（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路弓网燃弧检测系统研究.pdf

a b s tr a c t e l e c t r i f i c a t i o na n dh i 曲- s p e e di st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ep r e s e n tw o r l dr a i l w a y t r a n s p o r t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n s t r u c t i o no f c h i n e s eh i g h - s p e e dn e t w o r ki sg r a d u a l l yp e r f e c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo r rc o u n t r y sh i g h - s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a y , i nh i 曲- s p e e d r a i l w a yt h er e q u i r e m e n to fq u a l i t yb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc a t e n a r yi si n c r e a s i n g l ys t r i c t b e c a u s eo f f l i n eb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc a t e n a r yi sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sr e l i a b l e c o l l e c t i n g , a n da r c i n gi st h ei m p o r t a n te f f e c t i n ga b o u t o f f l i n eb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y , s oa r c i n gb e t w e e np a n t o g r a p ha n dc a t e n a r yg e t sm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n b a s e d0 1 1t h er e s e a r c h i n go fd e t e c t i o nm e t h o da b o u te x i s t i n go f f i i n eb e t w e e np a n t o g r a p h a n dc a t e n a r yb o t hh o m ea n da b r o a d , d e s i g n i n gt h e 虹g h - s p e e dr a i l w a yp a n t o g r a p ha n d c a t e n a r ya r c i n gd e t e c t i o ns y s t e mb a s e d o ni m a g ep r o c e s s i n g t h i ss y s t e mu s ei n t e l l i g e n tp l a n a r a r r a y c a m e r a sw h i c ha s s e m b l e db o t hs i d e so fp a n t o g r a p ht op h o t o g r a p h e dc a t e n a r y c o n t i n u o u s l y , u s i e di m a g ep r o c e s s i n ge x t r a c tt h ee d g e o fa r c i n ga n do b t a i nt h ep o s i t i o n i n f o r m a t i o nt r a n s f e rf r o mt a x b o xi nr e a lt i m e ，s a v ed e t e c t i o nd a t af o rt h er e l e v a n td e p a r t m e n t r e f e r e n c e f i r s t l y , t h i sa r t i c l es t u d i e do i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r c i n gb e t w e e np a n t o g r a p ha n d c a t e n a r y , t h er e a s o no ft h ea