。这种设备可以减少离线发生的时间和 次数，而且还是一个能够测量离线的可选的、精确的传感器( 例如，一个受 电弓的突然离线常常引起等势线上电流的迅速变化) 。由于等势线的出现，传 感器测得的数据就可以与等势线得到的数据相关联。这种关联，连同安装在 机车项部的由电视摄像机组成的可视化控制，就可以实现对光电传感器信号 有效的校准和选择性分析。 罨；争麒 图3 - 2 离线发生时等势线上电流的传导情况 经过实验得到，将等势线电流进行处理后得到的信号与传感器所得信号 一致，故检测电弧能够正确反应出弓网离线情况，且传感器在没有等势线的 时候可以独立使用( 如只有一个受电弓的情况) 。 从上面的分析可以得出，离线时必有电弧产生，且检测电弧能够准确得 到离线信息。 3 1 3 电弧与牵引动力特性的关系 由电弧产生的电压通常比回路中的电压小得多，只在很小程度上影响电 流形状f 2 ”。在大多情况下，电弧在回路中作为个相对较好的导体，因回路 中交流阻抗远大于电弧电阻。因此，电弧电压比回电路电压小，电流几乎全 由回路本身决定。然而，在电流过零点附近，电弧电阻要比交流电阻大得多。 在这种情况下，回路影响电弧电压变化，而不会影响电流形状1 2 6 。j 。同时， 电流自然过零点时，电弧熄灭。在离零点非常近的时刻，气体回复到相对较 好的绝缘体状态，支持小电流回路产生的总电压。在零点，气体从高传导性 的电弧到稳定的绝缘气体的迅速变化，这种现象对评价电磁辐射具有极为重 要的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 i a l o - i o o t f - a 1 f ，m r 甜皤瓣 图3 - 3 电弧电阻形状与时间的关系图 电弧电阻形状与时间的关系如图3 3 所示，分析该图可以得到，由于其 微弱的上升时间，电弧电阻的外形会产生高频率干扰光谱。 图3 4 电弧对机车电压的影响 电弧对机车电压的影响情况如图3 4 所示。从图中可以看到电弧燃烧使 机车电压产生了明显的电压尖峰。其中，第一个尖峰的值远大于其它尖峰的 值，这是因为后面的这些发生在零电流附近。另外，电弧燃烧使机车电压产 生了高频率波纹。 哪 啪 。 一是日脚辫疆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 目十间f s l i 笙l3 - 5 电弧对自耦变压器终端电压的影响 电弧对自耦变压器终端电压影响如图3 5 所示。从图中可以看出，由于 机车对接触网系统的低通滤波特性，电弧干扰已被减小。该电压形状由同时 运行在相邻两区闻之间的机车共同使用。 机车电流 圈3 电弧对自耦变压器和机车电流的影响示意图 电弧对自耦变压器电流和机车电流的影响如图3 ：6 所示。从图中可以看 出，自耦变压器电流出现高频率波动，这种波动会在铁路周围产生电磁辐射。 另一方面，这种波动不会对机车牵引产生影响。这可能是因为机车电力变压 器的滤波特性决定的，变压器的低通滤波器在输入阶段滤掉了高频率电流部 分。 一a】m耻蓑盍芋雒趔制攥皿 iv一耱铆卅ll嚣1雒趔肇_皿 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 3 2 电弧检测原理 3 2 1 光电传感器介绍 由于电弧是一种紫外光，所以可由光电传感器对其进行检测。 光电传感器是以光电效应为基础，将光信号转换为电信号的传感器。由 于其响应速度快，可以实现非接触检测，结构简单等优点，在检测和控制系 统中得到广泛的应用。 所谓光电效应1 2 ”，即是当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量光 予的轰击。于是物体材料中的电子吸收光予能量而发生的相应的电效应，如 电导率变化、发射电子或产生电动势等。通常将光电效应分三类：其一，在 光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应 的光电元件有光电管、光电倍增管等。其二，在光线作用下能使物体的电阻 率改变的现象称为内光电效应，这种光电元件有光敏电阻等。其三，在光线 作用下能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。这种光电元 件有光电池、光敏晶体管等。 3 , 2 2 紫外光电管 紫外光电管是对紫外线具有较高灵敏度的传感器，可利用检测火焰及放 电现象。其结构和工作原理如图3 7 所示l ，透过紫外线的特殊玻璃真空管 中设有一对电极，即阳极与阴极，用仅对紫外线敏感的光电面构成阴极，在 两极之间施加高压。若有紫外线入射到阴极，由于光电效应释放出电子，在 电场作用下被阳极，形成电流，该电流及负载r 上的电压将随光照强弱而变 化。从而实现了光信号转换为电信号的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 1 群i 窗 一蛳”1 一啦拦。 图3 7 紫外光电管的结构与工作原理 3 3 电弧检测法的发展历程 3 3 1 采用电弧检测方法的优势 虽然检测离线有很多种方法，但大多数都只能安装在检测车设备。 传统的方式是利用检测车沿铁路线对接触网进行定期检查，这种方法有 两大缺点，( 1 ) 昂贵，在检测期间需要铁路线上没有其他运行的车辆，通常 只能在夜间进行检测。