SS4B型電力機車PDU受電弓升降保護裝置的研究

屈春華　喬小平

摘 要：本文闡述了受電弓在機車安全運行中的重要性，及受電弓的工作原理。針對直流機車因風壓不足發生弓網故障的問題，PDU受電弓升降保護裝置的系統構成、工作原理進行了具體說明，以避免發生弓網故障，提高了機車運行的效率和安全性。

關鍵詞：工作原理；原則；試驗

中圖分類號：U264 文獻標識碼：A

0.引言

電力機車在牽引運行時機車受電弓和接觸線緊密接觸并需保持一定的接觸力。受電弓是電力機車的重要電器元件，承擔著連接、傳輸電力的作用，在牽引滑動時，其牽引動力是從接觸網上來獲取電流轉換為動能的。若是受電弓或接觸網存在著設備質量缺陷，不能滿足安全運行的設備技術要求，就會引發弓網故障。電力機車在風壓不足的情況下升起受電弓，接觸壓力較低時可能會發生燒斷接觸網線的事故，會中斷行車、影響鐵路運輸安全。因此，為了防止該事故的發生，研究電力機車受電弓升降保護裝置是非常必要的。

1. TSG15型受電弓的工作原理

現神朔鐵路機務段神華號交流機車和部分直流機車安裝的是TSG15型受電弓，該受電弓是一種鉸接式機械構件，是由框架（底架、下臂桿、上框架、拉桿、平衡桿）、升弓裝置、弓頭、氣路控制閥等幾部分組成的空間結構。它從接觸網上集電受流，并將其傳送到機車內供電機使用，為電力機車的運行提供動力源。

TSG15型受電弓的升降動作主要通過空氣回路進行控制。當司機在司機室中按下升弓按鈕時，電磁閥得電，壓縮空氣通過受電弓氣閥板進入氣囊升弓裝置后，使氣囊膨脹抬升，并帶動作用于下臂桿的鋼絲繩，鋼絲繩拉拽下臂桿使得弓頭升起并與接觸網接觸。當受電弓弓頭與接觸網接觸時，通過弓頭上滑板從網線上集取電流，并經由受電弓框架將電流傳到底架，最后由底架上的接線端將電流引入車頂裝置并傳輸到機車變壓器。

當按下降弓按鈕時，電磁閥失電，切斷供風，氣囊升弓裝置中的氣體開始被排出，受電弓靠自重下降，最后弓頭保持在受電弓底架的兩個橡膠止擋上，切斷了接觸網與機車之間的電力源供應。當受電弓滑板磨耗到限或由于刮弓折斷時，滑板內氣腔漏氣，ADD裝置將動作，迅速降弓，實現自動保護功能。

機車壓縮空氣通過電控閥控制，經受電弓氣閥板上的過濾器進入升弓節流閥，再經精密調壓閥整流后（整流后氣壓380kPa～400kPa）進入安全閥、降弓節流閥然后進入受電弓氣囊，使受電弓升弓。

2.系統設計原則

為實現良好的弓網關系，確保鐵路運輸安全，需為神朔鐵路機務段研制開發一套電力機車受電弓升降保護裝置，以實現對機車升弓回路的自動監控。系統采用傳感器檢測機車升弓回路風壓，通過控制器的邏輯判斷實現壓縮機的啟停及受電弓的自動降弓，從而避免了受電弓與接觸網之間因接觸壓力不足造成拉弧而產生接觸網硬點甚至燒斷接觸網的事故，因此設計原則如下：

對機車升弓回路風壓信號進行實時監控，并在必要時給出報警或自動降弓信號；少改動機車結構，操作簡單化；具有抗干擾保護措施；本裝置故障時，具有裝置故障切除保護功能，不影響機車正常使用。

3. PDU受電弓升降保護裝置組成及主要功能

PDU受電弓升降保護裝置，是一種專門用于機車的可編程邏輯控制裝置，可實時監測機車升弓回路風壓，根據風壓限值，執行受電弓升降動作，保障受電弓的安全升降，避免燒損接觸網等風險。

3.1 PDU受電弓升降保護裝置組成

如圖1所示，PDU受電弓升降保護裝置由壓力傳感器、控制器組成，具備獨立升降弓保護功能，同時也可以配合LCU實現具體功能。在機車制動柜內的控制風管上加裝壓力傳感器，傳感器由模擬量控制器供電，控制器采集到傳感器的420mA電流信號后，對其進行AD轉換、濾波后，根據壓力值和控制邏輯生成110V的控制信號，該信號可以給LCU或自行根據壓力開關信號控制機車上其他相關設備。

3.2 裝置內部組成

PDU受電弓升降保護裝置主要由AD采集模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、主控制器模塊構成，可以實現管道壓力監測，機車DC110V信號控制信號采集。

