浅析铁路牵引供电燃弧检测技术

邢挺

（中国铁路青藏集团有限公司西宁供电段，青海西宁，810000）

高铁成为目前最快捷的出行方式，具有安全舒适等优势在世界各国快速发展。日本等国家加入高铁竞争中，高铁发展水平反映群众提高的物质生活水平，我国高铁营业里程超过世界高铁总里程的2/3，高铁技术整合发扬各国高铁技术特点，开通了沪昆、郑徐等 高铁，代表采用中国高铁标准动车组安全性能处于世界领先地位。动车组通过受电弓获取电能，受电弓与接触网相互影响，弓网关系影响受流性能，我国高铁建设日益完善，目前面临很多弓网问题，动车高速运行中发生弓网离线情况，弓网燃弧是剧烈放电现象，伴随强光、电离辐射等现象，对受电弓接触网造成侵蚀。本文针对新型紫外线传感器，研究对不同紫外红光波长，不同外界环境情况下的灵敏度等，提供新的检测思路。

1 弓网受流性能检测概述

电气化铁路牵引供电系统通过牵引变电站与动车组传输电能，接触网是向电力机车提供电能装置，受电弓是用于运行状态中保持接触网滑动摩擦取得电能装置。架空接触网系统包括回流线、接触线等，接触网本质是高压电力输电线，比一般输电线具有更高要求，接触网包含电能传输问题，在电气状态上有严格的要求，造成接触网在服役环境、负载等方面不同于一般高压输电线。

受电弓由受电弓滑板、弓角等部分组成，使用空压机提供气囊压力调整受电弓框架爱伸缩移动，滑板是集电部件，由粉末冶金石墨块组成，受损会造成气囊失压自动降弓保证接触线安全。受电弓-接触网包含多方面关系，主要特点包括机械结构相对运用，接触网电流通过接触线-牵引电机，弓网离线燃弧产生[1]。弓网关系要求保证能量功率传输可靠性，动车组与电力机车运行中保持良好受流质量，减少电磁辐射等对铁路周边环境的影响。弓网燃弧是复杂的研究对象，检测中受到气流场、等离子体等外界因素影响。电弧放电伴随强电离发生，对检测系统中的电子设备等产生较大干扰，对检测设备带来严格要求。

接触网在不受接触电弓状态下测量为静态检测，在接触网与受电弓正常下进行接触网测量为动态检测，用于检测接触网与受电弓配合下动态参数。中铁科研院研发弓网动态作用参数检测系统，目前在多列综合检测车安装应用，系统检测针对接触线拉出值等几何参数，及离线状态、动车组侧电流等弓网动态作用参数精确测量，满足指导高铁接触网联调试施工精调。接触网服役中张力是影响受流性能重要指标，接触网架设初期保证张力，实际运行与动车组受电弓固定气囊压力配合，弓网压力过大对受电弓造成磨损，损害受电弓造成弓网故障。压力检测是通过受电弓安装压力传感器，接触网压力反映受电弓抬升下受电弓与接触网接触状态，通过与标准压力范围对比，确认接触力不稳定位置，严重影响弓网受流性能。

2 燃弧产生机理

电弧表面是大气放电现象，检测中电弧是包含辐射等影响综合过程，大气中断开电路电流超过1A，产生剧烈放电现象，电弧中间部分称为弧柱，燃弧中部产生6000K 以上高温。电弧放电是常见放电现象，电弧研究中可将其视为多种物质处于等离子状态，电弧发光区域形状多变具有随机性，单位时间内电能传输等特点。电磁场环境下电弧形态及电位发生较大变化，研究电弧变化规律有助于避免电弧放电现象发生。

当前牵引供电系统动车主要依靠手电弓从接触线获取电能，弓网关系影响动车安全，接触网接触线不平顺带来震动，环境与列车行驶中扰动气流等因素随着动车提速加剧，导致受电弓碳滑板，缩短使用寿命。规定持续时间大于10ms 电弧不超过每100m/次，车辆250km/h 运行燃弧率不超过0.2%[2]。燃弧探测器应对铜类材料辐射出紫外光波长敏感，铜合金接触线应探测波长范围为220-225nm，测量系统免疫于波长大于330nm 的可见光影响。只有燃弧持续时间大于规定才应记录次数，持续时间根据线路车况要求决定。列车处于静止状态，由于持续时间短电流较小，不会对受电弓造成伤害，操作失误列车主断路器合闭，列车瞬间通过接触线接触点电流大，热量集中对接触网产生严重电烧蚀，影响后续行车安全。