这样，铁路线的利用率被降低；( 2 ) 有限的检测能力， 一次检测通常只能检测几千米的路程，不能进行大规模检测。( 3 ) 不能对受 流用受电弓进行检测。 与检测车设备相比，电弧检测系统具有以下几个优点： ( 1 )电弧检测系统为非接触检测。 ( 2 ) 成本低，且安装方便，可以安装在机车窗口或机车顶部，不需要 附加设备。 ( 3 ) 可以实现对受电弓与接触网间的接触状态进行实时监控，而不影 响铁路系统的正常运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 ( 4 ) 与其他检测设备相互独立。 3 3 2 电弧检测方法的发展历程 电弧检测系统作为一种非接触的先进的检测系统，在铁路技术发达的国 家，如日本、意大利等国早就开始注意到这一点了。早在1 9 8 4 年，日本f u m i o n a k a m a 3 】等人就提出了以硅光电二极管作为探测器的检测离线电火花的 检测系统。后来日本清水政利【3 0 】等人对光学法离线检测装置的开发做了大量 的研究。 在意大利方面，p i s a 大学0b r u n o ，a l a n d i l l 3 等人在9 0 年代就开始对离 线电弧进行研究，其研究结果如“p h o t o t u b es e n s o rf o ra c t i v ep a n t o g r a p h s ”、 “p a n t o g r a p h - c a t e n a r ym o n i t o r i n g ：c o r r e l a t i o nb e t w e e nb r e a ka r c sa n dh a r m o n i c s i nt h et r a c t i o nc u r r e n t s ”等文章发表在“世界铁路大会”上，并开发了一套基 于光电传感器的离线检测系统。 另外，意大利v g a l d i ，l l p p o l i t o l 2 1 】等人研究了交流铁路系统产生的离线 电弧对机车电流和牵引动力的影响关系。 虽然在电弧检测方面有许多研究者作了大量的研究，但时至今日，还没 有出现一套完善的电弧检测系统。 3 4 离线电弧光谱特征 3 4 1a v a s p e c - 2 0 4 8 - 2 型光纤光谱仪 为测量离线电弧光谱特征，确保得到准确的离线电弧信号，我们购买了 荷兰a v a n t e s 公司生产的a v a s p e c - 2 0 4 8 2 型光纤光谱仪。 3 4 1 1 光纤光谱仪组成部分h v a s p e c - 2 0 4 8 2 型光谱仪为双通道光纤光谱 仪，尺寸为1 7 5 1 6 5x8 5 c m ，双通道光谱响应范围分别为1 5 0 3 5 0 n m 、 3 5 0 1 1 0 0 n m 。它由双通道光谱仪a v a s p e c 2 0 4 8 2 光学平台、2 7 5 m ma v a 工作台，2 0 4 8 像素线阵c c d 探测器、u s b r s 2 3 2 接口、a v a 软件、u s b 数 据线和p s 1 2 v 1 2 5 a 电源组成。 3 4 1 2 光纤光谱仪的使用特点光纤光谱仪测量光谱的实验装置如图3 8 所 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 示。从图中可以看到，测量光由具有光学探头的光纤引入光纤光谱仪平台， 在光学平台中，测量光被按照波长顺序分开，分析结果经u s b 数据线传输至 计算机，再通过软件得到测量光波长分布和光强相对大小。光谱仪软件功能 完善，能将双通道测量结果同时显示出来，可以调节c c d 探测器的积分时 间( 积分时间越长，得到的光信号越强；但如果积分时间过长，会导致某些 波长范围内的信号光强值达到饱和程度) ，且具有自动采集和保存功能。 与传统的光谱仪相比，光纤光谱仪具有体积小、使用方便，且能将测量 光谱结果直接通过软件显示在计算机上等优点。 图3 - 8a v a s p e c 一2 0 4 8 2 型光纤光谱仪的实验装置 3 4 1 3 用光纤光谱仪测量离线电弧波长测量离线电弧时，将光纤探头安装 在机车顶部靠近受电弓的位置，光谱仪置于机车台上。通过笔记本电脑显示 和保存测量结果。光纤安装位置和光纤在机车顶部的走线情况分别如图3 - 9 、 图3 1 0 所示。 图3 - 9 光纤探头安装位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 圈3 1 0 光纤在机车车顶的走线图 由于离线电弧发生的不定时性和短暂性，测量离线电弧波长时，主要通 过光谱仪的自动采集和保存功能实现对受电弓周围光信号的连续采集，从而 得到离线电弧的波长特征。 在光谱仪软件的自动采集和保存功能选项中，有两个选项非常重要：两 次扫描间的延时时间( 以秒为单位) 和所能保存的光谱数。如果将延时时间 设置为0 ，a v a s o i l 会尽可能快地保存光谱，最快可达3 0 m s 保存一次。由于 图形文件命名自动为四位数格式( 如t e s t 0 0 0 1 r o h ) ，所以自动存储扫描次数 最大值为9 9 9 9 次，如果过大，实验数据则无法保存。通过设置这两个参数， 便可实现一定时间范围内光谱仪的自动采集和保存功能如果需要更长时问 的采集，只要开始一个以新名称