电力机车弓网离线检测技术研究

摘 要：在电气化铁路中，弓网离线检测技术是检测电力机车离线状态、找出离线发生原因的重要技术，研究弓网离线能够解决电力机车离线事故。本文以弓网离线对电力机车产生的危害为研究对象，对电力机车受电弓离线检测技术进行了研究，以期能够为解决弓网离线对电力机车所产生的影响提供一些借鉴。

关键词：电力机车;受电弓;离线检测技术

在整个电力机车运营系统中，“离线”是制约电力机车提速的关键因素。受电弓一旦离线，供电问题会直接产生，并伴有电弧火花，从而对沿途的通信线路产生干扰，严重影响电力受流装置的控制系统不能正常运行。目前，随着电力机车运行速度和铁路运输量的不断提升，研究弓网离线检测技术成了铁路局及下属机务段迫切面对的首要问题之一。

一、电力机车弓网离线带来的危害

电力机车所需的电能是通过列车车顶的受电弓与接触线的相对滑动而获取的，接触网是牵引供电系统的主要供电设备。通常在低速运行状态中，受电弓能够促使电力机车正常受流，滑板与接触线之间的接触相对平稳;但在高速运行状态中，由于受电弓与接触线自身具有一定的特性，接触线的抬升量加大，导致垂直方向上的受电弓与接触线脱离，导致两者发生振动，受电弓加快速度，即：“受电弓离线”。一方面，电力机车运行时发生离线，会引起车载变压器产生励磁涌流，相当于主断路器的重合闸，当离线拉弧过大时，会中断供电，影响电力机车的正常牵引功率，从而对变压器的正常工作产生危害;另一方面，在高电压的作用下，。受电弓与接触线之间的气隙会被击穿，发生脱离，从而产生电弧等离子体。此时，作为列车取流的通道，电弧被拉大，随受电弓和接触线之间的距离增大，但弧柱半径却遭到了减小，增大了电弧电阻增大。并且电弧会吸收大量的能量，导致电弧熄火不能燃烧，从而严重影响着列车及其电气设备以及电力电子器件的正常工作。

弓网离线产生的原因大致有四个方面：一在电力机车运行速度很高的情况下，受电弓会垂直加速度，导致接触线产生振动，受电弓接触不良，从而造成电弧、弓网离线;二弓网间的接触压力会随着运行速度的不同而产生不同，机车的高速运行会很大地磨损受电弓，增加接触线压力。而机车的慢速度运行，可以分离弓网，降低接触线压力，从而导致电弧产生灼热，从而使接触线烧伤，导致电弓滑板烧伤;三由于接触网重量较为集中，在分段绝缘器、电连接线夹、接触线接头线夹等线夹处，受电弓高速通过时，容易造成硬点冲击，弓网间的接触力会发生变化，引起离线。并且接触导线的材质、工艺等也会导致弓网离线;四从一个高度过渡到另一个高度时，接触导线会形成一定的倾斜度，完成从高到低的变化。一段选择不当，接触导线会引起电力机车离线问题。

弓网离线的危害主要有四个方面：一电力机车高速运行的情况下，弓网之间产生的电弧可能会导致机车受流时断时续，导致机车运行发生减速、加速等不正常问题，甚至会中断接触网对机车的供电;二在牵引供电系统中，受电弓离线会导致电压畸变，产生的电弧会引起谐振过电压，与正常工作电压相比，击穿电压最高可达几十倍、几百倍，从而对机车的安全运行造成很大的威胁，机车内部份额定电压不高的电气设备被烧毁;三弓网离线时，受电弓与接触导线间产生的电弧电阻增大，加大了两者的磨损，甚至可能烧毁受电弓滑板与接触导线;四伴随着高热量、高能量的释放，弓网离线产生的电弧会产生无线电噪音干扰，尤其是在无线电信号上，弓网离线会产生严重的影响，甚至导致机车不能安全运行。

二、电力机车受电弓离线检测技术

以往，弓网离线检测技术主要采用人工观察记录的方法，这种检测技术工作量大、人为因素多，是一种原始的弓网状态检测技术，一般在机车后的挂车上通过目测的方法，对拉弧、火花等情况进行检测，误差比较大。目前，随着我国电气化的不断发展，电力机车受电弓离线检测技术的现代化程度不断提升，一些先进的电子测量和监测技术得到了廣泛的推广，很多铁路局已经具备了用检测车检测弓网离线状态的能力，极大地满足了电力机车受电弓离线检测的需要。其主要有以下几方面技术：

（一）电阻测量法

电力机车受电弓离线检测技术中，电阻测量法检测离线问题是利用受电弓和接触导线间电阻变大的原理，主要包括电阻变大法、电阻—电容法两种。其中电阻变大法技术简单、费用低。通过“隔离电容—受电弓—接触网—接触网对地分布电容—钢轨”，弓网接触时，电流形成回路，一旦产生“离线”问题，弓网之间的阻抗变大，流入检测电路环节中的电流变小，电路中流入电流，从而检测出离线信号。并且为了减少隔离电容和接触网对地分布电容的阻抗，恒流源会采用高频信号。而通过高压电容，当受电弓与导线接触时，会减小接触嗲群组，检测回路被旁路，接触网之中会流入大部分信号电流。并且沿线分布的电容，经过检测车接触轴流会泻回钢轨。此时，流回接触网离线检测装置会形成回路。在这两种情况下，测量离线信号可以通过选频、解调、触发等环节，这是由于离线问题会导致信号电流产生两种幅值不同的电压信号所造成的;电阻电容法测量精确度高，是通过检测波形的拜年话来检测离线问题，测量时，将两个电容器和一个电阻接入受电弓与地面之间。测量受电弓电压，可以利用电容器，受电弓电流的测量可以利用电容器充当分压器。流经受电弓的电容充电和放电的电流，当受电弓和接触线良好时会改变接触线电压;而当离线时，电流会发生变化，受电弓与接触线之间的距离和电压差;电流间隔会出现不规则的脉冲或0电流情况，电压呈现出阶梯状。

