淺析鐵路牽引供電燃弧檢測技術

邢挺

（中國鐵路青藏集團有限公司西寧供電段，青海西寧，810000）

高鐵成為目前最快捷的出行方式，具有安全舒適等優勢在世界各國快速發展。日本等國家加入高鐵競爭中，高鐵發展水平反映群眾提高的物質生活水平，我國高鐵營業里程超過世界高鐵總里程的2/3，高鐵技術整合發揚各國高鐵技術特點，開通了滬昆、鄭徐等 高鐵，代表采用中國高鐵標準動車組安全性能處于世界領先地位。動車組通過受電弓獲取電能，受電弓與接觸網相互影響，弓網關系影響受流性能，我國高鐵建設日益完善，目前面臨很多弓網問題，動車高速運行中發生弓網離線情況，弓網燃弧是劇烈放電現象，伴隨強光、電離輻射等現象，對受電弓接觸網造成侵蝕。本文針對新型紫外線傳感器，研究對不同紫外紅光波長，不同外界環境情況下的靈敏度等，提供新的檢測思路。

1 弓網受流性能檢測概述

電氣化鐵路牽引供電系統通過牽引變電站與動車組傳輸電能，接觸網是向電力機車提供電能裝置，受電弓是用于運行狀態中保持接觸網滑動摩擦取得電能裝置。架空接觸網系統包括回流線、接觸線等，接觸網本質是高壓電力輸電線，比一般輸電線具有更高要求，接觸網包含電能傳輸問題，在電氣狀態上有嚴格的要求，造成接觸網在服役環境、負載等方面不同于一般高壓輸電線。

受電弓由受電弓滑板、弓角等部分組成，使用空壓機提供氣囊壓力調整受電弓框架愛伸縮移動，滑板是集電部件，由粉末冶金石墨塊組成，受損會造成氣囊失壓自動降弓保證接觸線安全。受電弓-接觸網包含多方面關系，主要特點包括機械結構相對運用，接觸網電流通過接觸線-牽引電機，弓網離線燃弧產生[1]。弓網關系要求保證能量功率傳輸可靠性，動車組與電力機車運行中保持良好受流質量，減少電磁輻射等對鐵路周邊環境的影響。弓網燃弧是復雜的研究對象，檢測中受到氣流場、等離子體等外界因素影響。電弧放電伴隨強電離發生，對檢測系統中的電子設備等產生較大干擾，對檢測設備帶來嚴格要求。

接觸網在不受接觸電弓狀態下測量為靜態檢測，在接觸網與受電弓正常下進行接觸網測量為動態檢測，用于檢測接觸網與受電弓配合下動態參數。中鐵科研院研發弓網動態作用參數檢測系統，目前在多列綜合檢測車安裝應用，系統檢測針對接觸線拉出值等幾何參數，及離線狀態、動車組側電流等弓網動態作用參數精確測量，滿足指導高鐵接觸網聯調試施工精調。接觸網服役中張力是影響受流性能重要指標，接觸網架設初期保證張力，實際運行與動車組受電弓固定氣囊壓力配合，弓網壓力過大對受電弓造成磨損，損害受電弓造成弓網故障。壓力檢測是通過受電弓安裝壓力傳感器，接觸網壓力反映受電弓抬升下受電弓與接觸網接觸狀態，通過與標準壓力范圍對比，確認接觸力不穩定位置，嚴重影響弓網受流性能。

2 燃弧產生機理

電弧表面是大氣放電現象，檢測中電弧是包含輻射等影響綜合過程，大氣中斷開電路電流超過1A，產生劇烈放電現象，電弧中間部分稱為弧柱，燃弧中部產生6000K 以上高溫。電弧放電是常見放電現象，電弧研究中可將其視為多種物質處于等離子狀態，電弧發光區域形狀多變具有隨機性，單位時間內電能傳輸等特點。電磁場環境下電弧形態及電位發生較大變化，研究電弧變化規律有助于避免電弧放電現象發生。