电气化铁路中存在各种放电现象，弓网燃弧与其他放电具有不同特性，检测中需要通过类似特性对弓网燃弧进行预防，确认好燃弧位置有助于弓网维护。弓网燃弧具有电弧物理特性，弓网燃弧包含电磁场剧烈变化，气压带来绝缘距离变动等复杂过程，铁路牵引供电系统接触网电压，接触线平顺性、牵引电机运行状态、列车行驶位置风速等决定。电弧点位梯度是重要物理特性，弓网燃弧研究把弧柱电位梯度作为基本物理特性，影响因素包括燃弧发热特性，观察到的燃弧是电弧放电特性作用结果。灭弧是通过提高燃弧位置热导加强电弧冷却效果。电流击穿导体电离空气放电导体，不断辐射出声光波，燃弧发生伴随紫外线产生，产生原因包括金属导体与空气电离发光，电弧光波长范围较广，需要选择特定波长范围检测。

燃弧是电能剧烈释放过程，在接触网与受电弓产生高温，导致受电弓滑板材料溶化等。导体两极材料响应有表面强度等动力学特性变化，导致裂纹形成扩大。材料表面相变在短时间内产生，使得材料表面产生很大温度梯度，材料表面应力集中，碳滑板发生材料飞溅。金属材料表面形成金属熔池。电弧与电极材料作用中，燃弧产生熔化金属受到洛伦兹力影响，流速超过一定值形成小滴液喷溅，弓网离线电弧放电造成接触副表面温度升高，使碳滑板表面产生灼烧痕迹。加速铜合金接触线点寝室，对线路带来损伤。

3 弓网燃弧检测系统

检测中由于接触网运行状态不同于传统轮轨关系，弓网关系动态参数检测系统与电气设备检测等不同，列车运行下弓网间动态关系参数检测在受电弓滑动摩擦，伴随高频振动进行，弓网受流系统是不断变化动态过程，是多种机械结构适配，其造成的电气状态变化主要包含以下几点：第一，受电弓在硬点高差作用下，产生的振动影响；第二，在横向作用力下，列车车体会出现横向摆动的现象，导致电弓会出现横向振动问题；第三，接触网在电弓或其他因素干扰下，会产生振动，这种振动会沿着接触线传播至后方造成干扰；第四，在接触线与电弓之间因各种原因导致的重新接触和离线都会给其他方向的设备带来冲击；第五，电弓与接触线短时间断离会导致离线燃弧的产生，导致接触网电力发生改变。所以，弓网受流是复杂机械过程，检测弓网受流性能系统必须适应复杂检测环境。目前成熟的弓网燃弧检测设备设计思路是燃弧向外辐射紫外线，传感器受电路中电压波动，数值进入信号调理设备进行操作转化为虚拟信号，通过网线输入到电脑处理数据，弓网燃弧检测系统整体设计框架如图1 所示。

图1 弓网燃弧检测系统框架

国际标准中对燃弧检测描述系列要求，给出铜合金不同于可见光波长范围220-225nm。紫外探测器分为广电导型，光电子发射型与光伏型。目前应用最多的是光电子型光电倍增管，主体材料易得低价，日常检测中存在带隙小，不同温度下暗电流变化大，需要对可见光加滤光片等缺点[3]。由于半导体技术成熟，设备制造技术逐渐成熟。第三代4H 碳化半导体材料进入实用化阶段，碳化硅材料制成的传感器替代原有检测领域，4H-Si 制造紫外线探测器具有日盲特性，常规光伏型紫外探测器趋于成熟。4H 碳化硅材料紫外传感器具有耐高温，较大机械强度等特点。

