基于弓網電弧檢測系統的電弧電流分析*

劉寶軒, 陳唐龍, 蒲文旭, 于 龍, 馮 超, 朱志增

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著電力機車運行速度的不斷提高，接觸網振動、軌道不平順等因素造成受電弓和接觸網發生不良接觸，甚至機械性瞬時脫離，從而引起弓網電弧產生[1]。弓網電弧的發生會影響弓網受流質量，造成弓網電氣磨耗加劇和電磁干擾。弓網電弧的頻繁發生，制約了機車速度的提升[2]。歐洲標準EN 50317—2002[3]中明確規定：接觸壓力或者電弧率是檢驗電氣化鐵路受流系統運行可靠性和運行質量的依據。

目前，我國對弓網受流質量的評價大多采用傳統的接觸式檢測方法，即通過在受電弓上放置傳感器測試弓網接觸壓力，但在檢測過程中，機車—軌道耦合振動對弓網動態相互作用關系的影響加劇[4]，在受電弓垂直方向上產生較大的加速度，導致測量結果存在較大誤差。基于紫外(UV)光電檢測原理，對弓網電弧發生時特有的(250±10) nm波段的UV進行非接觸式檢測能夠對電弧次數、電弧持續時間總和、最長電弧持續時間以及電弧率進行精確測量。與此同時實時,采集機車電流、速度、接觸壓力以及公里標等信息，對電弧發生的區域精確定位，為接觸網的維護和安全運營提供了理論依據。在對牽引電流分析過程中，采用經驗模態分解(EMD)方法篩除待分析電流趨勢信號，對處理后的信號進行分析，排除了電流趨勢對分析結果造成的影響，具有實際意義。

1 弓網電弧檢測系統

電力機車正常狀態下弓網良好接觸，弓網電位相等，弓網離線情況下，接觸線和受電弓之間電壓為供電電壓和車載變壓器原邊電壓矢量和，當弓網間隙較小，弓網間隙的場強較大時，間隙氣體被擊穿從而引起氣體放電，產生弓網電弧[2]。弓網電弧發生過程中，弓網接觸材料的電子或離子被激發造成能級躍遷，當特定材料的電子或離子由高能級躍遷到低能級過程中，將伴隨著特定波長的光產生[5]。根據我國電氣化鐵路弓網放電和太陽光譜特性[6]，如圖1所示，可以看出電弧發生伴隨著(250±10) nm波段的UV，而該波段UV在太陽光譜中幾乎不存在，因此，將電弧發生時刻放電特征量(250±10) nm波段的UV作為在線檢測目標可以較大程度地排除太陽光的影響，增加檢測設備的準確性與抗干擾性。

圖1 太陽與弓網電弧光譜特性曲線

1.1 檢測裝置系統組成與原理

本項目研制一種非接觸式弓網電弧檢測裝置，用于運營機車弓網電弧測量。該系統主要分為3個部分：光學成像測量系統、UV光電傳感系統、數據分析處理系統。結構如圖2所示。

圖2 檢測系統結構

1)光學采集傳輸系統

弓網電弧發生時，特征波段UV經過透鏡組進入光學采集系統，光信號經過UV光纖傳送至車內的UV光電傳感系統。同時,在車頂安裝有實時錄像裝置，可以將弓網狀態記錄并存儲。

2)UV光電傳感系統

UV光電傳感系統由光纖適配器、光電倍增管(PMT)、信號處理電路、電源模塊組成，如圖3所示。由UV光纖傳輸進來的UV，經光纖適配器轉換后進入PMT內部，將光信號轉變為電信號，輸出一個電流模擬信號。該模擬信號經放大器、比較器、甄別器的作用，輸出一個脈沖信號，最后該脈沖信號傳至信號處理模塊。

圖3 UV光電傳感系統

3)數據分析處理系統

數據分析處理系統主要由小信號調理電路、A/D轉換與發送電路兩部分構成，如圖4所示。該部分主要作用是將采集到的數據發送給上位機。

圖4 數據處理模塊

1.2 檢測系統上位機軟件

弓網電弧檢測系統主要由弓網電弧檢測裝置、速度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等組成。由弓網電弧檢測裝置發送到上位機的采集數據，經過相應的數據處理算法運算得出電弧率、電弧時間、最大持續時間、電弧次數等，與此同時結合其他參數(公里標、速度、受流大小、弓網壓力等)信息。以曲線、報表的形式進行顯示、存儲，并將所得參數與檢測標準進行對比，得出檢測區段弓網受流性能的評價結論。上位機軟件框架如圖5所示。

圖5 軟件框架

2 廣州地鐵二號線檢測數據分析

廣州地鐵二號線采用的是剛性接觸網供電方式，供電電壓為直流1 500 V，電客車為A型車，最大運行速度為100 km/h，ATO模式運行最大速度為80 km/h，試驗中采用SBF920型彈簧弓。利用非接觸式弓網電弧檢測系統對廣州地鐵二號線弓網電弧現象進行了在線檢測，進行了不同的線路、不同速度模式下的測量試驗。根據數據檢測結果,對線路弓網綜合運行質量進行了評估，為線路維護與改造提供了理論參考。

2.1 弓網電弧指標統計

根據歐標EN 50317[3]要求，需測量統計的電弧指標包括電弧次數、所有電弧持續時間總和、最長的電弧持續時間和電弧率等。其中，電弧率是反應弓網受流質量的有效指標之一，電弧率NQ[8]定義式(1)如下

(1)