r c i n gp h e n o m e n a a n dt h eh a r mo fa r c i n gp h e n o m e n ab a s e do nt h e e l e c t r i c a lc o n t a c tt h e o r y ；a f t e rac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gr e l a t e d a l g o r i t h m s ，d e s i g n i n gi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mw h i c h s u i t st ot h i ss y s t e m a f t e rr e s e a r c h i n g o i lt h ei m a g e i n gp r i n c i p l eo ft h ec a m e r a , b a s e do i lt h er e q u i r e m e n to fd e t e c t i o nt a s ka n d s t u d i e do nt h er e q u i r e m e n to fs y s t e mw o r k i n ge n v i r o n m e n t , c h o o s em v c i o o o d a m g e 3 0 g i g a b i tc o l o rc a m e r a o fm i c r o v i e wc o m p a n ya n d4 m mw i d e a n g l el e n sa sd a t ap r o c e s s i n gu i 血， i n d u s t r yc o m p u t e ra sd a t ap r o c e s s i n gu n i t ，r e a l i z et h et h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e b a s e do nt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gt h e o r ya n dt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gt e c h n i c h , a n a l y s e ，d e s i g na n dr e a l i z et h es o f t w a r ed e t e c t i o ns y s t e m , f i n a l l yf i n i s ht h ed e s i g no ft h e 1 1 i 曲一s p e e dr a i l w a yp a n t o g r a p ha n dc a t e n a r ya r c i n gd e t e c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y ；a r c i n g ；d e t e c t i o ns y s t e m ；i n t e l l i g e n tp l a n a ra r r a y c a m e r a s ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密i 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打1 j ”) ， 指剥币躲伊锄移 日期：沙- o 箩弓口起矽 岔 研功 签 肌 糕 瑚 体 日 文论位学 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本文在研究国内外弓网离线检测方法的基础上，将图像处理技术应用于弓网燃弧 的检测，从而判断弓网离线现象的产生，实现了非接触式接触线测量技术的新发展。 2 在研究数字图像处理技术相关算法的基础上，针对接触线架设背景分析提出了适 用于本系统的图像处理算法，使用智能面阵相机和稳定的工控机确保了系统实时检测速 度及检测精度。 3 运用图像处理技术编制了系统数据处理程序，通过对燃弧图片的处理验证了本检 测系统的可行性。 本人郑重声明：所呈爻的学位论文，是在导帅指导f 独立进行研冗工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将f h 本人承担。 学位论文作者签名：管怒 日期：冲f 如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 铁路是我国重要的运输工具之一。电力机车牵引具有运输能力强，污染小，行车安 全等很多优势。高速铁路将是未来铁路的发展方向。高速铁路在各项技术经济指标中 具有明显的优势：输送能力大：速度快、旅行时间短；安全性好；气候变化影响小、正 点率高；旅行方便舒适；能源消耗低；对环境污染小；效率高、效益好等等。