當前牽引供電系統動車主要依靠手電弓從接觸線獲取電能，弓網關系影響動車安全，接觸網接觸線不平順帶來震動，環境與列車行駛中擾動氣流等因素隨著動車提速加劇，導致受電弓碳滑板，縮短使用壽命。規定持續時間大于10ms 電弧不超過每100m/次，車輛250km/h 運行燃弧率不超過0.2%[2]。燃弧探測器應對銅類材料輻射出紫外光波長敏感，銅合金接觸線應探測波長范圍為220-225nm，測量系統免疫于波長大于330nm 的可見光影響。只有燃弧持續時間大于規定才應記錄次數，持續時間根據線路車況要求決定。列車處于靜止狀態，由于持續時間短電流較小，不會對受電弓造成傷害，操作失誤列車主斷路器合閉，列車瞬間通過接觸線接觸點電流大，熱量集中對接觸網產生嚴重電燒蝕，影響后續行車安全。

電氣化鐵路中存在各種放電現象，弓網燃弧與其他放電具有不同特性，檢測中需要通過類似特性對弓網燃弧進行預防，確認好燃弧位置有助于弓網維護。弓網燃弧具有電弧物理特性，弓網燃弧包含電磁場劇烈變化，氣壓帶來絕緣距離變動等復雜過程，鐵路牽引供電系統接觸網電壓，接觸線平順性、牽引電機運行狀態、列車行駛位置風速等決定。電弧點位梯度是重要物理特性，弓網燃弧研究把弧柱電位梯度作為基本物理特性，影響因素包括燃弧發熱特性，觀察到的燃弧是電弧放電特性作用結果。滅弧是通過提高燃弧位置熱導加強電弧冷卻效果。電流擊穿導體電離空氣放電導體，不斷輻射出聲光波，燃弧發生伴隨紫外線產生，產生原因包括金屬導體與空氣電離發光，電弧光波長范圍較廣，需要選擇特定波長范圍檢測。

燃弧是電能劇烈釋放過程，在接觸網與受電弓產生高溫，導致受電弓滑板材料溶化等。導體兩極材料響應有表面強度等動力學特性變化，導致裂紋形成擴大。材料表面相變在短時間內產生，使得材料表面產生很大溫度梯度，材料表面應力集中，碳滑板發生材料飛濺。金屬材料表面形成金屬熔池。電弧與電極材料作用中，燃弧產生熔化金屬受到洛倫茲力影響，流速超過一定值形成小滴液噴濺，弓網離線電弧放電造成接觸副表面溫度升高，使碳滑板表面產生灼燒痕跡。加速銅合金接觸線點寢室，對線路帶來損傷。

3 弓網燃弧檢測系統

檢測中由于接觸網運行狀態不同于傳統輪軌關系，弓網關系動態參數檢測系統與電氣設備檢測等不同，列車運行下弓網間動態關系參數檢測在受電弓滑動摩擦，伴隨高頻振動進行，弓網受流系統是不斷變化動態過程，是多種機械結構適配，其造成的電氣狀態變化主要包含以下幾點：第一，受電弓在硬點高差作用下，產生的振動影響；第二，在橫向作用力下，列車車體會出現橫向擺動的現象，導致電弓會出現橫向振動問題；第三，接觸網在電弓或其他因素干擾下，會產生振動，這種振動會沿著接觸線傳播至后方造成干擾；第四，在接觸線與電弓之間因各種原因導致的重新接觸和離線都會給其他方向的設備帶來沖擊；第五，電弓與接觸線短時間斷離會導致離線燃弧的產生，導致接觸網電力發生改變。所以，弓網受流是復雜機械過程，檢測弓網受流性能系統必須適應復雜檢測環境。目前成熟的弓網燃弧檢測設備設計思路是燃弧向外輻射紫外線，傳感器受電路中電壓波動，數值進入信號調理設備進行操作轉化為虛擬信號，通過網線輸入到電腦處理數據，弓網燃弧檢測系統整體設計框架如圖1 所示。

圖1 弓網燃弧檢測系統框架

國際標準中對燃弧檢測描述系列要求，給出銅合金不同于可見光波長范圍220-225nm。紫外探測器分為廣電導型，光電子發射型與光伏型。目前應用最多的是光電子型光電倍增管，主體材料易得低價，日常檢測中存在帶隙小，不同溫度下暗電流變化大，需要對可見光加濾光片等缺點[3]。由于半導體技術成熟，設備制造技術逐漸成熟。第三代4H 碳化半導體材料進入實用化階段，碳化硅材料制成的傳感器替代原有檢測領域，4H-Si 制造紫外線探測器具有日盲特性，常規光伏型紫外探測器趨于成熟。4H 碳化硅材料紫外傳感器具有耐高溫，較大機械強度等特點。

