基于可控紫外光的弓网燃弧检测装置定标系统研究*

2021-11-19张冰

铁道机车车辆 2021年5期

张冰

（中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081）

受电弓—接触网系统存在的弓网燃弧现象，是在列车运行中受电弓与接触网接触状态不良的直观响应，因此在国际上弓网燃弧被用作表征弓网受流性能优劣的关键性指标之一，燃弧检测的准确性成为关键技术问题之一。针对弓网燃弧现象，国内外学者从弓网燃弧的产生机理、燃弧对滑板及接触线磨损的影响、弓网燃弧仿真［1-6］以及弓网燃弧特性检测装置［7-9］等方面都做了大量的研究工作；并且针对弓网燃弧检测装置定标问题，开展了燃弧光谱响应度与燃弧最小功率密度等燃弧能量特征参数定标装置的研究［10-12］。这些研究工作极大地提高了弓网燃弧的检测水平，并形成相应的质量控制和检测标准。欧洲标准EN 50317：2012《铁路应用—受流系统—受电弓与架空接触网之间的动态相互作用测量方法的要求和确认》［13］中明确规定：检验电气化铁路受流系统的运行可靠性和运行质量是通过对接触网和受电弓之间动态相互作用的测量来反映的，其检测参数应包括弓网燃弧次数、弓网燃弧持续时间总和、最长弓网燃弧持续时间和弓网燃弧率等。这些参数均为关于弓网燃弧现象的时间特征参数。由于燃弧产生的偶然性，捕捉记录的准确性存在难度，因此需要选用能够全时待命、即时快速响应并记录燃弧信号的检测系统，通常可选用图像采集或紫外光感应系统［14-18］。由于图像采集的结果易受到自然光、雷电等非燃弧现象的干扰，目前一般采用对燃弧特征紫外光频段敏感的接收装置来进行实际线路的弓网燃弧检测。另一方面，弓网燃弧的闪烁时间极短但存在确定性规律，因此如何有效识别和评判接收到的单次燃弧闪烁的有效信号及其时长，并与标准燃弧时长进行对比以作为有效的燃弧记录，对于燃弧信号采集装置和计算机分析软件的评判模型参数来说，对信号记录准确性的估计和评判也存在较高难度。因此，寻找和建立能够标定矫正燃弧检测装置紫外光信号采集装置的机械稳定性和软件参数准确性的定标系统，是保障弓网燃弧检测装置优化设计、运维和校准的关键技术。

国内弓网燃弧检测以及相关研究起步较晚。特别是针对弓网燃弧持续时间、燃弧次数及间隔时间等弓网燃弧测量装置响应的时间特征参数测取评判的敏感性和不稳定性问题，如何保障衡量检测装置的可靠性方面，缺少能够精确标定弓网燃弧检测装置的标准燃弧定标系统的支撑，国内弓网燃弧检测技术和弓网燃弧的评判标准与国际标准存在差距。此研究立足实现弓网燃弧检测装置的时间特征参数的定标功能，结合弓网燃弧机理和检测标准，提出了一种以可控特定频段紫外光时长的超稳定氘灯紫外灯光源系统的技术方案，设计制作了能够准确定标弓网燃弧能量特征参数及时间特征参数的弓网燃弧检测装置定标系统，并通过试验验证了其工作性能以及实用性和准确性。

1 弓网燃弧检测技术及评价方法

早期采用可视光的光学式弓网燃弧检测装置，白天测量有困难。紫外光（UV）在白天也能检测获取，进一步研发了基于紫外光（UV）的光学式弓网燃弧检测装置，即通过在列车车顶安装基于紫外光的光学传感器来检测受电弓—接触网的燃弧信号。

接触网导线与受电弓滑板材料主要成分为铜、碳，其燃弧产生弧光在紫外光范围有强光谱；我们采用的紫外光（UV）传感器是利用金属的光电效应和气体倍增效应的UVTRON 紫外光（UV）传感器专用光敏管。它具有185～260 nm 的窄光谱灵敏度，对可见光完全不敏感。与一般的光半导体传感器不同，它不需要光学滤光片，因此易于使用。尽管它的尺寸较小，但它具有较宽的角度灵敏度（方向性），并且可以可靠、快速地检测弓网燃弧发出的微弱的紫外光。

