城市轨道交通弓网关系测试方法研究

曹 熙， 张 冰，王志良

（1. 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；2. 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）

1 引言

截至2022年底，中国内地共有55个城市开通了城市轨道交通（以下简称“城轨”），我国城轨线路总里程已经达到10 291 km。目前，国内城轨普遍采用的列车供电方式主要有架空刚性接触网、架空柔性接触网和第三轨。由于架空刚性接触网具有占用隧道断面空间小、便于安装、建筑安装成本低、日常维护保养简单、远离地面可靠性高等优点，在我国现阶段城轨线路建设上大量应用，成为当前我国城轨线路的主要架空接触网形式，与受电弓共同组成城轨架空刚性接触网弓网系统，为车辆驱动运行提供不间断电能。随着我国城轨线路运营里程的不断增加，发车间隔进一步缩短，有些新投产线路运营速度已提高至160 km/h以上，运营速度的提高对列车设备和城轨基础设施的性能要求也进一步提高，而受电弓-接触网系统是整个城轨电力牵引系统的故障易发位置，必须提高其稳定可靠性，才能更好的保障城轨运输服务。

2 测试的必要性及难点

随着城轨运营速度的不断提高、旅客运量的持续攀升，确保线路运营安全已成为城轨运营公司日常工作的重点。由于受电弓是在列车动态运行时从接触网滑动获取电流，一旦受电弓和接触网的配合关系存在问题，就会导致弓网受流质量下降，产生大量燃弧，并带来高次谐波和过电压，影响牵引供电系统高压设备的安全。长时间的弓网关系不匹配也会导致受电弓滑板和接触线异常磨耗，这样会大幅增加接触网更换成本和车辆维护成本，严重时甚至会酿成重大运营安全事故。进行弓网关系测试是减少发生上述事故的有效办法，不仅能够及时发现弓网关系中存在的问题、预警弓网关系中存在的各种缺陷，还可为供电和车辆专业日常检修提供技术支撑。

参考交办运 [2019]17号《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第 1 部分：地铁和轻轨》（以下简称17号文）对城轨线路弓网关系进行评价，评价的整个试验过程需要在列车上加装检测设备。城轨弓网关系测试设备加装于城轨列车车顶平台和受电弓上，不仅要克服城轨列车车顶狭小空间、高电压、强磁场、操作过电压干扰的恶劣测试环境，还需克服信号处理和降噪带来巨大挑战，并精准的给出关联里程，时钟同步各测试子系统回传的接触网状态感知信息。其中安装于检测受电弓上的力和加速度传感器长期处于DC1500V或者AC25kV的高压区域，在保证电气绝缘间隙和爬电距离的前提下，还要确保此区域的传感器信号能安全实时的传输至车内的零电位采集设备。

3 测试技术原理及系统组成

城轨弓网关系测试系统主要包括地面专家系统和车载弓网关系测试设备。地面专家系统通常布置于城轨运营公司车辆段，作为城轨弓网关系测试系统的数据核心，主要用于接收车载数据回传，对车载设备数据进行存储、查询、数据管理。车载弓网关系测试设备加装于运营车辆上，主要包括接触网动态几何参数测量模块、弓网燃弧在线监测模块、弓网接触力和硬点监测模块、受电弓取流监测模块、弓网接触区域温度测量模块。城轨弓网关系测试系统如图1所示。

图1 城轨弓网关系测试系统

3.1 接触网动态几何参数检测技术

接触网动态几何参数检测设备包含高清高速工业2D相机、线激光器、嵌入式主机等，它将一体化线扫描成像组件安装在列车车顶，利用线结构光视觉原理，通过成像位置计算出接触线相对摄像机的高度和横向偏移，再根据摄像机安装在车体上的位置，换算出接触线的动态导高和拉出值。

如图2a所示，将高速工业数字相机和作为光源的激光器安装车顶，线激光投射到上方的接触线上，高速工业数字相机倾斜一定的角度向上拍摄光条在接触线上的畸变图像。在工业数字相机输出的图像中，图2b为刚性接触网锚段关节处图像截取部分，红色圆圈处为激光线在接触线和汇流排处形成的畸变曲线。