（二）受电弓电流测量法

电力机车受电弓离线检测技术中，受电弓电流测量法主要包括交流电式测量法、电流循环式测量法两种。其中交流电式测量法只能对“大离线”工况进行测量，不能测定“拉弧、放电、小离线”等问题。2000年，日本研究的新干线，运用电流沿接触导线—受电弓—变流器—电动机—钢轨流动的原理，研制出了交流电式离线检测装置。交流电式的理想测定方法能够检测出电流为0的状态，一旦受电弓离开接触导线，流过受电弓的电流为0。就算电动机车没有发生离线问题，由于交流电大小以0为中心上下振动，电流也会出现0的情况，即：“过零”。检测离线根据受电弓电流及其微分值2个均为0的情形，可以准确地检测出离线，这样在机车内就可以知道离线率等数据。但由于受电弓电流为0，交流电式测量法在机车惰行时，并不能测定信号在什么地方产生离线。并且受电弓电流值的影响，当加速放缓时，滑板并没有离开接触导线，会异常显示出“离线”;电流循环式测量法目前大多被运用在我国JJC1型接触网检测车上，检测车中，由电容器和测量用受电弓，将振荡器产生的高频信号送到接触网上，然后流回地面经过接触网接地电容。在接触网电压频率较高时，电容器为低阻抗，反之为低阻抗。并且离线时，通过接触网的高频率电流会发生突变，电容阻抗由低到高发生变化。

（三）光学法

电力机车受电弓离线检测技术中，光学法主要包括火花测量法、紫外线测量法两种。其中，检测任何受电弓/接触网系统时，火花测量法不用接触受电弓上高压部分，在透镜系统中采用一排光接收器，就可以检测实现离线检测。并且将光电二极管放置在透镜系统的焦点处，采用高通滤波器，可以促使这些光接收器独立输出，并将离线产生的电火花转化为电信号放大，除掉环境光的影响，然后为了得到输出的离线信号，将整流各信号后叠加在一起。但由于离线很小、弧线很弱，这种检测技术在直流系统或者机车滑行时，不能精确地检测出离线问题;紫外光测量法适用于高速运行的机车，能够持续监视机车运行区间，是通过测量受电弓離线时发出紫外光，实现离线检测的。在牵引状态下，机车受电弓离线时会发出强烈的紫外光，产生电弧。在该系统中，受电弓前的机车顶部会安装金属原著体内的光电传感器，该金属圆柱口只允许通过波长175～195nm的紫外光，会安装具有透明的石英玻璃。

（四）其他检测方法

电力机车受电弓离线检测技术中，其他检测方法还有电磁检测法、压力检测法等。其中电磁检测法包括场强测量法和辐射电磁信号分析法。难度较大的场强测量法是为了换算出每个跨距内的离线率大小，根据车速、前进距离，试制选择性极高、抗干扰能力强的接收机;辐射电磁信号分析法可将脉冲型辐射电磁信号分离出来，并利用小波变换进行频谱分析，检测离线放电产生的高频辐射电磁信号，谱图变化情况能够反映放电量的变化，噪声不易去除，处理方式较为复杂。压力检测法要求传感器安装在弓头，工作环境比较恶劣，处于高压状态，当弓网接触压力趋近与零值或小于零值时，会导致离线。这种检测方法对传感器要求较高，要求有良好的抗干扰能力和很强的适应能力，不容易达到要求。

三、电力机车受电弓离线检测技术展望

电力机车受电弓离线检测技术对预防和减少弓网事故、保证行车安全具有积极作用，准确率较高、方便，能够提升社会效益和经济效益。但弓网离线检测技术并不能满足频繁检测和在线检测的需要，每年只能安排3～4次。目前，国内外一些学者对其他方法也进行了研究。如：在国外，为了检测离线时受电弓电流和电压的变化，采用精度高的检测车检测技术来完成离线检测，。但这种检测并不能实现频繁检测和在线检测;而采用光学法虽然可以实现在线监测，测量精确度、安全性也高，但该技术还不成熟，技术要求较高。相信在未来，随着科学技术不断的发展，光学法会越来越被人们所采用。

参考文献：

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[2]王英，焦玉伟，陈小强.计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究[J].机械科学与技术，2020（11）.

[3]吴凡.机车走行部及受电弓日常整备及检修问题整改[J].铁道运营技术，2020（01）.

课题名称：衡阳市科技局—湖南高速铁路职业技术学院电力机车弓网离线电弧检测系统的研究（课题编号：2017KJ232）

作者简介：江丽（1982— ），女，瑶族，湖南邵阳人，硕士，副教授，研究方向：电路与系统。