紫外光UV 传感器，只对弓网燃弧中狭窄范围内紫外线敏感，对其他频谱光线不敏感。弓网燃弧紫外光传感器的灵敏度依赖于紫外光传感器放电的次数（输出脉冲数）。当入射紫外光较弱时，输出脉冲数与入射紫外光光强成正比；当入射紫外光增加到一定强度时，输出脉冲数量则呈饱和状态不再增加。紫外光UV 传感器如图1 所示。各种入射光强下，弓网燃弧紫外光传感器的输出波形如图2 所示。

图1 紫外光UV 传感器

图2 紫外光UV 传感器的脉冲输出

弓网燃弧测量涉及弓网燃弧的相关光谱范围内燃弧功率密度（以PW/cm2计）和弓网燃弧测量装置响应之间的关系。根据欧洲标准EN 50317相关标准要求，弓网燃弧测量装置应能感测铜物质所发紫外光波长。对于铜和铜合金接触线及受电弓碳物质滑板，应能感知220～225 nm 或323～329 nm 波段紫外光。根据欧洲标准EN 50317，弓网燃弧测量装置设置燃弧检测阈值，该阈值取决于弓网燃弧最小燃弧功率。阈值设定见表1。

表1 最小燃弧功率

弓网燃弧测量装置对其输出结果，仅分析超过规定持续时间的燃弧。该持续时间取决于须检测的问题，检测弓网受流质量的有效持续时间值是5 ms。弓网燃弧率（NQ）按照式（1）计算：

式中：NQ为弓网燃弧率，是车辆给定速度的一个特征值；t电弧为弓网燃弧持续时间之和；t总量为每个受电弓的受电电流超过标称电流30%的总时间。

2 基于可控紫外光的弓网燃弧检测装置定标系统

2.1 系统组成

弓网燃弧测量装置定标系统如图3 所示，主要部件包括：氘灯紫外灯光源、紫外灯光源控制电源、光路控制定时系统、定时系统控制器。其他辅助部件包括光学回路及安装转接件、标准紫外光探测器、光功率计、光谱分析仪、数据处理系统等。其中，氘灯紫外灯光源能够产生稳定的波长为160～400 nm 的深紫外光谱。

图3 弓网燃弧测量装置定标系统结构形式

2.2 系统工作原理和流程

该弓网燃弧检测装置定标系统的工作原理和主要流程如下。

（1）在数据处理系统控制下，标准紫外光探测器或弓网燃弧传感器进入光路输出端；位于光路输入端的标准氘灯紫外光经输入光学回路、滤光回路和输出光学回路，成像在标准紫外光探测器或弓网燃弧传感器的光敏面。经光功率计、光谱分析仪或弓网燃弧传感器，标准紫外光探测器将弓网燃弧检测装置接收的光信号转成电信号进入数据处理系统。

（2）数据处理系统，装有数据通信系统和测量软件的计算机。数据处理系统测量软件包括数据通信模块，系统参数设置模块，系统控制模块，弓网燃弧光谱辐射照度校准、标定、测量模块，弓网燃弧光谱响应度校准、标定、测量模块，弓网燃弧持续时间校准、标定、测量模块，弓网燃弧次数校准、标定、测量模块，弓网燃弧间隔时间校准、标定、测量模块。

（3）数据通信模块。其功能是将光功率计、光谱分析仪或弓网燃弧测量装置的测量数据通过RS232 或ETHERNET（网络）接口传输到数据处理系统。

（4）系统参数设置模块。其功能是根据所选择的工作类型设置光学回路（输入光学回路、滤光回路、输出光学回路）及定时系统控制器的相关参数。控制模块的功能是根据系统参数设置模块中设置的相关参数，向光学回路（输入光学回路、滤光回路、输出光学回路）及定时系统控制器发送控制指令，用以调节氘灯紫外灯光源的输出强度、光谱或弓网燃弧持续时间、弓网燃弧次数、弓网燃弧间隔时间等参数。