半导体紫传感器可适用各种环境检测要求，由于传感器灵敏度受到温度影响，应选择常温下敏感的传感器，选择敏感度包含波长220-225nm 的型号，因车顶位置局限，考虑安装位置顾及大部分线路，传感器应满足检测范围正负30度范围内。传感器在0°时定义标准输出比为1，在±30°输出比为0.5，安装时注意角度。传感器半导体芯片面积与灵敏度相关，需要在检测时保证受光面积。

4 弓网燃弧检测试验

紫外二极管产生光电流很小，不能使用常用万用表测量需要放大电路，放大电路是使用广泛的电子电路，将输入微弱信号放大到所需幅度值，实际放大电流由信号源构成放大器及负载组成。通过使用跳线可选择放大器类型与配置，电压增益范围为2-1000 倍数。电路采用24V 直流电源供电，可使用两级放大，实验中采用两级放大方案。受空间位置局限性较小，应采取紧凑的设计方式。

实验采用逆变器，输出端触头为铜合金导线，试验中用于直流电转换为交流电，升压回路通过电子元器件控制电路开放，把直流电压提升到逆变电路所需电压，使同等直流电压转换为50Hz 的交流电压，可以击穿间隙的空气产生足够大的电弧[4]。实验现场布置要求保证现场通风，设备保持接地，传感器布置在坚固平面，信号处理设备远离电弧发生装置。实验设计要求按照方案确保现场无紫外光源，接通电源确保无短路情况。确保无紫外光源干扰下进行放电试验，保证现场有其他波长紫外线。持续若干秒多次燃弧检测，从试验开始至结束记录全程数据，试验操作时人工记录试验参数。

首次进行若干次单次燃弧检测，现场无符合日光光谱紫外光源实验结果无区别，电压峰值在1-3V。实验过程持续3ms，1.6ms 达到峰值，随后电压值回落。无燃弧出现下系统输出电压处于稳定范围，放电后回落到之前基准值。金属铜触头表面发射电子，紫外传感器产生较大电流，波形展现出急剧上升[5]。触头间隙气体原子印电子产生电离，紫外传感器对散发紫外线波长灵敏度较低，电路输出电压降低。放电结束后，传感器两端产生暗电流恢复到之前水平。单位面积接受紫外线与距离光源距离成反比，距离燃弧发生未知近则电压值高。可从系统输出电压值观察燃弧产生熄灭过程，传感器不受日光干扰，可灵敏辨别固定波长内紫外线，可准确记录燃弧时间。

在若干秒内进行多次燃弧实验，传感器距离燃弧模拟器5m,电压值持续若干秒，进行5 次试验。首次试验整体持续时间15s，手动操作放电3 次，燃弧检测系统输出电压有明显变化，显示为相对集中三块区域，每块区域中有若干道间隙。第二次试验持续时间20s,手动操作放电7 次。燃弧检测系统输出电压有明显变化，显示为集中七块区域，1-3区域后有若干道间隙。第三次试验持续时间36s,手动操作放电13 次，燃弧检测系统输出电压有明显变化，显示为相对集中14 块区域，有4-5，13-14 区域中有若干道间隙，可能存在部分干扰信号。设备采集数据可能存在干扰信号，需要分析处理。燃弧检测系统记录每次模拟燃弧产生结束，经数据处理得出燃弧次数，实验中产生误差可能与手动操作有关。

5 结语

随着我国高铁飞速发展，对行车安全要求不断提高。接触网检测是确保行车安全的重要预防手段，本文总结各国先进检测方案，提出燃弧检测改进意见。首先介绍电接触理论，分析弓网燃弧产生原因，通过对弓网燃弧散发紫外线波长研究，分析各种传感器优缺点，选择对波长220-290nm 敏感传感器，根据传感器参数设计电路，制作简易弓网燃弧模拟设备，选择德国IMC 数据采集系统，用MATLAB 为数据处理软件验证检测系统可行性。当前高铁大发展情况下弓网燃弧不可避免，不断完善检测方案，可以监控弓网燃弧产生原因，确保接触网使用的寿命。弓网检测系统是检测弓网受流性能的工具，期待有更好的方法减少弓网燃弧的发生。