接觸網參數檢測與弓網動態性能控制策略研究

官 琪，王 健

0 引言

隨著電氣化鐵道運營范圍不斷擴大和列車速度不斷提高，對弓網受流質量、接觸網可靠性的要求越來越高。在日益繁忙不斷提速的鐵路上為滿足這種要求，除增加接觸網零部件的使用壽命、提高設備管理水平外，還要求檢修模式由盲目的“周期修”，向數據控制化的“狀態修”轉變。作為其中最主要的檢修模式，接觸網動態檢測也將發揮越來越重要的作用。

接觸網動態檢測工作的目的是通過周期的、系統的動態檢測手段發現運行線路中接觸網存在的設備缺陷，并通過檢測數據分析接觸網設備的動態運行狀況和接觸線與受電弓的動態偶合關系，作為提供給相關供電部門進行維修、改進設備的依據[1]。同時也為國內高速鐵路的發展、研究積累現場資料。為此，需要依據檢測數據和現場設備基礎信息對檢測結果進行準確判斷，對設備產生缺陷的原因進行深入分析，最終制定檢修措施。

1 接觸網檢測系統研究

1.1 接觸網檢測參數的選擇及測量方法

（1）檢測參數選擇。弓網系統的最核心要求是運行可靠性、接觸質量和運行壽命[2]。運行可靠性主要由空間幾何相互位置決定，需要檢測的參數包括拉出值、導高、多支接觸線相對位置、定位器坡度、接觸線坡度等。接觸質量主要是弓網間的動態作用，需要檢測的參數包括弓網接觸力、燃弧、定位點抬升量等。運行壽命由接觸線載流量和自身材料決定，需檢測的參數有接觸線溫度和磨耗等。

（2）主要檢測參數的測量方法。

a.接觸線幾何位置檢測。接觸線幾何位置檢測主要包括對接觸線高度和拉出值的檢測。檢測方法分為接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測雖然不受氣象條件干擾，但存在測量精度不高、只能測量工作支接觸線、影響受電弓特性及安全性不好等缺點。所以目前接觸網檢測車主要通過激光掃描法或機器視覺法對接觸線幾何位置進行非接觸式檢測，這種檢測方式可以克服接觸式檢測的缺點。

激光掃描法原理如圖1 所示。安裝在檢測車頂部的激光雷達裝置發出激光，當遇到接觸線時會發生反射，再對激光進行接收。可以獲取從發射激光到接收到激光的時間，根據已知光速就可以計算出接觸線到激光雷達裝置的直線距離l 及該直線與檢測車頂面的夾角α。又已知車頂距離軌道平面的高度h0，則拉出值a = lcosα，接觸線h = h0+ lsinα。

圖1 激光掃描法原理圖

機器視覺法原理如圖2 所示。在激光線所在線路斷面上非工作支接觸線底面中心在圖像上的像素坐標和工作支底面中心坐標，假設已知該位置上的工作支和非工作支精確的拉出值和導高，則可將像素坐標換算成實際空間坐標，進而得到工作支接觸線和非工作支接觸線的空間相對位置。

圖2 機器視覺法圖

b.接觸壓力的檢測。工作狀態下的受電弓和接觸線可以看做一個整體，它們的良好接觸和相互作用才能保證電力機車從接觸網獲取牽引電能。高速接觸網運行過程中的弓網接觸壓力是電力機車保障良好取流和安全運行的關鍵。如果接觸壓力過大，會使受電弓和接觸線之間的磨損加劇，縮短使用壽命。如果接觸壓力過小，又容易發生離線，造成受流不連續，甚至出現火花或拉弧現象，導致受電弓和接觸線燒損。因此，定期檢測接觸壓力是非常必要的。

在受電弓滑條下面，受電弓托架的上面加裝檢測裝置可以實現弓線間接觸壓力的檢測。考慮到接觸線在受電弓滑板上的不確定位置，一般是在其4個角上裝設4 個檢測裝置，如圖3 所示。