高速铁路 克服了普通铁路速度较低的不足，是解决大量旅客快速输送问题的最有效途径，已成为 世界各国铁路发展的普遍趋势。我国目前无论是从政策支持还是已具备的基础条件来看， 高速铁路都是铁路实现持续发展的关键和必然之路。 在高速铁路中，接触网是主要供电设备，电力机车通过接触网取得电能。电力牵引 时，强大的动力所需要的电流必须通过机车或动车顶部的受电弓从接触网上受流，而受 流的方式又是采取电力机车或动车组的受电弓通过一对接触面与接触网的接触线在滑动 接触中实现电流传递瞳1 。接触网的性能和安装质量若出了问题，使接触线的接触面稍有 不良，就可能产生电弧和火花；如果线路不平顺，机车发生振动或摇晃，也会影响受电 弓的稳定性而导致接触不良。受电弓与接触网接触不良，在瞬间就会发生弓网分离，这 种称为“离线”的状态，是一种非常危险的运行状态。离线过程中产生的电弧和火花既 会直接烧伤或熔化受电弓的滑板和接触线的表面，又会造成瞬时过电压，其后果是使机 车或列车的工作电流时断时续、时大时小，整个列车的运行出现冲撞失稳，影响行车安 全。因此，要保证受电弓与接触线的良好接触和可靠取流，保证高速铁路的安全运营， 除了对接触线悬挂的设计、施工和运营有一定的要求外，还必须进行一系列检测工作， 以便及时发现隐患，克服弓网接触中存在的一些问题，保证弓网处于良好的工作状态。 目前，国外研究弓网受流质量主要是通过对测量数据的统计分析和接触线每公里受流质 量的量化来确定受流质量指数。测量这个指数可通过以下三种方法： ( 1 ) 检测由离线引起的电弧。 ( 2 ) 测量受电弓滑板与接触线间的接触压力。 ( 3 ) 测量接触线与静止状态有关的动态抬升状态。 而在上述三种检测方法中，检测离线电弧作为种非接触式的测量方法，同时又具 有成本低、可靠性高的特点，因此，开发一种基于弓网燃弧检测的系统从而检测离线状 态是具有实际意义的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外弓网离线检测研究现状 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 - 1 所示：在电力机车中，电流沿接触网一受电弓一变流器一电动机一钢轨流动。 若受电弓离开接触线，流过受电弓的电流为零，由于是交流电，即使没有离线，电流也 可能为零。所以离线时电流微分值也为零，从而判断电弧。 接触线 母线 圈1 - 1 交流电式离线检测法 根据实验，这种检测方法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不能正确测定离线。 1 2 1 2 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1 2 所示。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，通过检测高频率电流变化情况就可以检测到 离线是否发生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 输入变压器i ie 二二二二 二三三三二 瑁 压器孙 王三卜 乎 图1 - 2 电流循环式检测法原理 根据试验这种方法对离线火花检测，正确率达9 9 5 以上，这种技术己经应用于我国 j j c 1 型接触网检测车上。 1 2 2 电阻法 电阻法是根据离线时受电弓与接触导线间电阻变大的原理进行检测，如图1 3 所示 弓网接触时，电流i 通过c 卜受电弓一接触网一c 2 一钢轨构成回路，使流入j 的电流变小。一 旦离线，弓网间电阻变大，电流流入内，从而检出离线信号。 图l - 3 电阻法检测原理 该方法技术简单、费用低，为大多数接触网检测车所采用。 1 2 3 电容一电阻法 接触两 对地分 布电容 电阻一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 4 所示， 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 。充当分压器。当受电弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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。通过检测这些波形的变化来可以 检测离线。 图l _ 4 电容电阻法检测原理 此方法测量精确度高，己用于日本铁路线检测车上。 1 2 4 压力检测法 电压测 量 流测 量 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 5 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。 卜卜卜卜 压力传感器1 0数 a 微 光 d 计 压力传感器2 0 字 卜 卜、 机 卜、 纤卜 卜 算 滤 d 数 数 a 机 转 转 压力传感器3 e 0 波 卜 换 卜 据 卜 据 卜 换 八 采 电 电 测 传 电 t 集 路 量输卡 压力传感器4 0 卜路卜卜卜路八 图1 - 5 压力检测法框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 论文的研究内容、意义及章节安排 1 3 1 论文的研究内容和意义 弓网离线检测是检测高速铁路弓网受流质量的重要检测方法，而燃弧是弓网离线的 一个重要标志，因此，开发一种基于弓网燃弧检测的系统从而检测离线状态是具有实际 意义的。 