（电力系统及其自动化专业论文）高速接触网参数检测系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es e n s o rt e c h n o l o g y 。t h ec o m m u n i c a t i o nb u s a n d t h ec o m p u t e r ，h o wt oa p p l yt h o s eu p t o d a t et e c h n o l o g i e st ot h e c a t e n a r yi n s p e c t i o ns y s t e m ，f o ri m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y ， nowh a sb e c o m ean e wh o tf o c u s a n dt h a ti sa l s ot h en e e df o rd e v e l o p i n g t h en e x tg e n e r a t i o no ft h es y s t e ma tt h eb a c k g r o u n do fh e i g h t e ns p e e do f n a t i o n a lr a i l w a y a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo ft h eh i g h s p e e dc a t e n a r y sp a r a m e t e r s i n s p e c t i o ns y s t e m ，t h ei n s p e c t i o np r i n c i p l ea n da p p r o a c ha r eg i v e ni nt h e p a p e r a n dt h e n ，o n ea v a i l a b l ep r o j e c to ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n sa r eg i v e na n da n a l y z e di nt h i sp a p e r i nt h i sp r o j e c t ， s o m enewt e c h n o l o g i e sh a v e b e e na p p l i e d ，s u c ha sp h o t o e l e c t r i ca n df i b e r o p t i cs e n s o r s ，c a nb u sa n df i b e rc o m m u n i c a t i o n ，i no r d e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i ti st h ef i r s tt i m et h a t ，t h es i g n a l si nl o w v o l t a g ee n v i r o n m e n th a v e b e e nd i r e c t l yp r o c e s s e db yt h em a i nc o m p u t e r t h r o u g hap l u sa d f u n c t i o n a lc a r d t h u s ，t h em a i nc o m p u t e r d i r e c t l y p r o c e s st h es p e e ds i g n a ls ot h a ti tb e c o m et h ec o n t r o lc e n t e ro ft h es y s t e m t h i sc a ni n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，c u td o w nt h ed e s i g nw o r k a n dr e d u c et h et i m ec o s t i na d d i t i o n a l s o m em e a n sh a v eb e e na p p l i e dt o 。b a r r a g ej a m m i n gi nt h es y s t e m ，s ot h a tt h es y s t e mc a nw o r ks t a b l yu n d e r t h ep o w e r f u le l e c t r i cf i e l da n dp o w e r f u lm a g n e t i cf i e l d a f t e rr u n n i n go nt h es i t e ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob ep r a c t i c a l ，a n d c a nr u na tas p e e do f2 0 0 k m h t h em e t h o dc a nb er e f e r e n c et ot h ei n s p e c t i o n s y s t e ma tah i g h e rs p e e do ro t h e rs i m il a rs y s t e m k e yw o r d s ：c a t e n a r ys y s t e m ；i n s p e c t i o nv e h i c l e ：d a t ac o ll e c t i o n d a t ap r o c e s sin g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 铁路是我国国民经济发展的基础，特别是1 9 9 7 年以来几次大规模提速后， 铁路在国民经济建设中的作用越来越重要。