圖3 接觸壓力檢測原理圖

圖中的1、2、3、4 的數字，就是檢測裝置的安裝位置。在接觸線壓到滑條上以后，這4 個檢測裝置都會動作，并感應出相應的量值。應該說，由于接觸線壓在滑條上的位置不同，4 個檢測裝置感應出的量值是不同的。還有一個因素應該考慮，就是滑條、滑板及弓頭自身的重量，也就是說，即使在無接觸線壓在滑板上的時候，檢測裝置的起始輸出值也不為0。

c.接觸懸掛硬點的檢測。彈性均勻是衡量接觸懸掛質量的重要標準，接觸懸掛的不均勻狀態會產生硬點。在機車高速運行過程中，接觸懸掛或接觸線上的結構中所有力、位置、速度或加速度的異常變化都是硬點形成的原因。硬點本質上是結構缺陷形成的物理現象，機車速度越快，表現越明顯。硬點的危害在于會加速受電弓和接觸線間的磨損和沖擊損傷，同時也會破壞良好受流。所以，加強接觸網硬點的檢測對于保障電力機車安全運行是非常重要的。

對于同樣的隱患點、故障點，隨著列車運行速度的不同，所造成的后果及造成的危害也不同，運行速度越高，產生的沖擊量值越大，損害也越大。至于加速度量值g 與運行速度v 的關系，國內沒有進行該方面的試驗，沒有定論。但從理論分析可知，對于相同的硬點，其加速度量值與速度的增加成平方關系。目前對于接觸線硬點的檢測是采用在受電弓上安裝加速度傳感器，一般選用二維的，只檢測振動和沖擊2 個參數。根據運行速度不同，在硬點處所呈現的垂直加速度不同，傳感器可以檢測0～±200 g 的加速度值。

1.2 接觸網檢測系統組成

隨著列車運行速度的提高，對于接觸懸掛的要求也越來越高。為了保證運營和正確評價受流質量，接觸網檢測內容更加豐富。同時為了獲得準確的測試結果，測試手段也日臻完善。接觸網檢測及數據處理原理如圖4 所示。各種接觸網測量設備安裝在接觸網檢測車上，檢測車以一定的運行速度進行接觸網參數的檢測。根據各種檢測項目的特點設計、研制或選擇與之相適應的傳感器或傳感元件。再將各種機械量、物理量或開關量轉換成與數據傳輸及計算機接口相匹配的電氣信號。

圖4 接觸網檢測系統的組成圖

接觸網檢測系統主要包括信號檢測系統、信號隔離與傳遞系統、數據采集系統、接口系統、數據處理系統、數據記錄顯示及終端等。

接觸網檢測信號根據檢測的內容和功能可以分為3 種：功能性檢測，包括空氣動力、接觸壓力、受電弓鉛垂方向的最大振幅（沖擊）、受電弓運行軌跡離線狀態等；狀態性檢測，包括接觸壓力、離線狀態、導線磨損、網壓狀態、接觸線高度、拉出值、線岔設置以及定位管坡度；工程性檢測，包括接觸線高度、拉出值、定位管坡度、懸掛硬點、導線接頭質量以及線岔始觸區兩接觸線高度等。信號隔離與傳遞系統是檢測系統與數據處理系統的傳遞通道和紐帶。數據采集系統主要解決如何將信息數據、狀態數據、測量數據等采集到計算機中以便進行變換和處理，數據采集的類型包括數字量、開關量和模擬量。接口系統可以解決計算機與外圍設備連接并能按照相應要求進行數據傳遞的技術設備，包括如何選擇總線類型、接口電路及相應的接口程序。數據處理系統根據實際的運行速度和處理內容及處理精度要求，進行多功能數據變換及處理的系統。最后由數據記錄和顯示系統將數據處理系統處理過的檢測結果顯示在接觸網運行狀態監視終端上，便于觀察受電弓和接觸網的運行狀態。