PDU裝置是一種可編程邏輯器件，通過微控制器芯片實現自動化控制功能，同時驅動LED顯示模塊顯示風缸壓力值以及實現數據記錄功能。AD采集模塊是PDU受電弓升降保護裝置的關鍵部件，采集來自壓力變送器的電流模擬量信號，并將其轉換成控制器芯片可以處理的數字量信號。

PDU裝置設計了4路AD采集通道，其中1路用于風缸壓力檢測，其余3路預留。另外，采集來自機車的控制信號，包括壓縮機板件開關信號、劈相機完成信號等，并通過6路數字量輸出通道輸出DC110V電平信號驅動受電弓電控閥、壓縮機接觸器、主斷路器等負載，完成獨立升降弓保護功能。為了實現該裝置的隔離功能，第一路輸出通道設計為獨立電源通道。當PDU面板上的轉換開關處在隔離位時，第一路通道輸出由外部電源獨立控制，不受PDU影響，同時關斷其他通道電源，實現該裝置的隔離。此時除了風壓顯示外，該裝置不對外執行任何控制功能。

3.3 工作原理

PDU受電弓升降保護裝置監測機車升弓回路風壓，當風壓低于440kPa時司機室給升弓命令，受電弓無法升起，當風壓值大于440kPa時，受電弓則會升起，避免因壓力不足，受電弓沒有完全升起，處在與電網懸浮狀態的前提下，機車起動負載后，導致電網強“拉弧”燒斷接觸網、損壞受電弓的風險。

當機車在運行中，受電弓處在升起狀態，PDU監測升弓回路風壓低于440kPa，裝置優先執行跳主斷，再降弓，避免機車帶全負載降弓導致“拉弧放炮”或接觸壓力不足存在燒損接觸網或受電弓的風險。

在劈相機起來后，壓縮機指令不受司機室開關控制，默認為起動狀態，進行補風，總風缸大于900kPa時停止壓縮機，避免因人為忘記給壓縮機指令，從而導致總風缸壓力下降，機車受電弓帶全載降弓、燒損接觸網等風險。

PDU受電弓升降保護裝置實時監測并數字顯示受電弓氣路壓力，給乘務人員提供參考，當PDU面板上的轉換開關處在隔離位時，除風壓力顯示外，裝置其他功能均被隔離，不會影響機車運行。

PDU具有故障日志記錄功能，實時記錄輸入、輸出通道狀態及管道氣壓值，給故障分析帶來參考依據。

3.4 應用說明

PDU裝置安裝在制動機柜中，裝置上數碼顯示管顯示的是受電弓氣壓回路壓力值（單位：kPa）。機車正常運行中，PDU裝置上的轉換開關應處在“自動”檔，當發生以下情況時司機需將轉換開關轉到“隔離”位。一是當受電弓升不起時，司機可以去制動柜觀察PDU裝置數碼管的顯示：若未顯示故障代碼，數值大于450（kPa）還不能升起受電弓，則可嘗試將轉換開關從“自動“轉到“隔離”位，再嘗試升弓動作。二是當PDU裝置出現以下故障代碼時，可嘗試將轉換開關轉到隔離位再嘗試升弓：①壓力傳感器故障，故障碼E-01；②主斷分通道故障，故障碼E-02；③壓縮機自起通道故障，故障碼E-03；④AD采樣通道故障，故障碼E-04。

3.5 裝置試驗

通過對輔助缸風壓進行控制，當PDU顯示氣壓回路小于440kPa時，通過司機室給升弓命令，受電弓無法升起，通過輔助壓縮機進行打風，當PDU監測的風壓值大于440kPa時，受電弓則會升起。機車進行欠壓隔離后，在受電弓升起并且主斷合上的狀態下通過對輔助缸風壓進行控制，當PDU顯示受電弓氣壓回路小于440kPa時，PDU將執行跳主斷，再降弓動作。受電弓升起，合主斷，起劈相機，在壓縮機開關不閉合的前提下，壓縮機自動起動，進行補風。

結語

受電弓是機車的重要電器元件，擔任著電能傳輸的使命，其重要性毋庸置疑。依靠科技進步與創新，不斷解決制約重載技術發展的瓶頸問題，研究重載機車各部分裝置，保證重載運輸安全，是時代發展的需要。本文對受電弓的工作原理、SS4B直流機車PDU受電弓升降保護裝置的系統構成、工作原理進行了詳細的闡述。該裝置2015年8月在SS4B型89#機車上裝車試用，運用至今，該裝置運用可靠，提高了機車運行的效率和安全性。

參考文獻

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[2]莫堅. SS9改進型機車受電弓及主斷路器控制電路的改進設計[J].機車電傳動，2007（3）：71-73.