多年的运营实践证明，高速和重载是 我国铁路发展的方向。电气化铁路具有高效、重载和对环境污染小等优点，是铁 路向高速化现代化发展的重要途径，也是新线路建设的首选。截止到2 0 0 1 年年 底，全国铁路运营里程达到7 万k m ，其中电气化铁路里程达到1 6 9 万k m ，占全 部铁路里程的2 4 1 。而且，随着旧线改造的深入和新线建设的开展，电气 化铁道里程还将大幅度增加。可以预见，越来越长的电气化铁道将担负着越来越 繁重的运输任务。因此，提高我国铁道的电气化程度，进而以各种措施提高电气 化铁道整个牵引供电系统的可靠性和供电质量，保证其安全和高效运营，是铁路 向高速和重载方向顺利发展的必然要求。 接触网是电气化铁道牵引供电系统的重要设备，它具有以下特点n 1 ： 1 ) 接触网是通过接触线与受电弓之间滑动接触来向电力机车输送电能的，接 触线与受电弓之间的良好接触是保证电力机车取流质量良好的关键； 2 ) 接触悬挂是一个弹性结构，其弹性沿跨距有一定的差异性。受电弓在正常 运行时对接触导线有一定的抬升力，当列车运行速度超过1 6 0 k m h 时，因 接触悬挂沿跨距的弹性不均匀以及受电弓的惯性力的影响，会使受电弓在 垂直方向产生振动，弓网间的接触压力也随之发生变化。当接触压力趋于 零值时弓网间良好的接触受到破坏，这是受流的不良状态； 3 ) 接触网为露天装置，在强风作用下会产生偏移和舞动，当偏移超过受电弓 的工作范围时容易引起弓网事故； 4 ) 接触网是一个无备用的设备，一旦接触网发生事故，将会造成运营中断等 生产事故，甚至是重大的安全事故。 综合以上因素，要保证电气化铁道的安全运营、保证受电弓与接触线的良好 接触和可靠取流，除了需要接触悬挂的设计、施工和运营达到一定的规范要求外， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 还必须进行一系列检测工作，以便及时发现隐患，克服接触悬挂在某些环节中存 在的问题，保证接触悬挂处于良好的工作状态。 接触网检测车是用来对接触网相关技术参数进行检测的专用车辆，接触网参 数检测系统则是安装在检测车上完成具体检测任务的设备。利用接触网检测车来 进行接触网的检测，可以为维护部门发现隐患、保证安全运营；为设计部门提供 选择性能优良的悬挂结构和与之相匹配的受电弓的现场数据依据：为施工部门提 高接触网的工程质量、降低造价和加快建设速度“1 。因此，在接触网的施工和日 常维护中，接触网检测车起着重要的作用。 我国原有的大部分接触网接触车的运行速度是在1 2 0 k m h 以内，在当前铁路 大提速下的背景下已不能适应现场对高速电气化铁路弓网关系检测的要求，因此 研制与高速电气化铁路相适应的接触网检测车是大势所趋。 由于在高速下受电弓的摆动和振动要比低速下剧烈得多，要真实地反映列车 运动过程中的弓网关系，必须使检测用受电弓在技术状态上尽量与机车实际取流 用受电弓达到一致，如受电弓的重量、弹性、风载型面、阻尼等影响受电弓运动 特性的参数 3 - 7 1 因此要求检测用受电弓上安装的传感器越少越好、质量越轻越 好、体积越小越好，从受电弓到检测装置之间的电缆越少越好，所有这些因素都 要求检测系统必须采用性能更优良的传感器，使之能够真实地反映受测对象的状 态。另外也要求采用处理速度更高的计算机系统，以便能够捕捉到变化速度较快 的信号，使检测结果能够真实地反映实际情况。当前，传感器技术和计算机技术 都有了的极大的发展，这为接触网参数检测设备的开发提供了很好的技术条件。 基于上述背景，并结合现场的具体需要，研制出最高允许速度为2 0 0 1 a r f f h 的 接触网参数检测系统。 1 2 接触网参数检测的历史与现状 接触网参数检测技术发展较早的是前联邦德国，早在上个世纪5 0 年代初， 他们就进行了包括受电弓空气动力学特性、接触网悬挂的振动及受流等试验。其 后，法国进行了大量的实际线路受流试验：日本在这方面也做了大量的研究和试 验，开发出一系列根据不同的要求而设计的接触网检测车；奥地利在光学非接触 法检测接触网参数的研究中取得了很大的进展。国外的接触网检测技术的研究一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 般是根据本国的实际情况，选择适合本国线路状况的研究重点，如德国的检测车 突出检测弓网问的接触压力，法国突出检测接触悬挂的动态弹性，曰本则突出检 测弓网离线、接触线磨耗。”“” 在高速接触网参数检测技术研究方面，由于国外铁路高速化研究和实践比较 早，他们取得了较大的进展。比如法国的6 0 8 7 9 9 9 7 1 5 2 8 型接触网检测车上的 检测系统，能在列车运行速度达到2 7 0 k m h 时正常工作。