受电弓和接触网运行状态定点监测装置

孟祥奎，吴积钦

0 前言

高速电气化铁道在我国电气化路网中的比重越来越高，其运营管理、维修模式也有别于常速电气化铁道。

对高速运行中的受电弓和接触网状态进行定点监测是减少弓网事故的重要手段。法国、德国和日本等国家在其高速线上都装有定点监测装置，实时监测受电弓和接触网的运行状态，而我国现在还是空白。定点监测主要是通过监测受电弓通过时的接触线的抬升量，判断受电弓和接触网的运行状态。对运行中受电弓的状态监视将有效避免受到损坏的受电弓继续使用，并对查找接触网局部缺陷提供帮助。

1 理论依据

受电弓和接触网构成一个复杂的振动系统，列车运行时，受电弓与接触线间的接触压力是变化的，其变化范围与列车运行速度、受电弓性能、车辆特性、钢轨平整度及接触网等一系列因素有关。

弓网间接触压力的最直接反应是接触线抬升量，接触压力的变化将导致接触线抬升量发生变化。接触线抬升量是接触压力的函数。因此通过监测受电弓通过时的接触线抬升量可以间接得知受电弓的运行状况。

弓网间的接触压力Fc为

式中，Fs为速度为零时弓网之间的接触压力；Fa为空气动力；Fd为由于受电弓和接触网的相互作用产生的接触分力。

列车在某一速度下运行，如果测量的抬升量有任何明显的增加或减少，均表明有干扰或受电弓缺陷。这些现象可能由以下因素引起：

（1）静态接触压力Fs过高或过低，静态接触压力调节不当。

（2）空气动力Fa过高或过低。比如，由于风挡调节不当或损坏造成Fa过高或过低。

（3）接触压力的动态分力Fd过高或过低，由于受电弓的机械部件有缺失。比如，调节器缺失，会使滑板质量有较大变化。

2 国外研究现状

德国通过接触线支持装置上的固定测量设备或通过安装在车上的移动测量设备测量接触线抬升量。两者的测量结果都是得到接触线的抬升量，但要达到的目的却不同。定点监测接触线抬升量可以达到以下目的，但机车监测却无法做到。

（1）线路投入运营后实时监测每一个受电弓的运营状态和接触网状态。根据接触线抬升量判定受电弓是否要维修调整或有缺陷。

（2）新机车投入已开通线路运营后该机车的受电弓状态。弓网关系中的接触线动态抬升量是否在安全值以下。

2.1 德国监测装置

德国监测方案见图1。

图1 德国定位点测量设备示意图

该方案是在定位器上安装1根预张力绳，通过电压表测量接触线抬升。该方案不需要任何能源，信号通过光耦合传到测量放大器，然后直接送到计算机，再通过GMS无线电传输记录数据。该套装置支持结构简单，可以监测接触线抬升和监测点接触线的振动时间。图2是监测结果。

图2 接触线抬升量监测图（2个受电弓，车速270 km/h）

2.2 日本监测装置

日本监测方案见图3。

日本测量设备分2部分，一部分安装在接触网支持装置上。该部分设备采用蓄电池供电，采集的信息通过无线方式发出。测量定位器振动的角位移传感器通过细线与定位器端部相连，其工作原理与德国测量方法相同。接收信息及处理的设备安装在移动的汽车内。

该套设备用来测量接触线的振动情况，并对接触线的应变进行计算，分析接触线的变形。通过对接触线弯曲应变的测量，研究接触线受力状态，进而预测接触线的抗弯曲寿命。同时，测试接触线的抬升量，确定接触线的最大抬升量、振动周期和衰减系数。

图3 日本定位点测量设备图

3 定位点监测装置的研制

通过定位点监测可以避免故障状态下的受电弓继续运行，预防故障或有缺陷的受电弓扩大损坏接触网。监测受电弓的动态性能，提高受电弓的运行可靠性，通过对测试值的分析（振幅、频率等），可以为接触网维护提供基础数据。这些都是定位点监测装置要达到的目标。同时，该装置本身应具有安全可靠、精度高，易于实施的特点。