本文首先基于电接触理论研究了弓网燃弧的特性、产生燃弧现象的原因及弓网燃弧 现象的危害；在比较分析了数字图像处理相关算法后设计了适用于本系统的图像处理算 法；在研究相机成像原理后，根据检测任务对系统的要求及对系统工作环境的研究，选 择了北京微视公司研发的m v c i o o o d a m g e 3 0 千兆网球彩色摄相机和4 m m 的广角镜头 作为数据采集单元，选取稳定可靠的工控机作为数据处理单元，实现了对硬件结构的相 应设计；以软件工程思想为指导，软件工程技术为依托，对检测系统软件进行了分析、 设计与具体实现，最终完成了高速铁路弓网燃弧检测系统的设计。 1 3 2 论文章节安排 论文在研究国内外现有的弓网接触压力检测系统的基础上，提出了通过检测弧光来 确定弓网间离线状态的检测方法。论文主要内容及章节安排如下： 第1 章为绪论：阐述了本课题的选题背景、研究内容及意义。详细地介绍了国内外 弓网离线检测系统的研究现状。 第2 章为弓网燃弧特性研究：研究了弓网燃弧产生的原因，并分析了弓网燃弧引起 的危害。 第3 章为数字图像处理算法研究：深入研究了数字图像处理技术，对图像平滑及边 缘提取的相关算法进行仿真比较，提出了适合本检测系统的图像处理算法。 第4 章为系统硬件设计：主要介绍了检测系统的功能与技术指标，通过对检测环境 的研究选择相应的智能面阵相机作为系统数据采集单元，选取稳定可靠的工控机作为数 据处理单元，实现了对硬件结构的相应设计。 第5 章为系统软件设计：完成了系统的启动封面、相机参数的设置、目标的识别等 部分的软件实现，从而完成了高速铁路弓网燃弧检测系统的设计。 要蜜茎塑奎茎堡圭塑塞圭茎堡兰耋薹! 至 第2 章弓网燃弧特- 陛研究 21 弓网燃弧特性分析 电弧是一种紫外光。紫外光谱是分子中某些价电子吸收了一定波长的电磁波，由低能 级跃近到高能级而产生的一种光谱，也称之为电子光谱。根据波长可将紫外光分为近紫外 光和远紫外光，其波长分别为：2 0 0 - 4 0 0 n m ，l o n m - 2 0 0 n m 。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。电弧是指两带电电极间的稳定或准稳定放电现象，它通常指的是一 种空间电荷现象。电弧根据产生的过程方可分为分断电弧和闭合电弧：根据有无介质可 分为真空电弧和气体电弧：还可根据电弧长短分为短弧和长弧；根据触头材料的特性可 分为冷阴极电弧和热阴极电弧；根据电弧能否自己维持分为自持放电电弧和非自持放电 电弧。电弧是造成高、低压开关电器关键元件一触头故障的主要因素。 在高速电气化铁路中，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，两者间电压迅速升高，从而发生电现象。放电现象发生时，在电极晟近处空气 中的正负离子被电场加速，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 图2 - 1 弓网离线时产生的电弧 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，所以又被认为是一种气 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。 堑墓耋蜜奎三罂圭望茎兰茎篁鎏圣薹：至 根据文献 4 中的实验，其实验环境为2 5 k v 交流电，铜导线和余属冶金滑板接触， 由于电弧是紫外光，其所测离线电弧光谱分布特征如图3 - 2 所示： 图3 - 2 文献实验离线电弧光谱分布特征圈 分析图3 - 2 可知，离线电弧光谱分布较宽，波长范围为2 5 57 5 - 4 0 90 8 r i m ，其主要能 量分布在三个非常短的波长范围内，分别为：3 0 4 悼3 1 2 1 2 n m ，3 2 14 8 ，3 3 13 4 r i m ， 3 9 66 1 3 9 84 3 r a n ，这一结果与意大利铁路系统所得离线电弧波长1 7 5 7 9 5 n m 结果不同。 这是因为离线电弧光谱范围与接触线电压、接触导线材料和受电弓滑板材料有关。意大 利铁路系统采用3 0 0 0 v 交流电、铜导线和碳滑板；而我d 国铁路系统为2 5 k v 交流电、 铜导线和金属冶金滑板。由此比较可知，两种铁路系统的离线电弧波长差距大主要是由 受电弓滑扳材料不同造成的，而引起这种误差的原因是碳和金属冶金具有不同的物理性 质。 22 弓网燃弧产生的原因 高速列车通过受电弓的弓头与接触线接触，获得相对滑动的电能。弓网受流是高速 运动的受电弓与接触线之问的耦合振动问题，包括了多种机械运动型式和电气状态变化： 受电弓相对于接触导线的滑动摩擦：受电弓上下振动；受电弓由于机车横向摆动而形成 的横向振动；接触网上下振动，并形成行波沿导线向前传播；受电弓和接触导线之间发 生的水平和垂直方向撞击等。随着列车速度的提高，上述各种运动加剧，维持弓网之间 的良好接触性能愈加困难，受流质量也随之下降，严重时产生弓网燃弧现象。