“ 国内最早进行接触网参数检测技术研究的是铁道部铁道科学研究院，他们从 上世纪6 0 年代开始跟踪和学习国外的技术。7 0 年代后期成都铁路局和原西安铁 路局也参加到研究接触网检测设备的行列。西南交通大学从8 0 年代开始研究接 触网检测技术，并陆续开发了j j c q 型、j j c - 2 型、j j c - 3 型接触网检测车，在 多年的现场使用中取得了较好的效果“1 。由于当时我国列车平均运行速度为 4 0 k m h ，检测系统t b 较关注的是检测接触网的静态结构参数，如拉出值、接触线 高度等。这些检测车基本上是属于低速接触网检测车。对接触网进行检测时检测 车运行速度不超过1 6 0 k m h ，不能适应电气化铁路向高速方向发展的需要。其次， 由于当时的计算机和传感器技术的限制，使得检测系统的处理速度较低，检测的 参数基本上是一个跨距一组数据，检测结果不能全面反映接触网的运行状态。第 三，随着软件技术的快速发展，原来的数据处理系统越发显得“呆笨”，操作界 面不够友好，事后分析过于简单，越来越难以满足用户的需要。 为此，为适应铁路事业快速发展的需要，研究新一代具有自主知识产权的接 触网参数检测系统就成为了一个迫切的课题。 1 3 本论文的主要内容 本论文侧重于高速接触网参数检测系统硬件及底层软件的设计与实现，涉及 到参数检测系统的硬件方案的设计，原始物理信号的检测、采集、转换、传输， 操作信息的接收、处理和执行等方面内容。主要采用的新技术有新型传感器、c a n 总线、光纤通信、集成采集卡等。 本论文分为六部分：第一章即为本绪论，主要阐述课题的提出背景、研究意 义、国内外的研究动态等内容：第二章介绍接触网各项参数的检测原理、所使用 的传感器及其安装方法等内容；第三章对整个系统进行硬件方案设计，介绍了检 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 测参数在完成数字转换后，如何通过传输介质传送到中心计算机，包括各个模块 的硬件设计等内容：第四章对系统的底层软件进行设计，包括各模块的运行程序 设计和模块间通信规约设计等内容；第五章介绍了系统的各种干扰源以及相应采 取的抗干扰软硬件措施；最后是结论部分。 经过一年多的设计和现场安装调试，在取得直接的现场运行数据后撰写本 文。但限于个人的理论水平和实践经验，系统的设计难免有不尽人意的地方，还 有待迸一步的研究和改进，以便提高系统的检测精度、可靠性等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章接触网参数检测原理 电气化铁路接触网是一种特殊形式的供电线路，它的任务是向电力机车不间 断地供电。在当前铁路运输极端繁忙、列车运行速度日益提高的情况下，为保持 其良好的技术状态，以保证铁路的安全运营，必须定期对接触网相关设备进行检 测维护，以便及时发现隐患。 接触网参数检测是在列车运行过程中对接触网自身的结构参数、受流系统 的各项机械电气参数等进行动态测量，以此来评价接触网工程质量、运营质量等。 接触网参数检测系统的主要检测项目如表l 一1 所示“”“1 ： 表1 1接触网主要检测参数 序号 检测项目 测量范围分辨率测量误差备注 1 导线高度 5 1 0 0 6 7 0 0 姗b m ml o m m 2 拉出值 6 0 0 r a m1 0 m m2 0 r a m 3 定位点1 9 9 91 o可人工修正 4 接触压力0 2 0 0 n 5跨距0 9 9 m1 5 m m0 5 m 6硬点1 5 0 g 1 g 1 1 0 及 1 5 合格定性测试 1 0 平行线间距 0 1 2 0 0 m m 1 0 m m 2 0 m m l l 接触线高度差 0 5 0 0 m mb ml o m m 1 2 速度o 2 0 0 k m h 1 k m h l 1 3 走行距离 0 9 9 9 9 k ml m 1 1 4 环境温度一3 0 6 0 0 5 1 1 5 水平补偿4 0 m m l m m 1 非接触 1 6 测滚补偿 4 0 m ml5 f i r e l 非接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 7 网压 1 8 3 0 k vi o v 5 这些参数可以分为三种类型：接触网几何参数、弓网关系参数和辅助参数。 拉出值、定位器坡度、线岔、导线高度、跨距等属于接触网几何参数，它 们是接触网中与运营安全密切相关的接触网自身结构的参数，在低速接触网参数 检测中属于较为关注的项目；在高速接触网参数检测中这些参数同样不能忽略。 接触压力、硬点等属于弓网关系参数，在低速时它们对接触网的安全运营 影响较小，但在高速时它们是影响弓网之间受流质量的重要因素，而弓网之问受 流质量则是限制电气化铁道列车运行速度的主要因素。因此这些参数是高速接触 网检测特别关注的项目。 其它一些如速度、定位点、温度、补偿等属于接触网检测的辅助参数，对 检测结果起到定位参考、辅助分析等作用。 对以上参数的检测主要是结合该参数的性质和特征，通过传感器从被测对 象中获取其信号信息，转换为电信号后传送给计算机来进行进一步的分析处理， 从而得出该参数的测量结果。 下面对主要的参数测量原理进行分析说明。 2 1 接触线拉出值检测 在电气化线路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触线在 线路的直线段布置成之字形，在曲线段布置成折线的形式。