图2 几何参数检测装置

按照17号文标准要求，接触线动态拉出值、导高、定位点间高差等接触网几何参数应符合线路设计文件的要求。

3.2 弓网燃弧在线检测技术

城轨线路中使用的接触线通常为铜或者铜合金材料，而城轨车辆受电弓碳滑板基本为浸金属碳滑板。铜和铜合金材料辐射出的光波长主要分布在220～225 nm以及323～329 nm，采用基于紫外光传感器的燃弧检测技术，通过加装前置滤光片，可使燃弧检测传感器不受大于330 nm波长的可见光影响。

弓网燃弧检测设备安装在车顶受电弓开口方向的一侧，实现全程自动实时采集记录单次大于5 ms的弓网燃弧发生的位置（里程标）、燃弧时间、次数、燃弧率，并抓拍弓网电弧照片，结合接触网等基础信息和预设的报警值，生成全线燃弧区段报表。

按照17号文标准要求，燃弧次数应小于1次/160 m，燃弧率应小于5%，一次最大燃弧时间应小于100 ms。

3.3 MEMS 光纤式弓网动态接触力和硬点检测技术

微机电系统（MEMS）光纤式接触力及硬点检测模块作为无源器件，非常适合弓网关系测量场景，与传统电学类传感器相比具有诸多优点，如表1所示，因不需要对传感器进行供电，也不会受到电磁和射频干扰，可简化传统电学类传感器的复杂信号调理电路，进而使光纤传感器信号可以直接接入车内光纤解调仪处理，同时使用可追踪波长参考技术来进行连续校准，确保了监测系统的长期稳定性。

表1 光纤传感器与电学传感器对比

针对不同的受电弓弓头形状，设计专门的光纤式压力传感器，安装于碳滑板下方，串联在弓头与碳滑板之间，用于测量弓头接触压力。同时在碳滑板下方安装MEMS光纤式加速度传感器，用于测量弓头垂向加速度。各路光纤传感器信号通过绝缘光纤介质跨高低压，最终传输至车内光纤分析仪，由光纤分析仪进行数据采集、发送和存储，并实时将数据传输至后处理系统。

依据17号文的有关规定，对于DC1500V，弓网动态接触力和硬点测试结果应符合以下评判标准。

平均接触力的最大值（N）：Fm，max＜0.000 97v2+ 140，v为速度，km/h；平均接触力的最小值（N）：Fm，min＞0.001 12v2+ 70；标准偏差（N）：σ≤0.3×Fm，max；硬点（受电弓滑板垂向加速度）应小于490 m/s2；

3.4 受电弓取流检测技术

电流传感器模块采用高精度开口电流传感器，实时记录受电弓取流变化信息，技术参数如表2所示。

表2 电流传感器技术参数

3.5 弓网接触区域温度在线检测技术

采用红外热像仪对弓网接触区域进行温度监测，并在区域内设定检测区域，实时对汇流排、连接件进行热成像分析。当检测温度高于设定阈值即会告警，能够满足大范围、复杂现场、多目标的温度采集监控的需求。

4 实际线路测试结果分析

采用最新研制的城轨弓网关系测试系统对某城轨线路弓网关系进行动态检测试验，该线路全长8.6 km，运营最高速度100 km/h，正线采用地下隧道刚性悬挂接触网，设计导高4 220 mm，设计拉出值±250 mm，试验列车在上下行正线按自动驾驶模式（ATO）运行，最高试验速度100 km/h，受电弓静态接触力调至120 N。

测试内容包括：接触网动态几何参数、弓网接触力、燃弧、硬点、网流、弓网接触区域温度，其中前4项为依据17号文的检测评价项目，后面2项（网流、弓网接触区域温度）虽未列入17号文检测项目，但可以作为表征线路弓网关系状态的重要参考指标。检测数据按跨统计，间隔为8 m，测试数据经过地面专家系统处理后可进行可视化展示，并以文件、视频图片等形式输出。

