電力機車弓網離線檢測技術研究

摘?要：在電氣化鐵路中，弓網離線檢測技術是檢測電力機車離線狀態、找出離線發生原因的重要技術，研究弓網離線能夠解決電力機車離線事故。本文以弓網離線對電力機車產生的危害為研究對象，對電力機車受電弓離線檢測技術進行了研究，以期能夠為解決弓網離線對電力機車所產生的影響提供一些借鑒。

關鍵詞：電力機車;受電弓;離線檢測技術

在整個電力機車運營系統中，“離線”是制約電力機車提速的關鍵因素。受電弓一旦離線，供電問題會直接產生，并伴有電弧火花，從而對沿途的通信線路產生干擾，嚴重影響電力受流裝置的控制系統不能正常運行。目前，隨著電力機車運行速度和鐵路運輸量的不斷提升，研究弓網離線檢測技術成了鐵路局及下屬機務段迫切面對的首要問題之一。

一、電力機車弓網離線帶來的危害

電力機車所需的電能是通過列車車頂的受電弓與接觸線的相對滑動而獲取的，接觸網是牽引供電系統的主要供電設備。通常在低速運行狀態中，受電弓能夠促使電力機車正常受流，滑板與接觸線之間的接觸相對平穩;但在高速運行狀態中，由于受電弓與接觸線自身具有一定的特性，接觸線的抬升量加大，導致垂直方向上的受電弓與接觸線脫離，導致兩者發生振動，受電弓加快速度，即：“受電弓離線”。一方面，電力機車運行時發生離線，會引起車載變壓器產生勵磁涌流，相當于主斷路器的重合閘，當離線拉弧過大時，會中斷供電，影響電力機車的正常牽引功率，從而對變壓器的正常工作產生危害;另一方面，在高電壓的作用下，。受電弓與接觸線之間的氣隙會被擊穿，發生脫離，從而產生電弧等離子體。此時，作為列車取流的通道，電弧被拉大，隨受電弓和接觸線之間的距離增大，但弧柱半徑卻遭到了減小，增大了電弧電阻增大。并且電弧會吸收大量的能量，導致電弧熄火不能燃燒，從而嚴重影響著列車及其電氣設備以及電力電子器件的正常工作。

弓網離線產生的原因大致有四個方面：一在電力機車運行速度很高的情況下，受電弓會垂直加速度，導致接觸線產生振動，受電弓接觸不良，從而造成電弧、弓網離線;二弓網間的接觸壓力會隨著運行速度的不同而產生不同，機車的高速運行會很大地磨損受電弓，增加接觸線壓力。而機車的慢速度運行，可以分離弓網，降低接觸線壓力，從而導致電弧產生灼熱，從而使接觸線燒傷，導致電弓滑板燒傷;三由于接觸網重量較為集中，在分段絕緣器、電連接線夾、接觸線接頭線夾等線夾處，受電弓高速通過時，容易造成硬點沖擊，弓網間的接觸力會發生變化，引起離線。并且接觸導線的材質、工藝等也會導致弓網離線;四從一個高度過渡到另一個高度時，接觸導線會形成一定的傾斜度，完成從高到低的變化。一段選擇不當，接觸導線會引起電力機車離線問題。

弓網離線的危害主要有四個方面：一電力機車高速運行的情況下，弓網之間產生的電弧可能會導致機車受流時斷時續，導致機車運行發生減速、加速等不正常問題，甚至會中斷接觸網對機車的供電;二在牽引供電系統中，受電弓離線會導致電壓畸變，產生的電弧會引起諧振過電壓，與正常工作電壓相比，擊穿電壓最高可達幾十倍、幾百倍，從而對機車的安全運行造成很大的威脅，機車內部份額定電壓不高的電氣設備被燒毀;三弓網離線時，受電弓與接觸導線間產生的電弧電阻增大，加大了兩者的磨損，甚至可能燒毀受電弓滑板與接觸導線;四伴隨著高熱量、高能量的釋放，弓網離線產生的電弧會產生無線電噪音干擾，尤其是在無線電信號上，弓網離線會產生嚴重的影響，甚至導致機車不能安全運行。

二、電力機車受電弓離線檢測技術

以往，弓網離線檢測技術主要采用人工觀察記錄的方法，這種檢測技術工作量大、人為因素多，是一種原始的弓網狀態檢測技術，一般在機車后的掛車上通過目測的方法，對拉弧、火花等情況進行檢測，誤差比較大。目前，隨著我國電氣化的不斷發展，電力機車受電弓離線檢測技術的現代化程度不斷提升，一些先進的電子測量和監測技術得到了廣泛的推廣，很多鐵路局已經具備了用檢測車檢測弓網離線狀態的能力，極大地滿足了電力機車受電弓離線檢測的需要。其主要有以下幾方面技術：