而且此折线一般与受 电弓中心的行迹相割或相切。这种折线在定位点处接触线距受电弓中心线行迹的 距离称为拉出值；在直线区段上，接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离 称为之字值。为方便起见，统称为接触线拉出值。“1 如果接触线拉出值设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗、延长受电弓寿命的 目的。如果拉出值设置得太大，在某些情况下接触网容易因为超出受电弓的有效 工作范围而造成弓网事故。为了避免这些现象的发生，要经常检测拉出值的大小 及其变化。“1 接触线拉出值的检测方法主要有两种“”“：接触检测法和非接触检测法。 下面分别阐述： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 i 1 接触检测法 接触检测法就是通过在模拟受电弓滑板中心左右6 0 0 m m 范围内，每隔一定 距离安装的两组传感器来进行检测的。这样的传感器有电磁式接近开关、光纤传 感器等。 4 一 零零| | 辫8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 肾0 0 。o 1 | l l 。0 。0 。0 。0 。0 。0 。0 。0 。0 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 d 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 圭ll 客客 图2 一i拉出值检测光纤传感器光纤头在受电弓上布置 图2 2 光纤传感器的结构与测量原理 图2 一l 即为采用光纤传感器进行拉出值检测时传感器的布置图，这种光纤 传感器由两根反射型光纤管和一个光纤放大器组成，如图2 2 所示。图2 一l 中， 反射型光纤管按一定间隔距离通过固定螺栓安装在受电弓上，光纤放大器安装在 高压箱内。光纤管将光纤放大器的激光信号传送出去，当有导线处于某个光纤管 上方时，由于导线遮挡而反射回来的激光通过配对的光纤管传送回光纤放大器 中，放大器就产生一个逻辑电平为“1 ”的输出信号；而当光纤管上方没有导线 时，发送出去的激光无法反射回来，于是传感器输出0 。每个传感器按顺序进 行编号，经过处理电路读取当前传感器组的编码，根据这个编码就可以计算出当 前拉出值的大小。 采用光纤传感器主要优点是：反射型光纤管质量轻，比采用一般的电磁式接 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 近开关在重量上要减少8 0 ，不会大幅度增加受电弓弓头质量，对受电弓的动态 特性影响较小，这对高速下的检测结果有非常大的改善：而且光纤管的外形尺寸 很小，在滑板上可以减小至1 0 m m 距离安装一对配对的光纤管，这样就提高拉出 值了的检测精度。另外，它跟电磁式接近开关一样，不与接触线直接接触，不受 导线磨压，也不受气象条件、昼夜及线路情况( 有无隧道) 等条件的限制，动作 灵敏可靠。但是，由于现场环境复杂，为避免因灰尘等杂物覆盖在光纤管头部而 影响检测结果，需要定期清洁光纤管头部。 2 1 2 非接触检测法 不通过在受电弓滑板上安装传感器而测量拉出值的方法称为拉出值测量的 非接触法。非接触法主要有激光扫描和c c d 图象处理两种。 l 、激光扫描法 激光扫描法是通过安装在车顶的激光距离传感器和光学扫描机构构成1 1 9 1 如图2 3 所示。 光 激光传感器 一口 ( a )( b ) 图2 3 激光扫描法测量拉出值 图2 3 ( b ) 中，激光距离传感器发出的激光经过扫描机构反射后形成了如 图2 3 ( a ) 中的锥角为a 的锥形扫描激光，当这个激光遇到接触线而被反射， 根据光路可逆原理，反射的激光将会原路返回，通过传感器的内部测量电路即可 测量出激光所走过的折返距离了：由于激光传感器到扫描镜面的距离可以看成使 固定的，从而可以计算出扫描机构到接触线的距离，即图2 3 ( b ) 中的l 值。 而扫描机构装有角度位移传感器，可以测量出当前扫描机构转过的角度，即图2 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一3 ( a ) 中的扫描角0 。通过下列( 2 1 ) 式可以就可以计算出当前接触线的拉 出值s ，而且还可以通过( 2 2 ) 计算出接触线的高度h 来： s = l s i n ( f l 一= a ) ( 2 一1 ) h = l c 。s ( 一i a ) ( 2 2 ) 这种方法的优点是不在受电弓上安装传感器，对受电弓不产生附加重量，从 而使检测用的模拟受电弓能够真实地反映实际的弓网关系，使检测结果更加接近 实际情况。但这种方法的缺点很明显，就是光学扫描机构的加工与安装的精度要 求都非常高，较小的加工或安装误差都会在检测结果中放大，使检测误差增大。 因此，这种方法目前应用较少。 2 、c c d 图象处理法 c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e - - 电荷耦合设备) 图像处理法 2 0 l p 是通过安装 在车顶位置的c c d 摄像机，把受电弓与接触网的动态图像拍摄下来，然后通过 二值化、模式识别等图像处理手段，将接触线在受电弓上的相对位置分析计算出 来，从而得到接触线的拉出值。 