因此，参 考国外的经验和近几年我国提建和高速实验的结果，对高速铁路弓网燃弧现象，主要从 以下几个因素来考虑： 西南交通大学硕士研究生掌位论文第8 页 ( 1 ) 弓网间的接触压力 接触压力是指在高速运行下，描述在受电弓抬升力作用下的动态弓线间的接触程度 与状态，是评价与控制受流质量重要条件及内容。包括最大接触压力、最小接触压力、 平均接触压力值。弓网间的接触压力与接触线的高度变化、悬挂特性、线路状态、运行 速度等多种因素有关。 这一动态接触压力一般取决于受电弓静态抬升力、空气动力、垂直方向运动的质量 惯性力等。由于动态接触力分散性大、变化幅度大，所以引入标准偏差概念来进行评价。 接触压力平均值： ，= 去盈 ( 2 - 1 ) t = l 接触压力的标准偏差： o f 。 ( 2 - 2 ) 最大接触压力： k = f + 3 仃， ( 2 3 ) 最小接触压力： fm=f一30-，(2-4) 式中1 7 为采样点数，f 为采样点的接触压力。 接触压力最大值、最小值及其离散性( 即标准偏差) 是评价弓网动态相互作用的最 重要的指标。标准偏差估计了接触力的波动范围，由于接触力按正态分布，根据高斯分 布定律，接触压力最大以3 倍的偏差值在平均值上下波动。显然，标准偏差越低，运行 质量越好，太大会使弓网间磨耗加剧；太小会发生离线，灼热的电弧将烧伤接触导线和受 电弓滑板。研究表明：若标准偏差约为平均值的2 0 ，最大接触力不超出2 0 0 n ，最小 力不低于5 0 n 时，则可以认为运行是优质的。 ( 2 ) 接触线的抬高值相差较大 既有电气化铁路接触网多为无预留弛度的悬挂方式。在正常情况下，接触线应为水 平状态。但实际运行过程中，接触线在受电弓接触压力p 作用下，受电弓在跨距中间和 定位点处的导线抬高量相差较大，在悬挂点处因定位器的重量及其弹性的关系，升高值 7 2 偏小。整个跨距内接触网的弹性不均匀，高速行车时受电弓离线、燃弧现象比较明显。 在这种情况下，虽然接触线是无弛度的，但因弹性不均匀，受电弓滑板的运行轨迹是一 个波浪式的曲线。实践表明，在大跨距时，跨中摩擦阻力大，接触线磨耗也加大。在小 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 跨距时，因悬挂点增多，使全线摩擦阻力加大，磨耗也会增加。当运行速度提高时，这 种磨耗更为明显。通过接触网检测车现场检测得知，静态情况下，受电弓对导线的抬高 在跨中为5 c ) m m ，定位点为3 c h m n 。当检测车行进速度为8 0 k r r 妇时，跨中抬高量为9 0 r m = n ， 定位点处为5 0 m m 。将以上数据代入弹性计算公式e = m i p 中可得静态情况下，定位点 与跨中的弹性之比为： p 2 e l = ( 3 0 p ) ( 5 0 p ) = 3 0 5 0 = 0 6 ( 2 5 ) 式中：a h 为接触线的抬升量；p 为受电弓对接触线的抬升力。同理可得，在动态情 况下，定位点与跨中的弹性之比为： p 2 e l = ( 5 0 p ) ( 9 0 p ) = 5 0 9 0 = o 5 6 ( 2 - 6 ) 将以上结果带入计算弹性非均匀度的公式中： “= ( p 1 一e 2 ) ( e l + e 2 ) 木1 0 0 ( 2 7 ) 得在静态情况下弹性非均匀度为“= 2 5 ；在速度为8 0 k m h 时为掰= 2 8 。由以 上数据可以看出，在静态和动态情况下弹性非均匀度值远大于1 0 的非均匀度，不适合 高速行车要求。 ( 3 ) 受电弓滑板的振动幅度大 受电弓滑板的振动幅度是指受电弓滑板在一个跨距内振动的幅度，即上下振动的范 围。一般用振幅的2 倍来表示： 2 e = h 一一日曲 ( 2 8 ) 式中：日一：一个跨距内受电弓滑板振动的最大高度；日曲：一个跨距内受电弓滑 板振动的最小高度。由上式可知，2 p 越小，受电弓运动轨迹越平滑，受流质量越好。振 动幅度不但与受电弓本身设计有关外，而且还与接触网有关( 接触网定位点与跨中的弹 性差异对它有直接影响) 。在电力机车运行时，由于受电弓上空气动力的影响，使接触压 力增加，使动态抬高值也要增加，该值越大，受电弓滑板的振动幅度也就越大。 ( 4 ) 列车速度的提高 当列车运行速度较低时，弓网保持良好接触，受流状况良好；当列车运行速度达到 l o o k m h 以上时，受电弓自身要产生垂直方向的加速度，从而引起接触悬挂的振动，使 受电弓与接触导线的良好接触遭到破坏；当运行速度提高到2 0 0 k m h 以上时，接触压力 发生剧烈变化，此时已无法正常受流。由此可知，在接触条件不变的情况下，接触压力 随列车运行速度的提高而剧烈变化，受流质量随速度的提高而下降，受电弓与接触线失 去接触从而发生离线，离线时伴有燃弧，从而加大了滑板与导线间的电磨耗一般用最 大离线时间和离线率来衡量离线的大小，离线持续时间在o - - l o m s 为小离线；1 0 - - 1 0 0 m s 为中离线；大于l o o m s 为大离线。我国高速铁路的离线持续时间控制标准在小于5 0 r n s 。 