4.1 接触网动态几何参数

图3、图4为某线路正线接触网动态拉出值和导高波形图。

图3 接触线动态拉出值曲线图

图4 接触线动态导高曲线图

试验结果表明，上、下行正线接触网动态拉出值数值分布在-250～250 mm区间内。上、下行正线接触网定位点间高差最大值为26 mm，最大动态拉出值为243 mm，接触网高度动态数值分布在4 212～4 236 mm区间内，接触网动态几何参数指标符合17号文标准要求。

4.2 弓网燃弧

统计线路正线全线弓网燃弧时间数据，上、下行正线弓网燃弧指标波形如图5所示。

图5 燃弧时间散点图

试验结果表明，上下行正线接触网燃弧次数小于1 次/160 m，燃弧率小于5%，最大燃弧时间小于100 ms，弓网燃弧指标符合17号文相关标准要求。

4.3 弓网动态接触力

测试弓网动态接触力数据，即通过测试数据计算每跨内的弓网动态接触力最大值、最小值、平均值和标准偏差。根据检测数据的统计分析，弓网动态接触力的检测数据如表3所示。上、下行正线弓网动态接触力指标波形如图6所示。

表3 弓网动态接触力检测数据 N

图6 弓网动态接触力曲线图

图7为接触网某断面处出现弓网接触力异常波动图，该异常波动经施工单位现场查验反馈，是由于绝缘锚段关节不平顺导致的受电弓接触力突变，已建议对这部分锚段关节进一步精调。试验结果表明，全线少数锚段关节处出现弓网接触力波动较大，全线未发现弓网接触力平均值和标准偏差超限。

图7 某位置弓网动态接触力异常波动图

图8 硬点散点图

4.4 接触网硬点

测试运行过程中受电弓滑板的垂向加速度（硬点）指标上、下行波形如图 8所示。

如图9所示，某锚段硬点极值虽未超过17号文标准要求，但是局部波形出现较大振幅值，表明该区段接触网平顺性存在问题，经施工单位现场核查反馈，是由于该锚段采用的接触导线晶粒不均匀，导线内部存在应力，在张力作用下形成波浪弯式的硬点，已建议对该锚段换线整改。统计表明，上下行正线接触网硬点最大值352.8 m/s2，全部区段未发现硬点超限，弓网硬点指标符合17号文相关标准要求。

图9 某锚段硬点波形异常图

4.5 受电弓取流

接触网的基本功能是通过受电弓安全可靠地向列车供电，受电弓取流是否持续稳定、无异常波动能够间接的表征弓网关系的状态，全程记录列车在运行过程中测试受电弓的电流波形，如图10所示。

图10 受电弓取流图

统计表明，试验过程中，列车受电弓取流无异常波动或中断，最大取流值为1 231 A，未超过受电弓额定电流（1 600 A）。

4.6 弓网接触区域温度

通过红外测温相机，按照30 Hz的采样率，全程记录列车在运行过程中弓网接触区域的温度，如图11所示。

图11 弓网接触区域温度分布图

统计表明，该线路上下行弓网接触区域温度大部分时间小于150℃，试验过程中最高温度为360℃，超过200℃的位置均与燃弧时间大值点位置重合。

5 结论

弓网关系测试是指导城轨接触网制定修程修制、检测受电弓运行状态、预防弓网故障发生的一种安全高效的技术手段，也是推动接触网设备实现“按周期检测、遵状态检修”的有效途径。

弓网关系测试同时涉及到力、材料、电、热、光学等多个学科，通过多学科交叉和多技术融合，针对城轨车辆运营工况和刚性接触网特点，研发了城轨列车弓网关系测试系统。应用该设备在国内某城轨线路上进行了弓网接触压力、硬点、动态拉出值、动态导高、燃弧、受电弓取流和弓网接触区域温度等方面的在线检测。通过地面专家系统对上下行正线弓网关系检测数据进行诊断分析，参考17号文对弓网关系进行评估，及时发现问题、分析问题，为新线开通前安全评估和开通后供电管理部门现场养护维修提供数据支撑。