这种方法的最大优点是检测设备与受电弓、接触线等是完全隔离开来的，也 不需要在受电弓上安装附加的设备，能够更真实地反应动态下的弓网关系；缺点 是算法非常复杂，处理速度较慢，难以满足实时处理的要求。 2 2 接触线高度检测 接触线高度是指接触线到轨面的距离，对它的测量有两个方面的意义。首先 是在静止状态下，测量接触线保持的应有高度，其最高位置不能超过6 4 5 0 m m ， 最低位置应满足通过国家规定的最大超限货物而保持5 3 7 0 m r n 。静止测量是为工 程和维修单位提供参考数据。其次是在运行状态下，即在列车运行中测量受电弓 沿接触线的运行轨迹，为研究接触悬挂的质量和受电弓的性能以及受流状态提供 分析资料。“1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 1 角度编码器测量法 接触线高度的测量原理如图2 4 所示。图中c 为受电弓底座的绞支轴，b 为受电弓下臂杆与水平面之间的角度，h 为接触线到c 点的垂直距离，由于c 点 到轨面的距离在受电弓安装后是定值h d ，于是接触线高度h 有： h = h + h o ( 2 3 ) l l 一受电弓滑板；2 一受电弓上臂杆； 3 一受电弓下臂杆；4 一车顶；c 一角度编码器安装部位 图2 4 接触线高度角度编码器测量法 这样对目的测量就转化为如何测量h 的问题了。受电弓的机械结构决定了滑 板上的位置0 点只能沿铅垂线0 0 上下运动，从图2 4 可以得出h 与b 之间的 函数关系： 厂= ：一 h = 如s i n f l + 、厶2 一上。2 一l 2 c o s 一2 如岛c o s , f l ( 2 - - 4 ) 图2 - - 5 b h 的曲线( l 2 = 1 ，l 3 = 0 1 时) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 由机械结构的关系可以有：l l _ l ，+ 厶，这里假设厶= l ，l 3 = 0 1 ，则当 【0 ，石2 】时b h 的曲线如图2 5 所示。 从图中可以看出，当1 3 增大时，h 也随之增加( 即接触线上升) ，二者为单 调递增的对应关系。通过一个安装在c 点的角度编码器，可以把对应于某一h 值的角度b 测量出来。把多个这样的对应值纪录在计算机内，建立一个b h 对应 表。然后在检测过程中，对测量出来的b 值通过查表，采用分段线性插值法把h 计算出来。从而测量出当前的接触线高度日。 这种方法的缺点是受电弓及传感器机械部分的转动和同步响应速度较慢，对 测量的精度有一定的影响。在实际应用中应该考虑这个问题，尤其是在高速时受 电弓上下振动加剧，使用这种方法将会使测量误差增大。 2 2 2 激光距离传感器测量法 这种方法是直接使用激光距离传感器来测量h ，如图2 6 所示。通过安装 在受电弓底座上的激光距离传感器，测量从底座到受电弓滑板附加的反射板上某 一固定点之间的距离，即相对于图2 4 中的 值，从而可以得到接触线高度h 值来。这种方法具有检测精度高、跟随性能好、响应速度高等特点，是高速接触 网检测中接触线高度检测方法研究的一个发展方向。但这种方法也有缺点，在露 天使用时，如果太阻光很强，激光距离传感器容易造成受光饱和而影响其正常工作。 1 一受电弓滑板；2 一受电弓上臂杆；3 一受电弓下臂杆 4 一车顶；5 一激光测距传感器：6 一反射板 图2 6 接触线高度激光距离传感器测量法 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 接触线硬点检测 当接触网上有吊弦脱落、线夹偏斜、分段、分相等设备安装不当，造成接触 线局部弹性变差，在列车高速运行情况下，这些部位都会出现不正常抬高，甚至 出现打弓现象，形成这种现象的本征状态称为硬点。硬点是一种结构的本征欠缺， 并且是相对的，列车速度越高硬点表现越明显。硬点是一种有害的物理现象，它 会与加速接触线和受电弓滑板的异常磨耗和撞击性损害，同时破坏弓网间的正常 接触和受流，常在这些部位造成火花或拉弧，影响弓网良好受流和弓网寿命，情 况比较严重的硬点还会危及行车安全。可见，对于高速电气化铁路接触网，硬点 的检测是十分必要的。“1 。 正常情况下受电弓在短时间内可以认为是匀速运动，受电弓加速度较小。当 遭到硬点打击后，受电弓瞬间会受到一个很大的冲击力，并产生与受到的冲击力 大小成正比的加速度。可见硬点是造成受电弓加速度突变的主要因素，检测受电 弓的加速度即可确定受电弓所受冲击大小及对受电弓的影响程度。 受电弓的加速度可以用安装在受电弓滑板内侧的加速度传感器来测量，如图 2 7 所示。传感器与受电弓形成一体，受电弓加速度的大小与该传感器输出信 号的幅值成正比，于是通过测量该传感器的输出信号幅值可确定受电弓所受冲击 大小。 受电弓弓头 图2 7 硬点检测加速度传感器安装 由于对同样性质的硬点，在不同速度时对受电弓的影响是不同的。在其它条 件相同情况下，列车运行速度越高，受电弓在相同硬点处受到的影响也就越大。 因此，讨论硬点对受电弓所造成的冲击应考虑列车运行速度因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 弓网接触压力检测 接触线与受电弓间的动态接触压力及其变化分布情况是弓网系统受流特性 的评价标准之一“1 。