离线率的计算公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 s ：坠1 0 0 r ( 2 9 ) 式中：s ：离线率；t ：运行时间内离线时间总和；正运行时间。我国高速铁路 的离线率应取5 以下。 ( 5 ) 接触悬挂的弹性系数及弹性差异系数 接触网的弹性也是弓网燃弧从而影响接触网受流质量的一个主要因素。接触网的弹 性应较小，尽量均匀，即弹性差异系数要小。平均弹性系数和弹性差异系数分别表示接 触悬挂弹性性能及均匀程度其表达式为： 平均弹性系数： k o = ( k 螂+ k 幽) 2 ( 2 - 1 0 ) 弹性差异系数： g = ( k 一一k 疵) ( k 一+ k 幽) ( 2 - 1 1 ) 式中k 一和k 曲分别表示检测或指定跨距内的弹性系数的最大值及最小值。 ( 6 ) 接触线波动传播速度 所谓波动传播速度是指接触导线传播波的速度，定义为接触网张力与单位长度质量 比值的平方根，即波动传播速度表达式为： f 接触网张力 y p2 1 蘅蘸丽 ( 2 1 2 ) 当列车速度接近接触网波动传播速度时，在受电弓后方的接触网上形成大波，使受 电弓和接触网之间的接触导线被强烈弯折，从而导致接触导线应力增大，后续受电弓的 离线现象也增多。离线增加加速了接触导线的电气磨损，形成接触导线的波状磨损。由 理论和实践的结果得出：当列车速度限制在波动传播速度的o 7 倍以下( 一般取o 5 _ o 7 倍波速) ，才能保证稳定受流，限制弓网燃弧的情况发生。 ( 7 ) 导电温度升高 弓网滑动接触过程中，当受电弓和接触线实际导电面的面积较小、接触电阻较高及列 车的取流量较大时，电流通过导电斑点产生的热量使导电斑点的温度迅速上升到一定程 度而形成电火花。 ( 8 ) 接触导线不平顺 在导线不平顺和导线高度变化较大处，受电弓由于导线不平顺缺陷的扰动使弓网产 生剧烈的振动，可能造成离线拉弧。般而言，不平顺幅值越大，拉弧现象越严重。造 成接触线不平顺的原因有：由于接触线施工放线时操作不当，造成接触线底面不平顺； 接触线出厂时本身存在不平顺。 ( 9 ) 接触线的硬点 当受电弓经过该硬点时，会加大导线和受电弓滑板的异常磨耗。当硬点的质量大于 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 6 0 9 时，受电弓会瞬间脱离接触线，使受电弓不能正常受流，形成燃弧现象。同时由于 常年遭受风、霜、雨、雪等情况的腐蚀，会引起接触网补偿装置、各种引线等设备参数 的变化，导致接触网机械和电气性能及状态都处在动态变化之中，对接触线的形态的影 响更加突出。可见，硬点是出现拉弧的主要因素之，是接触网系统的一大顽症。 ( 1 0 ) 接触线材质的影响 接触线内部材料应做到颗粒细小、分布均匀，使得接触线的刚度均匀。如果接触线 内部存在孔洞，颗粒过大或分布不均，接触线在加上工作张力后，造成刚度不均，受电 弓滑板在沿导线底面摩擦时，容易受到小的冲击，形成小的离线火花。 ( i i ) 吊弦间隔的接触线高低不平 接触网相邻吊弦点的接触线高度应一致，在接触线有坡度要求时，吊弦点的接触线 高度应均匀变化，如果坡度较大，则会引发拉弧。 由以上因素可知，弓网离线是产生弓网燃弧的主要原因，也是制约电气化铁路提速 的主要因素。 2 3 燃弧的危害 受电弓与接触线脱离( 离线) 时会形成电弧。拉弧是电气化铁道电力机车正常牵引供 电中一种十分有害的现象，它可造成以下多方面的危害： ( 1 ) 造成电力机车的不稳定运行弓线问的脱离，使电力机车供电时断时续，造成列 车运行过程中不正常的减速和加速，增加了旅途中的不舒适感。 ( 2 ) 引起接触线和受电弓滑板异常磨损，特别是在离线瞬间，由于电弧的高温熔蚀 作用，使接触线和滑板的接触面粗糙不平，造成两者的磨耗速度大大加快，工作寿命缩 短。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，并产生连续的火花电熔接效应，从而持续地损坏受电弓和接触线。 ( 3 ) 当弓网电弧产生时，牵引网和电力机车( 高速动车) 的电气传动系统通过电弧 连接在一起，在接触网和受电弓之间的电弧上有压降，当电弧消失后，如果电力机车( 高 速动车) 还处于离线状态，则导致电路中的电流发生突变，产生过电压。过电压在接触 网上传播，会给整个牵引网的绝缘带来威胁；过电压沿着受电弓进入机车内部，可能对 机车电气设备、电力电子器件造成损坏，对电力机车( 高速动车) 的安全运行产生严重 的影响。 ( 4 ) 当离线过大或电流太小，使弓网间的电弧不能维持时，还会造成供电中断，使 机车丧失牵引力或制动力。接触线振动变形增大后，接触线的机械疲劳加剧，严重时会 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 造成断线。 ( 5 ) 产生无线电杂音干扰：在拉弧瞬间，牵引电流的波形急剧变化，其中含有许多 高次谐波，对邻近无线电通讯线路造成有害的干扰。 ( 6 ) 使牵引电动机整流条件恶化：当滑板与接触线脱开，然后再接触的瞬间，有冲 击电流流入牵引电动机，增大整流子片间电位差，造成整流条件恶化，引起火花，甚至 还会引起环火。 ( 7 ) 由于接触导线的波状磨耗，加剧了离线拉弧的产生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章弓网燃弧数字图像处理算法 3 1 数字图像处理简介 数字图像处理的英文名称是“d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 。数字图像处理方法的研究 源于两个主要应用领域：其一是为了便于人们分析而对图像信息进行改进；其二是为使 机器自动理解而对图像数据进行存储、传输及显示。为了研究和分析图像，就需要对图 像进行处理。图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来“改造 图像。 由于计算机只能处理数字图像，而自然界提供的图像却是其他形式的，所以数字图 像处理的一个先决条件就是将图像转化为数字形式。一般来说，给普通的计算机系统装 备专用的图像数字化设备就可以使之成为一个图像处理工作站。( 图3 1 为一般的数字图 像处理系统) 在数字图像发展的初期，图像数字化的设备非常昂贵和复杂，因此只有很 少数的研究单位和公司能够负担。但随着技术的进步，现在这些设备已经比较便宜而且 应用广泛，我们常用到的有扫描仪、数字照相机器及录像机等。 图3 - 1 数字图像处理系统 数字图像处理的特点表现在如下几个方面。 ( 1 ) 数字图像信息量大 若对一副电视图像取5 1 2 行和5 1 2 列，像素为5 1 2 5 1 2 像素，灰度量为2 5 = 2 5 6 ， 那么用二进制表示，其信息量为：5 1 2 5 1 2 8 = 2 0 9 7 1 5 2 ( b i t ) 。若对一副图像取为1 0 2 4 行和1 0 2 4 列，量化为2 灰度级，则信息量为：1 0 2 4 1 0 2 4 1 0 = 4 8 5 7 6 0 ( b i t ) 。要对这 样大信息量的图像进行处理，必须用具有相当大内存和存储器的电子计算机才能胜任。 ( 2 ) 数字图像像素间相关性大 图像信号在同一帧各相邻像素之间具有相同或相近灰度的可能性很大，即相关性很 大，有人统计其相关系数可达0 9 以上；而相邻帧对应像素之间的相关性一般来说更大。 因此若能有效地去除像素间的冗余度，充分利用数字图像的可压缩性来进行数字图像处 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 理，尤其在图像通信中的应用，将大大优于模拟图像的处理和传输。 ( 3 ) 占有频带较宽 与话音信息相比，数字图像占用的频带要大几个数量级。如电视图像的宽度约 5 6 m ，而话音带宽仅为4 k h z 左右。所以数字图像在成像、传输、存储、处理、显示 等各个环节的实现上，技术难度较大，成本也高，这就对频带压缩技术提出了更高的要 求。 ( 4 ) 图像信息的视觉效果主观性大 一方面图像信息即视觉信息与听觉信息相比，有许多优点，诸如可靠性大，直观性 好，高效性强，应用范围广。但另一方面受人的主管因素影响大，由于人的视觉系统很 复杂，受环境条件、视觉功能、人的情绪、兴趣及知识状况的影响很大，所以对图像的 视觉效果的观察和评价主观性也大。 ( 5 ) 图像处理技术综合性强 在数字图像处理技术中涉及的基础知识和专业技术相当广泛。一般来说涉及通信技 术、计算机技术、电子技术、电视技术，至于涉及到的数学、物理等方面的基础知识就 更多了。当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，把通信中的一维问题推广到二维， 以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。图像处理工程中的信息获取和显 示技术主要来源于电视技术，其中的摄像、显示、同步等各项技术必不可少。计算机已 是图像处理的常规工具，在图像处理中涉及到软件、硬件、网络等多项技术，特别是并 行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。图像处理技术的发展涉及越来越多的基础 理论知识，雄厚的数理基础及相关的边缘学科知识对图像处理的发展有越来越大的影响。 总之，图像处理是一项涉及多学科的综合性学科。 根据图像技术的抽象程度、处理的对象、处理的方法以及处理的任务，图像工程的 内容可以概括的分为3 个层次( 见图3 - 2 ) ：图像处理、图像分析和图像理解。图像处理 是较为底层的图像操作，一般是指像素级的运算。图像分析则是通过对图像进行分割和 特征的提取，把像素级的图像变换为较为简单的非图形方式的描述，提供给高层图像理 解层。图像理解层经过对图像分析得来的数据进行分析与综合后，得到人们期待的结果 作为系统的输出，图像分析结果的好坏将直接影响后续的高层理解与判决。 图3 - 2 图像技术分层结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 2 图像平滑 图像平滑是数字图像处理的一个重要内容。我们所涉及的图像中，相邻像素的灰度 之间大多具有很高的相关性，也就是说，一幅图像中大多数像素的灰度与其相邻像素的 灰度差别不大。因为这种灰度相关性的存在，一般图像的能量主要集中在低频区域中， 只有图像的细节部分的能量才处于高频区域中。