3.1 技术方案

借鉴国外经验，结合国内特点，研制的监测装置主要由2部分组成：数据采集、接收部分和数据处理部分。其工作原理是通过安装在接触网支柱上一个以太网相机，通过相机采集定位点的接触线图像。图像信息通过以太网传入系统主机，完成数据采集。系统主机进行相关的数据处理和分析。

该方案的优点是监测装置和接触网无机械连接和电气连接。但该方案对实时监测接触线的相机要求很高，并要开发出一套图形识别和处理软件。

3.2 关键技术点

3.2.1 数据采样设备

该装置关键技术问题是解决好数据采样的精确度，包含2方面的要求：数据采样间隔；数据采样精度。

经过多次试验和比对，最后选定高速以太网相机。

3.2.2 数据记录和判断

要实现对受电弓运行状态的监测，需要连续不间断记录受电弓通过前后一段时间内接触线振动波形，同时根据波形判断受电弓运行状态，即完成数据采集，绘制监测波形；采集的数据与标准信息比对，判别弓网运行状态。

经过计算和观测修正，可以确定在监测点处各种类型受电弓以不同速度通过时，定位点处接触线的最大抬升量、振动频率、最大瞬间加速度、振动波形等参数的标准信息。当以后该类型的受电弓通过时得到的各项参数如果和标准信息相差较大时，可给出异常报警。

4 试验结果

4.1 实验室试验

为了验证研制装置的有效性，在上线之前在实验室对该装置进行了试验，主要试验包括：相机标定实验；接触线抬升精度测量实验；接触线检测算法实验。

4.2 现场试验

该装置实验室试验完成后，在西安—宝鸡的宝鸡供电段管内进行了现场试验。现场试验分3个阶段进行。

（1）200 km/h区段。

测量时间：2007 - 05 - 29 T 16：00—05 - 31 T 16：00。

测量地点：西宝线兴平至茂陵区间。

（2）200 km/h区段。

测量时间：2007 - 06 - 02 T 18：00—06 - 03 T 16：00。

测量地点：西宝线兴平至茂陵区间。

（3）160 km/h区段软横跨定位。

测量时间：2007 - 06 - 04 T 13：00—06 - 05 T 11：00。

测量地点：西宝线蔡家坡站。

通过现场试验验证了监测装置完全可以记录监测点处受电弓通过时接触线的抬升量和振动波形。通过记录的波形和仿真计算的波形进行对比，发现每次虽有差异，但只要是正常运行，记录的波形都在一个标准波形左右。

5 结束语

受电弓与接触网的相互作用状态对于列车的正常取流至关重要。在用移动的受电弓检测固定状态的接触网已取得实效的情况下，提出了以固定接触网监测接触线抬升量判断弓网运行状态的设计方案，并成功研制了监测装置，开发了与监测装置配套的分析系统，在实际应用中取得的效果良好。

目前，国内关于接触网参数检测设备的应用已相当普遍，接触网也能维持在一个较好的运行状态下。但接触网的局部缺陷有时会导致受电弓的损坏，当受电弓的损坏没有被及时发现时，有可能损坏正常状态的接触网设备，恶性循环的结果是两者相对关系彻底破坏及故障范围扩大。

鉴于我国铁路的规划与建设，高速铁路客运专线的建设将进入一个快速发展高峰阶段，而接触线的抬升测试和评判已是客运专线验收检测中不可缺少的项目，在日常维修中也应注意该项的监测。

[1]KieBling, Rainer Puschmann, Axel Schmieder. Siemens:Contact Lines for Electric Railways Friedrich[M].2001.

[2]锅克士. 弓网系统的技术开发现状及课题[J]. 铁道总研报告. 1995, (9): 1-6.