2 接觸網參數檢測結果及缺陷分析

2.1 參數檢測結果

通過接觸網檢測系統得到的接觸網動態參數結果如圖5 所示。該次檢測拉出值通過壓力計算和相機2 種方式獲得。導高通過相機和雷達進行了檢測。另外，還對硬點和接觸壓力進行了檢測。通過檢測結果分析程序可以進行全自動診斷，對測量數據進行分析并記錄接觸網的相關缺陷。重點記錄了拉出值缺陷、一跨內接觸線的高差超過最大允許值、硬點等缺陷。

圖5 接觸網動態參數檢測結果圖

2.2 膠濟線缺陷趨勢分析

2013 年8 月通過接觸網檢測系統對膠濟線接觸網相關參數進行了檢測，檢測里程618 km，二級及以上（硬點三級）超標缺陷共計157 處，每百公里25.41 處，其中拉出值超標75 處，高差超標73 處，硬點超標9 處。近一年膠濟線檢測的高差、硬點及拉出值缺陷趨勢如圖6 所示。通過接觸網檢測系統的應用及對現場維修的指導，線路缺陷總體呈下降趨勢，線路質量逐漸得到提高[3]。

圖6 膠濟線接觸網缺陷趨勢圖

3 弓網動態性能控制策略

3.1 與接觸網靜態幾何參數的關系舉例

弓網動態性能依賴于受電弓和接觸網的設計方案及大量的參數。當系統方案一定時，高鐵接觸網的靜態幾何參數偏差必須保持在一定的限度內。外力使接觸網產生受迫振動。對接觸網的動態性能進行預測與實測，將接觸網的振動控制在允許的范圍內，并尋求最佳的機械結構，以便在相同的經濟技術條件下，使系統振動最小。動態性能是目標，靜態幾何參數是根本。

中心錨結繩安裝不當引起弓網接觸質量出現變化如圖7 所示。在圖中左上中心錨結繩過緊時，通過接觸網參數檢測系統可以看出圖中左下顯示接觸線高度不連續；而在圖中右上中心錨結繩過松時，圖中右下顯示檢測到接觸壓力出現了異常極值。通過弓網視頻監測可以看出2 種情況下弓網系統都產生了燃弧，影響了弓網受流質量。

3.2 控制策略

（1）設計及施工過程的總體控制。對于新建線路，需要在設計階段對弓網動態性能進行預測與系統優化，完善弓網動態仿真系統，完善弓網動態驗收與評估手段。在施工階段，對接觸網靜態幾何參數進行精確控制，完善接觸網的施工測量與施工計算系統，完善接觸網靜態驗收與評估手段。對接觸網零部件需精心設計、生產與安裝，提升滿足系統動態性能要求的設備制造技術。

（2）運營過程的監測與治理。對于已開通線路，需要對接觸網靜態幾何參數的精確測量與精密調整，完善接觸網靜態幾何參數檢測與評估技術，具備接觸網靜態參數計算與調整能力，具備識別接觸網薄弱環節的能力，建立受電弓動態性能監測體系，對受電弓的動態性能進行監測并評估。

圖7 中心錨結繩安裝不當引起弓網關系變化圖

4 結論

接觸網參數檢測結果表明，接觸線空間位置的不連續通常會導致弓網接觸壓力瞬間出現比較大的變化，而這種不連續不僅表現在接觸線的高度方向，也表現在相對弓頭中心線的偏移方向。在竣工接觸網動態評估之前，通常采用非接觸式測量設備對接觸線的空間位置進行檢查，以確保接觸線的空間位置符合設計要求。從滿足弓網動態特性和安全運營的角度來看，對于相關線路設計正確的接觸線空間位置起到十分重要的作用。如何在接觸網參數檢測的基礎上進行弓網動態性能控制對于維護良好的弓網關系保障機車高速運行下的安全運行是目前急需解決的問題，也可以為接觸網“狀態修”的實現奠定良好基礎。

[1] 吳積欽.受電弓與接觸網系統[M].成都：西南交通大學出版社，2010：20-350.

[2] 吳積欽，錢清泉.弓網系統電弧侵蝕接觸線時的熱分析[J].鐵道學報，2008，30（3）：31-34.

[3] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2010：203-259.