但因为在图像的数字化和传输过程中经 常有噪声和假轮廓出现，这部分信息也集中于高频区域内。 图像平滑是指用于突出图像的宽大区域低频成分、主干部分或抑制图像噪声和干扰 高频成分，使图像亮度平缓渐变，减小突变梯度，改善图像质量的图像处理方法。图像 平滑的主要目的就是去除或衰减图像上的噪声和假轮廓，即衰减高频分量，增强低频分 量，或称低通滤波。实际获得的图像一般都因受到某种干扰而含有噪声，引起噪声的原 因很多，包括：敏感元器件的内部噪声、底片上感光材料的颗粒、传输通道的干扰及量 化噪声等。噪声产生的原因决定了噪声的分布特性及它和图像信号之间的关系。噪声和 信号的关系可分为两种：加性噪声：该噪声与图像信号无关，信道噪声及扫描图像时 产生的噪声都属于加性噪声；乘性噪声：该噪声与图像信号有关，一般分为某像素处 的噪声只与该像素的图像信号有关和某像点处的噪声与该像点及其领域的图像信号有关 两种情况。 由于图像平滑处理在消除或减弱图像噪声和假轮廓的同时，对图像细节也有一定的 衰减作用，因此，图像平滑的直观效果是图像噪声和假轮廓得以去除或衰减，但同时图 像将变得比处理前模糊了，模糊的程度要看对高频成分的衰减程度而定。就同一平滑方 法而言，去除或衰减噪声和假轮廓的效果越好，图像就越模糊，因而图像细节损失就越 一多。因此在对图像作平滑处理的过程中，应作到二者兼顾。 一 假定f ( x ，y ) 是含有噪声或假轮廓的图像，或称待处理的数字图像，g ( x ，y ) 为经平滑 处理以后的图像，则图像平滑可用下式表示： g ( x ，y ) = f ( x ，少) 宰办( x ，j ，) = y h ( m ，n ) f ( x - m ，y - n ) ( m ，月) e 4 = 厂( 聊，n ) h ( x 一朋，y - n ) ( 3 1 ) ( 肌，坩彳) 式中，h ( x ，y ) 为低通滤波器的脉冲响应函数，彳为h ( x ，少) 的作用域，巩n 均为正数， 式( 3 1 ) 是在空间域内图像平滑的表示。对应空间频率域，表达方法为：。 g ( u ，1 ，) = f ( u ，v ) h ( u ，v ) ( 3 2 ) 式中，g ( u ，1 ，) 是g ( x ，y ) 的傅里叶变换，f ( u ，1 ) 是f ( x ，y ) 的傅里叶变换，h ( u ，v ) 是 低通滤波器的传递函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 _ i i ii ii 按( 3 - 2 ) 对图像做平滑处理的过程是：先把待处理图像做傅里叶变换，得到f ( u ，v ) ； 然后根据选定的h ( u ，v ) 按式( 3 - 2 ) 计算出g ( u ，1 ，) ；最后对g ( “，) 做傅里叶反变换即可 得到g ( x ，y ) 。 3 2 1 消噪声掩模法 消噪声掩模法的主要作用是消减随机相加噪声，它的处理原理表达式如式( 3 1 ) ， 使用平滑线性空间滤波器，其输出( 响应) 是包含在滤波掩模领域内像素的简单平均值。 因此，这些滤波器也称为均值滤波器，它们指低通滤波器。平滑滤波器的概念非常直观， 它用滤波指定的领域内像素的平均灰度值去代替图像每个像素点的值，这种处理减小了 图像灰度的“尖锐 变化。由于典型的随机噪声由灰度级的尖锐变化组成，因此常见的 平滑处理应用就是减噪。然而，由于图像边缘( 几乎总是一幅图像希望有的特性) 也是 图像灰度尖锐变化带来的特性，所以均值滤波处理还是存在着不希望的边缘模糊的负面 效应。另外，这类处理方法还有一些其他应用，比如由于灰度量级不足而引起的伪轮廓 效应的平滑处理。均值滤波器的主要应用是去除图像中的不相干细节，其中“不相干” 是指与滤波掩模尺寸相比，较小的像素区域。常用的h ( x ，y ) 有以下几种： r 1 l1 r 1 1 l l 厂l 2l l ! i1 11i ，三i121i ，上l24 2i 9 l1 11i 1 0 l1 11 1 6 l1 21 | 所列3 种h ( x ，y ) 的作用域为3 3 ，共有9 个像素灰度参加运算，用此运算结果替代 中心像素( x ，y ) 的像素灰度。根据需要，也可以用5 5 、7 7 等不同作用域的h ( x ，力， 具体形式与所列3 3 的形式相类似，只需遵循一个原则，即h ( x ，y ) 矩阵的元素之和与其 前面的系数相乘的结果为l ，这保证了在平滑过程中处理结果的像素灰度不超过允许的 像素最大灰度值。在这种平滑方法中，h ( x ，y ) 矩阵中心的元素值占的比例越小，平滑作 用越强，图像就越模糊。 值得注意的是，用这种方法做平滑处理，图像四周边缘的像素需要做特殊处理。以 h ( x ，y ) 为3 3 的情形为例，有两种方法可选择： ( 1 ) 把原图像m x n 加大到( m + 2 ) ( n + 2 ) ，加大的方法是所加大的2 行和2 列的 像素灰度均取o ，然后对加大以后的图像做平滑处理，结果只取m n 即舍去所加的2 行和2 列的零灰度信息。 ( 2 ) 不处理原始图像4 个边缘的像素，处理后4 个边缘的像素灰度保持原始灰度或 人为地赋予特殊的灰度。 为检验平滑效果，取一张弓网燃弧图片，对其加入s a l t p e p p e r 噪声，利用m