（一）電阻測量法

電力機車受電弓離線檢測技術中，電阻測量法檢測離線問題是利用受電弓和接觸導線間電阻變大的原理，主要包括電阻變大法、電阻—電容法兩種。其中電阻變大法技術簡單、費用低。通過“隔離電容—受電弓—接觸網—接觸網對地分布電容—鋼軌”，弓網接觸時，電流形成回路，一旦產生“離線”問題，弓網之間的阻抗變大，流入檢測電路環節中的電流變小，電路中流入電流，從而檢測出離線信號。并且為了減少隔離電容和接觸網對地分布電容的阻抗，恒流源會采用高頻信號。而通過高壓電容，當受電弓與導線接觸時，會減小接觸嗲群組，檢測回路被旁路，接觸網之中會流入大部分信號電流。并且沿線分布的電容，經過檢測車接觸軸流會瀉回鋼軌。此時，流回接觸網離線檢測裝置會形成回路。在這兩種情況下，測量離線信號可以通過選頻、解調、觸發等環節，這是由于離線問題會導致信號電流產生兩種幅值不同的電壓信號所造成的;電阻電容法測量精確度高，是通過檢測波形的拜年話來檢測離線問題，測量時，將兩個電容器和一個電阻接入受電弓與地面之間。測量受電弓電壓，可以利用電容器，受電弓電流的測量可以利用電容器充當分壓器。流經受電弓的電容充電和放電的電流，當受電弓和接觸線良好時會改變接觸線電壓;而當離線時，電流會發生變化，受電弓與接觸線之間的距離和電壓差;電流間隔會出現不規則的脈沖或0電流情況，電壓呈現出階梯狀。

（二）受電弓電流測量法

電力機車受電弓離線檢測技術中，受電弓電流測量法主要包括交流電式測量法、電流循環式測量法兩種。其中交流電式測量法只能對“大離線”工況進行測量，不能測定“拉弧、放電、小離線”等問題。2000年，日本研究的新干線，運用電流沿接觸導線—受電弓—變流器—電動機—鋼軌流動的原理，研制出了交流電式離線檢測裝置。交流電式的理想測定方法能夠檢測出電流為0的狀態，一旦受電弓離開接觸導線，流過受電弓的電流為0。就算電動機車沒有發生離線問題，由于交流電大小以0為中心上下振動，電流也會出現0的情況，即：“過零”。檢測離線根據受電弓電流及其微分值2個均為0的情形，可以準確地檢測出離線，這樣在機車內就可以知道離線率等數據。但由于受電弓電流為0，交流電式測量法在機車惰行時，并不能測定信號在什么地方產生離線。并且受電弓電流值的影響，當加速放緩時，滑板并沒有離開接觸導線，會異常顯示出“離線”;電流循環式測量法目前大多被運用在我國JJC1型接觸網檢測車上，檢測車中，由電容器和測量用受電弓，將振蕩器產生的高頻信號送到接觸網上，然后流回地面經過接觸網接地電容。在接觸網電壓頻率較高時，電容器為低阻抗，反之為低阻抗。并且離線時，通過接觸網的高頻率電流會發生突變，電容阻抗由低到高發生變化。

（三）光學法

電力機車受電弓離線檢測技術中，光學法主要包括火花測量法、紫外線測量法兩種。其中，檢測任何受電弓/接觸網系統時，火花測量法不用接觸受電弓上高壓部分，在透鏡系統中采用一排光接收器，就可以檢測實現離線檢測。并且將光電二極管放置在透鏡系統的焦點處，采用高通濾波器，可以促使這些光接收器獨立輸出，并將離線產生的電火花轉化為電信號放大，除掉環境光的影響，然后為了得到輸出的離線信號，將整流各信號后疊加在一起。但由于離線很小、弧線很弱，這種檢測技術在直流系統或者機車滑行時，不能精確地檢測出離線問題;紫外光測量法適用于高速運行的機車，能夠持續監視機車運行區間，是通過測量受電弓離線時發出紫外光，實現離線檢測的。在牽引狀態下，機車受電弓離線時會發出強烈的紫外光，產生電弧。在該系統中，受電弓前的機車頂部會安裝金屬原著體內的光電傳感器，該金屬圓柱口只允許通過波長175～195nm的紫外光，會安裝具有透明的石英玻璃。

（四）其他檢測方法

電力機車受電弓離線檢測技術中，其他檢測方法還有電磁檢測法、壓力檢測法等。其中電磁檢測法包括場強測量法和輻射電磁信號分析法。難度較大的場強測量法是為了換算出每個跨距內的離線率大小，根據車速、前進距離，試制選擇性極高、抗干擾能力強的接收機;輻射電磁信號分析法可將脈沖型輻射電磁信號分離出來，并利用小波變換進行頻譜分析，檢測離線放電產生的高頻輻射電磁信號，譜圖變化情況能夠反映放電量的變化，噪聲不易去除，處理方式較為復雜。壓力檢測法要求傳感器安裝在弓頭，工作環境比較惡劣，處于高壓狀態，當弓網接觸壓力趨近與零值或小于零值時，會導致離線。這種檢測方法對傳感器要求較高，要求有良好的抗干擾能力和很強的適應能力，不容易達到要求。

三、電力機車受電弓離線檢測技術展望

電力機車受電弓離線檢測技術對預防和減少弓網事故、保證行車安全具有積極作用，準確率較高、方便，能夠提升社會效益和經濟效益。但弓網離線檢測技術并不能滿足頻繁檢測和在線檢測的需要，每年只能安排3～4次。目前，國內外一些學者對其他方法也進行了研究。如：在國外，為了檢測離線時受電弓電流和電壓的變化，采用精度高的檢測車檢測技術來完成離線檢測，。但這種檢測并不能實現頻繁檢測和在線檢測;而采用光學法雖然可以實現在線監測，測量精確度、安全性也高，但該技術還不成熟，技術要求較高。相信在未來，隨著科學技術不斷的發展，光學法會越來越被人們所采用。

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課題名稱：衡陽市科技局—湖南高速鐵路職業技術學院電力機車弓網離線電弧檢測系統的研究（課題編號：2017KJ232）

作者簡介：江麗（1982—?），女，瑤族，湖南邵陽人，碩士，副教授，研究方向：電路與系統。