式中ti為所測區段的第i個持續時間大于1 ms電弧的持續時間,ms，0≤i≤I；ttotal為所測區段總測量時間,ms。

廣州地鐵二號線各區段弓網電弧檢測指標數據統計如表1所示，其中區間1～23分別表示各檢測區段。

表1 二號線各區段電弧參數統計表

由表1顯示，廣州地鐵二號線市二宮—江南西區段電弧總持續時間最長，電弧率最高，表明該區段弓網受流質量較差，應重點檢查維護。該區段檢測到的電弧信號、速度和弓網電流綜合分析圖，如6(a)所示，某電弧發生區段電弧信號與電流波形如6(b)所示(信號采樣頻率f為7 176 Hz)。

圖6 檢測信號波形

在地鐵運行過程中牽引電流波動較大，這主要由于地鐵采用1 500 V直流供電，電壓較低，而列車所需功率大，當列車處于牽引加速階段時，機車取流值會迅速升高，而當列車達到目標速度時，便隨即惰行，取流值迅速降低。

根據圖6(a)可知,電弧集中分布在ATO加速到最大速度的區段，即距離市二宮出發后0.2～0.3 km左右，因此，定位該區域并加強日常維護有重要意義；如圖6(b)將電弧信號與對應的電流波形放大后可知，電弧的發生會造成電流幅值瞬時下降，而后迅速抬升并超過原有電流幅值，最后恢復正常,且電弧信號幅值越大、持續時間越長,該現象越明顯；另外，電弧的發生條件受速度和機車取流大小共同影響，即電弧的發生需要較大電流和較高速度條件，但速度不是電弧發生的決定因素，如勻速運行區段速度到達最大值，此時的電弧率并不是很高。

2.2 牽引電流數據處理分析

弓網電弧的發生造成牽引電流的畸變，影響弓網受流質量。由圖6(a),(b)可知，電弧的發生與否對牽引電流的整體變化趨勢沒有任何影響，電弧的發生只對電流信號有瞬時影響，所以，當分析電弧電流特性時，應排除電流整體變化趨勢的因素對分析結果造成的影響。因此，首先利用經驗模態分解方法，提取待分析電流信號的趨勢信號，然后對篩除趨勢信號的電流進行相關分析處理，事實證明，該方法具有很好的可行性和適用性。

2.2.1 經驗模態分解與趨勢信號

經驗模式分解是由Huang N E提出來的一種全新的處理非平穩、非線性信號的處理方法[7]。它通過對信號的“篩選”將信號分解成不同頻率的本征模態函數(IMF)，本征模態函數的極值與過零點數目相等或差一，且本征模態函數的上下包絡線的均值為0。將一個已知信號X(t)進行經驗模態分解,結果如式(2)所示

(2)

式中Cn+1=rn。它的含義是：一個復雜的非平穩序列X(t)經過逐級篩選過程后，可分解為n個本征模態函數分量C1,…,Cn,以及一個分解余項rn。第一個本征模函數分量IMF1中包含原信號中時間尺度最小(頻率最高)成分，隨著階數的增加對應頻率逐次降低，因此，余項rn所包含的頻率成分最低，因此rn即為信號的趨勢項[7]。將圖6(b)中電弧電流信號進行經驗模態分解后得到的電流趨勢信號如圖7(b)所示。

2.2.2 篩除趨勢信號的電流信號分析

取一定時間長度電弧發生區段電流信號和相同時間長度相鄰正常電流信號，分別對其進行經驗模態分解，然后篩除趨勢信號。如圖8所示，其中，圖8(a)，(b)分別為電弧電流信號和正常電流信號，圖8(c)，(d)為其各自篩除趨勢信號后的處理波形。

圖8 電流及其篩選后波形

根據圖8(c)，(d)可知，正常電流也有不同幅度值的不規則擾動，但相比電弧發生區間其擾動幅值要小的多。分別對圖8(c)，(d)進行FFT分析，結果如圖9所示。圖中虛線為電弧電流分析結果，實線為正常電流分析結果。從圖9可以看出，電弧發生較正常運行情況下，電流成分中0～50 Hz諧波幅值明顯增加，而50 Hz以上幾乎沒有變化,可認為沒有影響。

圖9 FFT分析結果

3 結束語

1)電弧的發生受速度和機車取流大小共同影響，即電弧的發生需要較大電流和較高速度條件。

2)電弧造成牽引電流畸變，電弧發生時刻電流幅值瞬時下降，而后迅速抬升并超過原有電流幅值，最后恢復正常,且電弧信號幅值越大、持續時間越長該現象越明顯。

3) 電弧的發生導致牽引電流中0～50 Hz頻段諧波幅值明顯增加。

參考文獻:

[1] 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,2003.

[2] 王萬崗,吳廣寧,高國強,等.高速鐵路弓網電弧試驗系統[J].鐵道學報,2012,34(4):22-27.

[3] EN 50317.Railway applications,current collection systems,requirements for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact Line[S].2002.

[4] 翟婉明,蔡成標.機車—軌道耦合振動對受電弓—接觸網系統動力學的影響[J].鐵道學報,1998,20(1):32-38.

[5] Hayasaka T,Shimizu M,Nezu K.Development of contact-loss measuring system using ultraviolet ray detection[J].Quarterly Report of RTRI,2009,50(3):131-136.

[6] 金 光.城市軌道交通弓網電弧檢測系統的研制及試驗研究[D].成都:西南交通大學,2012:2-26.

[7] Huang N E,Shen Z,Long S R,et al.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proceedings of the Royal Society of London.Series A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,1998,454(1971):903-995.

[8] IEC 62486.Railway applications,current collection systems,technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line[S].2010.