当列车运行速度超过1 6 0 k m h 时，由于接触悬挂沿跨距的弹 性不均匀性以及受电弓惯性力的影响，使受电弓在垂直方向产生具有一定振幅的 振动，导致接触压力发生变化。当接触压力过小时，就容易产生电弧或引起电流 中断，使取流受到破坏，因此必须保证接触压力不低于某一最小值；当接触压力 过大时，接触线抬升量过大，使接触线局部弯曲，引起接触线疲劳损伤，同时使 接触线磨耗增大，严重时造成弓网事故，因此接触压力不能超过某一最大值。根 据文献【2 1 】，对于2 0 0 2 5 0 k m h 接触网受电弓系统，动态接触压力最小值不宜小 于4 0 n ，最大值不宣大于2 0 0 n 。因此，对接触压力的测量是高速接触网检测的 非常重要的一项内容。 通过安装在受电弓滑板四个支撑弹簧或螺栓部位的称重传感器，可以测量出 受电弓滑板与支撑螺栓之间的内力，如图2 8 所示 2 2 1 进而可以计算出弓网间 的接触压力。接触压力的计算如图2 9 所示。 图2 8 接触压力测量传感器安装位置 图2 9 接触压力计算 在图2 8 为受电弓上其中一块滑板的受力图，图中f 为要测量的接触压力， f l 、f 2 为称重传感器的测量值，a 为滑板的加速度，所有物理量以向下为正。设 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 滑板当量质量为m ，根据牛顿第二定律有滑板垂直方向的力平衡方程： f f 只一m a = 0 ( 2 5 ) 式中加速度a 可以通过2 3 节“接触线硬点测量”中加速度传感器测量出来， 于是得： f = f + e + m a ( 2 6 ) 把两块滑板的接触压力测量出来后，二者相加即可得到弓网之间的接触压力 了。 2 5 接触网电压检测 接触网电压的高低是衡量供电质量优劣的指标之一“。接触网始端电压不能 高于3 0 k v ，末端不能低于1 9 k v ，在此范围之外的供电电压将会给电力机车带来 不良影响。 接触网电压是通过安装在车顶的电压互感器来测量的，如图2 一l o 所示。电 压互感器将接触网上2 7 5 k v 变换为1 0 0 v 交流电压，然后通过交直电压变换器变 成与接触网网压成正比的直流电压信号，使0 3 0 k v 交流电压对应0 5 v 直流 电压。这样再通过测量这个直流电压的大小，并经标定变换就可以得到接触网的 交流电压值了。 2 2 6 定位信号检测 图2 1 0 接触网网压测量 接触网检测车对接触网的参数进行测量，经计算机处理后存入磁盘供用户查 询或经打印输出，这样就要以一定的形式将结果表现出来，以便用户根据这个结 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 果来确定检测的数据是属于线路中那一点的结果从而可以对线路中接触网有问 题的地方进行整改和维护。这里面就涉及到如何将检测结果与线路数据相结合， 也即检测结果的坐标问题，这就是检测定位信号的目的。实际上，如果定位信号 检测不准或误差太大，即使其它参数检测结果很准确，这个检测结果也是没有意 义的。 接触网是沿线路架设的，每隔一定距离就有一个定位点，每个定位点处的支 柱都有一个在所属线路中的唯一编号，因此使用支柱编号作为检测结果的坐标将 使检测结果很容易为工作人员理解和接受。 定位信号除了支柱信号外，还有速度信号、里程信号、支柱间距信号等，这 些都是为确定检测结果坐标、相对坐标参考点和支柱编号提供依据的。 2 6 1 支柱信号检测 支柱信号是通过在受电弓弓头两端安装的光电传感器来检测的，如图2 1 1 所示。当受电弓通过支柱位置时，在受电弓上方将有定位器通过，定位器将会因 遮挡光电传感器发出的激光而将激光反射给传感器，传感器接收到反射回来的激 光后，输出一个开关量信号，这样就可以检测出支柱信号了。 光电传感器 图2 1 1 支柱信号检测 由于电气化铁道线路上双腕臂、软横跨目标较多，尤其是线岔，当通过这些 目标时，会造成光电传感器的误动作，这样的错误信号，只能通过软件来进行屏 蔽。即准确的支柱信号要依靠光电传感器以及有丰富数据库的计算机来共同完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 6 2 检测车运行速度、里程及支柱间距检测 支柱位置的判断准确，不仅需要通过检测到的支柱信号，而且还要通过计算 机根据当前检测车的运行距离计算出前一支柱到当前位置的距离，再结合线路数 据库中当前所处一跨的跨距，综合判定刁能确定光电传感器输出的支柱信号是否 有效。所以检测车的运行里程和线路的支柱间距是非常重要的支柱位置判定的辅 助依据。 另外，某些检测参数与检测车的运行状态有很大关系，不同的运行速度下有 不同的检测结果，因此要测量检测车的运行速度。 在检测车的一个车轴的轴头上安装有光电式速度传感器，车轮每转动一周， 光电式速度传感器就输出2 0 0 个脉冲，这样根据计算机所测得的脉冲数，就可以 计算出车轮转过的角度，结合车轮的直径，从而计算出检测车走过的距离，而单 位时间内所走过的距离就是检测车的速度。两个定位点间的距离就是支柱间距。 这种测量方式只能测量列车因车轮的纯滚动而走过的距离，不能测量因车轮 的平动( 如当列车刹车时的平动) 而走过的距离，因此，这种方式有一定的测量 误差。随着科技的发展，将来应该考虑使用g p s 进行检测车的定位。 