半導體紫傳感器可適用各種環境檢測要求，由于傳感器靈敏度受到溫度影響，應選擇常溫下敏感的傳感器，選擇敏感度包含波長220-225nm 的型號，因車頂位置局限，考慮安裝位置顧及大部分線路，傳感器應滿足檢測范圍正負30度范圍內。傳感器在0°時定義標準輸出比為1，在±30°輸出比為0.5，安裝時注意角度。傳感器半導體芯片面積與靈敏度相關，需要在檢測時保證受光面積。

4 弓網燃弧檢測試驗

紫外二極管產生光電流很小，不能使用常用萬用表測量需要放大電路，放大電路是使用廣泛的電子電路，將輸入微弱信號放大到所需幅度值，實際放大電流由信號源構成放大器及負載組成。通過使用跳線可選擇放大器類型與配置，電壓增益范圍為2-1000 倍數。電路采用24V 直流電源供電，可使用兩級放大，實驗中采用兩級放大方案。受空間位置局限性較小，應采取緊湊的設計方式。

實驗采用逆變器，輸出端觸頭為銅合金導線，試驗中用于直流電轉換為交流電，升壓回路通過電子元器件控制電路開放，把直流電壓提升到逆變電路所需電壓，使同等直流電壓轉換為50Hz 的交流電壓，可以擊穿間隙的空氣產生足夠大的電弧[4]。實驗現場布置要求保證現場通風，設備保持接地，傳感器布置在堅固平面，信號處理設備遠離電弧發生裝置。實驗設計要求按照方案確保現場無紫外光源，接通電源確保無短路情況。確保無紫外光源干擾下進行放電試驗，保證現場有其他波長紫外線。持續若干秒多次燃弧檢測，從試驗開始至結束記錄全程數據，試驗操作時人工記錄試驗參數。

首次進行若干次單次燃弧檢測，現場無符合日光光譜紫外光源實驗結果無區別，電壓峰值在1-3V。實驗過程持續3ms，1.6ms 達到峰值，隨后電壓值回落。無燃弧出現下系統輸出電壓處于穩定范圍，放電后回落到之前基準值。金屬銅觸頭表面發射電子，紫外傳感器產生較大電流，波形展現出急劇上升[5]。觸頭間隙氣體原子印電子產生電離，紫外傳感器對散發紫外線波長靈敏度較低，電路輸出電壓降低。放電結束后，傳感器兩端產生暗電流恢復到之前水平。單位面積接受紫外線與距離光源距離成反比，距離燃弧發生未知近則電壓值高。可從系統輸出電壓值觀察燃弧產生熄滅過程，傳感器不受日光干擾，可靈敏辨別固定波長內紫外線，可準確記錄燃弧時間。

在若干秒內進行多次燃弧實驗，傳感器距離燃弧模擬器5m,電壓值持續若干秒，進行5 次試驗。首次試驗整體持續時間15s，手動操作放電3 次，燃弧檢測系統輸出電壓有明顯變化，顯示為相對集中三塊區域，每塊區域中有若干道間隙。第二次試驗持續時間20s,手動操作放電7 次。燃弧檢測系統輸出電壓有明顯變化，顯示為集中七塊區域，1-3區域后有若干道間隙。第三次試驗持續時間36s,手動操作放電13 次，燃弧檢測系統輸出電壓有明顯變化，顯示為相對集中14 塊區域，有4-5，13-14 區域中有若干道間隙，可能存在部分干擾信號。設備采集數據可能存在干擾信號，需要分析處理。燃弧檢測系統記錄每次模擬燃弧產生結束，經數據處理得出燃弧次數，實驗中產生誤差可能與手動操作有關。

5 結語

隨著我國高鐵飛速發展，對行車安全要求不斷提高。接觸網檢測是確保行車安全的重要預防手段，本文總結各國先進檢測方案，提出燃弧檢測改進意見。首先介紹電接觸理論，分析弓網燃弧產生原因，通過對弓網燃弧散發紫外線波長研究，分析各種傳感器優缺點，選擇對波長220-290nm 敏感傳感器，根據傳感器參數設計電路，制作簡易弓網燃弧模擬設備，選擇德國IMC 數據采集系統，用MATLAB 為數據處理軟件驗證檢測系統可行性。當前高鐵大發展情況下弓網燃弧不可避免，不斷完善檢測方案，可以監控弓網燃弧產生原因，確保接觸網使用的壽命。弓網檢測系統是檢測弓網受流性能的工具，期待有更好的方法減少弓網燃弧的發生。