（5）根据系统参数设置模块，设置校准、标定、测量类型，调用相应的校准、标定、测量模块完成校准、标定、测量数据采集、处理和计算任务，给出校准、标定、测量结果。

2.3 系统技术效果

该定标系统的技术效果体现在以下几个方面：

（1）集弓网燃弧光谱辐射照度、弓网燃弧光谱响应度、弓网燃弧持续时间、弓网燃弧次数和弓网燃弧间隔时间5 种功能为一体，具有资源共享，节约成本的特点；尤其是解决了弓网燃弧测量装置校准、测量及标定时所需精确（ms 级）产生弓网燃弧持续时间、弓网燃弧次数、弓网燃弧间隔时间的难点。

（2）输入光学回路由球面反射镜和平面反射镜构成成像系统，入射光束依次经球面反射镜和平面反射镜的反射后射出。滤光回路中含有多个波段不同的滤光片。各滤光片可以通过片轮控制分别切入到光路中。输出光学回路有自动可调光阑，可改变输出紫外光光束直径。

（3）采用超低震动光学定时系统，时长灵活设置，定时分辨率在1 ms 下，时长范围1 ms～1 000 s。具有多种控制触发方式：内触发、外触发及面板操作。具有GPIB、RS232 及ETHERNET（网络）接口，支持远程控制。可精确产生弓网燃弧持续时间、弓网燃弧次数及弓网燃弧间隔时间，定时系统时序如图4 所示，定时特征规范见表2。根据图4和表2 可知，定时系统的最小驱动脉冲为10 ms，最小底部打开时间可比定时器设置的时间延长3～4 ms。

表2 脉冲定时特征规范单位：ms

图4 脉冲时序图

3 定标系统性能试验

3.1 试验内容

弓网燃弧检测装置标定系统性能试验，主要为了验证弓网燃弧检测装置的弓网燃弧持续时间、弓网燃弧次数及弓网燃弧的间隔时间等时间特征参数的可靠性。定标系统试验装置如图5所示。

图5 弓网燃弧检测装置定标系统性能试验现场

3.2 试验过程

第1 组试验：针对时间特征参数的试验，首先对弓网燃弧检测装置定标系统的光学能量特征性能进行调整，调整氘灯光源为稳定功率输出并在光学回路加装滤光片，使其输出光谱曲线为190～300 nm 波段。使得定标系统在整个试验过程中具有稳定的光学输出。

试验过程中弓网燃弧检测装置定标系统的时间特征参数设置为：

（1）弓网燃弧持续时间设置为：10、20、30、40、50、100、200、300 ms。

（2）弓网燃弧间隔时间均设置为：1 000 ms。

（3）弓网燃弧次数设置为：20 次。

试验的过程中通过弓网燃弧检测装置采集燃弧传感器的输出电压，依次对弓网燃弧检测装置进行标定。第1 组试验：弓网燃弧检测装置输出信号采集频率为2 000 Hz。选取装置采集的整组试验波形及分次波形的典型结果，如图6 所示。计算结果见表3。

图6 采样频率2 000 Hz 标定时间300 ms 整组及分次输出波形

第2 组试验：为提升弓网燃弧检测装置的分辨率及检测精度，其输出信号采集频率提至10 000 Hz，并对弓网燃弧检测装置软硬件进一步整改。整改后的弓网燃弧检测装置采集整组试验波形及分次波形典型结果，如图7 所示。计算结果见表4。

表4 采样频率10 000 Hz 弓网燃弧检测装置输出信号单位：ms

图7 采样频率10 000 Hz 标定时间300 ms 整组及分次输出波形

由于电动快门的响应相对电动快门控制器设置时间有3～4 ms 的时延，所以弓网燃弧检测装置检测到的弓网燃弧时间平均要比设置时间偏大3～4 ms。通过计算，弓网燃弧检测装置输出值的平均偏差稳定度与最大值偏差稳定度均在可接受范围内，最大标准偏差为3.54 ms，可以认为弓网燃弧检测装置定标系统标定后的弓网燃弧检测装置，其检测到的数据具有相当的可靠性与准确性。通过试验也同时验证了弓网燃弧检测装置定标系统的可行性与准确性。