2 7 环境温度检测 由于物体的热胀冷缩特点，当环境温度发生变化时，接触网的线索就会由一 种状态变为另一种状态，从而造成接触线的拉出值、高度、弓网接触压力等参数 也相应的发生变化，因此对接触网参数的检测离不开对环境温度的检测，在给出 检测结果的同时，也给出检测过程中的环境温度，检测结果才更有意义。 在接触网检测车中，使用热电阻检测车体外的环境温度，这种热电阻能将一 定范围内的温度转换为o 5 v 直流电压，测量此电压并经标定变换后即可得到实 际的环境温度了。 2 8 补偿信号检测 检测车在运行过程中，t b 于自身机械机构、轨道、风力的因素，会产生各种 形式的振动，这种振动使车体产生相对于线路中心线的水平位移及相对于轨面的 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 垂直位移。其中，水平位移对接触线拉出值等水平距离参数的测量结果有影响： 垂直位移则对接触线高度的测量有影响。为了准确地测量接触线的拉出值和导线 高度值，需要对因车体振动而产生的测量误差进行修正，这称为补偿。 运行中的列车车辆是具有弹簧支撑装置的多自由度振动系统，在实际线路上 运行时会产生复杂的随机振动，要测量全部自由度上的振动量并计算其对检测结 果的影响，是很复杂而且也是没有必要的。根据文献2 ，2 9 0 2 9 3 知，对拉出值检 测影响最大的是由于车辆的侧滚运动而造成的受电弓中心水平横向偏移，其次是 车体的横向摆动。这两个是补偿检测的重点。 通过安装在车箱侧墙下的光电距离传感器，可以检测车箱外沿与轴箱之间的 垂直距离，通过计算合成可以得到车体的侧滚量。利用安装在车底板下的光电距 离传感器，可以检测车底板与转向架的横向移动量，即车体的横向摆动量。然后， 根据一定的补偿算法，就可以对因这些运动量造成的检测误差进行修正了。 2 9 离线检测 离线是指电力机车在运行中其受电弓与接触线的机械脱开。受电弓和接触悬 挂都是具有一定弹性的设备，受电弓随着机车的高速运行而在接触线上高速滑 行，由于接触悬挂弹性沿跨距周期波动的特性、接触线上的硬点、受电弓自身的 重量、风力等因素的影响，会使受电弓在沿接触线滑动过程中产生垂直方向的加 速度，从而引起接触悬挂的振动，这样就会造成受电弓与接触网的良好接触受到 破坏，造成弓网脱离。n 离线是一种不正常的现象，是判断接触网受流质量的重要指标。衡量离线现 象严重与否的量化指标称为离线率，它定义为离线时间占测量时间的百分率2 1 ： c 、= 孚1 0 0 ( 2 - - 7 ) 式中 c s 离线率； r 在测量区间内受电弓通过的时间； 珏在测量时间t 内滑板从接触线上脱开的时间总和。 对接触网检测车测量剐f l 勺受电弓( 不取流) 而言，在发生离线时它伴随以下 特征现象发生“1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 1 ) 产生火花，火花电流变化陡峭： 2 ) 受电弓与接触线间电阻变大； 3 ) 受电弓与接触线间接触压力趋于零。 根据上述三个特征，可以有三种对应的方法测量受电弓的离线率。对特征， 可以采用火花传感器检测弓网之间产生的电弧的持续时间，即可得到离线时间； 对特征二，根据文献 2 ，2 7 7 2 7 8 ，可以采用对与受电弓相连的电压互感器次边输 出的电压波形进行监测的方法来测量离线时间：对特征三，可以由上面对接触压 力的测量结果中，把接触压力趋于零值的时间计算起来即可得出离线时间。 结合实际需要，当离线时间超过0 1 m s 时才判为离线，低于0 1 m s 的小离线 可以忽略不计| 2 1 0 2 1 0 定位管坡度检测 定位器是支持和确定接触线相对于线路中心横向位置的装置，接触线拉出值 的大小就是靠定位器来决定的。连接定位器的定位管通常安装为1 ：1 0 l ：6 的坡 度。坡度过小时电力机车通过定位点容易因抬高过大造成受电弓滑板撞击定位 管，坡度过大则影响悬挂点的弹性。 定位管坡度的检测如图2 一1 2 所示，图中a 为定位管末端定位钩中心到轨面 的距离，b 为定位管另一末端到接触线的距离，l 为定位管的长度，这些参数可 以通过接触网设计和竣工图纸得到。h 为接触线的高度，其测量方法前面已有介 绍。 g ! 一1 2 定位管坡度检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 由图中的几何关系可以得到定位管的水平倾角b ： p 咄s i n ( 竺二) ( 2 在测量出定位点处的接触线高度h 后就可以测出定位管的坡度。 2 11 线岔处始触点检测 在电气化铁道的站场上两股道相交处形成道葫，两股道接触网在道岔上方交 叉就形成了线岔。线岔的作削是保证受电弓安全平滑地从一条接触线过渡到另一 条接触线，达到转换线路地l j 的。“” 当受电弓从一股道通过线岔时，由于受电弓有一固定宽度，因此在未运行到 两导线交叉点处之前就已经接触到另一股道接触线了，该接触点就叫“始触点”。 如果在始触点处两导线的高度差过大，就会因为受电弓的抬升力作用而使得高度 差增大而容易发生刮弓或钻，j 。为避免在始触点发生弓网事故，要经常检测始触 点的位置，并检查在始触点附件有无设备进入。 始触点的检测方法是在受电弓两侧诱导角处一定位置各安装两个接近开关， 如图2 1 3 所示。若有导线通过此处，则说明该处不正常，两个接近开关代表两 个事故级别，若最外侧接近) r 关动作，则说明该处一支接触线随时会危及行车安 全，必须立即调整。 图2 1 3 线岔始触点检测 2 1 2 本系统检测的参数及采用的检测方法 根据现场的实际情况和，| | j 户的实际需要，本系统只对接触网的部分参数进行 检测。其中一些参数的值是通过传感器直接检测而得到的，这些参数称为一次参 数，如表2 2 所示；另一”；参数的值则是通过对+ 次参数的值进行j ：次运算处 理而得到的，称为二次参数，如表2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表2 2 本系统检测的一次参数及其检测方法 序号检测项目 所采用的检测方法 l 拉出值 采用图2 一l 所示的光纤传感器接触检测法 2导线高度采用图2 4 所示的1 3 位角位移传感器检测方法 采用图2 6 所示的加速度传感器来检测 3硬点 ( 但只检测上下两个方向) 4 接触压力采用图2 7 所示的方法 5支柱信号采用图2 一l o 所示的方法 6速度采用光电式速度传感器进行检测 7 环境温度 采用热电阻检测 8水平补偿采用红外高度传感器进行检测 9测滚补偿采用红外高度传感器进行检测 l o线岔始触点采用图2 1 2 所示的方法 表2 3 本系统检测的二次参数及其检测方法 序号检测项目采用的检测方法 1 平行线间距由两根平行线的拉出值相减得到 2接触线高度差由相邻两个测点的接触线高度相减而得 3行走距离由速度与行走时间之间积分而得 由支柱信号结合线路数据库、 4 定位点 行走距离综合判断而得 本章小结 在这一章中，主要对接触网各项主要参数的检测意义、检测内容、检测方法， 以及检测所用传感器的类型和安装方法等内容进行了详细的阐述。这里采用了一 些新型传感器和新的检测方法来处理高速下接触网参数检测遇到的新问题。 通过传感器把被测对象的物理状态“捡出”，使其从物理信号转变为可以测 量的电信号，这样后续处理系统就可以进一步处理了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章检测系统硬件设计 接触网参数检测系统是一个“单纯的”对有关参数只检测而不控制的系统， 具有一般检测系统的基本特征：以计算机为中心，通过传感器对被测对象有关信 息进行采集，然后通过一定的输入通道传送给计算机进行处理。如图3 一l 所示“”： 图3 1 检测系统基本构成 从图3 1 中可以看出，接触网参数检测系统硬件组成方案的设计主要涉及 五个方面的问题： 1 ) 确定需要检测的各个参数，即确定被测对象： 2 ) 针对各个被测对象，怎样设计合适的检测方法和选择合适的传感器： 3 ) 对确定的传感器信号，如何进行信号的调理、采集、变换、编码，使之 转换为能够由计算机进行处理的数字信号； 4 ) 怎样设计数据的传输通道，以便适应高速检钡4 的要求，使计算机能够进 行有效及时的处理； 5 ) 对计算机处理后的信息，通过何种方式来方便的、及时的、生动的表现 和给出检测结果。 与其它检测系统相比，接触网参数检测系统又具有其特殊的地方： 1 ) 接触网检测系统是安装在高速行进的列车上的，由于列车空间有限、运 行过程中会产生各种振动，所以要求检测设备所占空间尽量少、并具有 良好的抗震性能： 2 ) 要检测的各被测对象相对集中地分布在列车的多个部位。在本文所设计 的接触网参数检测设备中，要检测的被测对象大部分集中分布在受电弓 上( 处于高压环境) ，其余则主要分布在四个轮轴部位( 处于低压环境) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 因此整个系统需要设置的节点数不多。 3 ) 为保证检测精度，接触网检测系统对参数的检测要求一般是每米一组数 据，则在列车运行速度为2 0 0 k m h 时，要求检测系统一次巡回检测所有 参数所需的时间应小于1 8 m s 。 3 1 系统整体方案设计概述 在对系统整体方案进行设计前，首先要对系统中所有需要处理的数据的来 源、意义、格式、数值范围等特征进行分析，然后根据这些特征来确定方案。 在本系统中主要有以下几个类型的数据“1 ： 1 ) 模拟量：接触压力( 4 路) 、补偿信号( 4 路) 、硬点、环境温度等； 2 ) 数字量：拉出值( 最多为6 l 位) 、接触导线高度( 1 3 位) 等： 3 ) 脉冲量：支柱信号脉冲、距离脉冲等。 另外，由于接触网上2 7 5 k v 的高压，所以这些数据可以按其所处位置分为 两组，其中： 1 ) 处于高压设备中的数据有：拉出值、接触导线高度、支柱信号、硬点等； 2 ) 处于低压设备中的数据有：距离脉冲、补偿、环境温度等。 根据这些特点，对各个数据的处理方式可以分为以下几种： 1 ) 对杆位信号、拉出值等处于高压设备中的开关量数字量，由于它们位于 车顶受电弓上，而且其位数较多，不可能采用并行传输的方法传送到车 内，只能采用串行传输方式，以减少系统布线数量；另外一些变化较快 的数据，如杆位，需要有中间环节进行缓存以便信息不丢失。这样，在 数据从采集单元出来后，可以经过一个前置通信单元来进行数据缓存， 然后再传给主机来处理。 2 ) 对高压设备中的模拟量信号，可以通过一个高压模拟量采集单元进行本 地采集( 即在车顶) ，采集好数据后传送给车内的前置模拟量接收单元进 行接收缓存，然后才传给主机； 3 ) 对低压环境下的信号，可以在进行信号调理后直接送入主机，”由主机完 成