城市軌道交通弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試方法研究

曹 熙， 張 冰，王志良

（1. 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京 100081）

1 引言

截至2022年底，中國(guó)內(nèi)地共有55個(gè)城市開(kāi)通了城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”），我國(guó)城軌線路總里程已經(jīng)達(dá)到10 291 km。目前，國(guó)內(nèi)城軌普遍采用的列車(chē)供電方式主要有架空剛性接觸網(wǎng)、架空柔性接觸網(wǎng)和第三軌。由于架空剛性接觸網(wǎng)具有占用隧道斷面空間小、便于安裝、建筑安裝成本低、日常維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)離地面可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)現(xiàn)階段城軌線路建設(shè)上大量應(yīng)用，成為當(dāng)前我國(guó)城軌線路的主要架空接觸網(wǎng)形式，與受電弓共同組成城軌架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)，為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)運(yùn)行提供不間斷電能。隨著我國(guó)城軌線路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，發(fā)車(chē)間隔進(jìn)一步縮短，有些新投產(chǎn)線路運(yùn)營(yíng)速度已提高至160 km/h以上，運(yùn)營(yíng)速度的提高對(duì)列車(chē)設(shè)備和城軌基礎(chǔ)設(shè)施的性能要求也進(jìn)一步提高，而受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)是整個(gè)城軌電力牽引系統(tǒng)的故障易發(fā)位置，必須提高其穩(wěn)定可靠性，才能更好的保障城軌運(yùn)輸服務(wù)。

2 測(cè)試的必要性及難點(diǎn)

隨著城軌運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高、旅客運(yùn)量的持續(xù)攀升，確保線路運(yùn)營(yíng)安全已成為城軌運(yùn)營(yíng)公司日常工作的重點(diǎn)。由于受電弓是在列車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)從接觸網(wǎng)滑動(dòng)獲取電流，一旦受電弓和接觸網(wǎng)的配合關(guān)系存在問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)受流質(zhì)量下降，產(chǎn)生大量燃弧，并帶來(lái)高次諧波和過(guò)電壓，影響牽引供電系統(tǒng)高壓設(shè)備的安全。長(zhǎng)時(shí)間的弓網(wǎng)關(guān)系不匹配也會(huì)導(dǎo)致受電弓滑板和接觸線異常磨耗，這樣會(huì)大幅增加接觸網(wǎng)更換成本和車(chē)輛維護(hù)成本，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)劤芍卮筮\(yùn)營(yíng)安全事故。進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試是減少發(fā)生上述事故的有效辦法，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系中存在的問(wèn)題、預(yù)警弓網(wǎng)關(guān)系中存在的各種缺陷，還可為供電和車(chē)輛專(zhuān)業(yè)日常檢修提供技術(shù)支撐。

參考交辦運(yùn) [2019]17號(hào)《城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范 第 1 部分：地鐵和輕軌》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)17號(hào)文）對(duì)城軌線路弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程需要在列車(chē)上加裝檢測(cè)設(shè)備。城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試設(shè)備加裝于城軌列車(chē)車(chē)頂平臺(tái)和受電弓上，不僅要克服城軌列車(chē)車(chē)頂狹小空間、高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、操作過(guò)電壓干擾的惡劣測(cè)試環(huán)境，還需克服信號(hào)處理和降噪帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，并精準(zhǔn)的給出關(guān)聯(lián)里程，時(shí)鐘同步各測(cè)試子系統(tǒng)回傳的接觸網(wǎng)狀態(tài)感知信息。其中安裝于檢測(cè)受電弓上的力和加速度傳感器長(zhǎng)期處于DC1500V或者AC25kV的高壓區(qū)域，在保證電氣絕緣間隙和爬電距離的前提下，還要確保此區(qū)域的傳感器信號(hào)能安全實(shí)時(shí)的傳輸至車(chē)內(nèi)的零電位采集設(shè)備。

3 測(cè)試技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)主要包括地面專(zhuān)家系統(tǒng)和車(chē)載弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試設(shè)備。地面專(zhuān)家系統(tǒng)通常布置于城軌運(yùn)營(yíng)公司車(chē)輛段，作為城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，主要用于接收車(chē)載數(shù)據(jù)回傳，對(duì)車(chē)載設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)、數(shù)據(jù)管理。車(chē)載弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試設(shè)備加裝于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛上，主要包括接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)測(cè)量模塊、弓網(wǎng)燃弧在線監(jiān)測(cè)模塊、弓網(wǎng)接觸力和硬點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊、受電弓取流監(jiān)測(cè)模塊、弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度測(cè)量模塊。城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)

3.1 接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)設(shè)備包含高清高速工業(yè)2D相機(jī)、線激光器、嵌入式主機(jī)等，它將一體化線掃描成像組件安裝在列車(chē)車(chē)頂，利用線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)原理，通過(guò)成像位置計(jì)算出接觸線相對(duì)攝像機(jī)的高度和橫向偏移，再根據(jù)攝像機(jī)安裝在車(chē)體上的位置，換算出接觸線的動(dòng)態(tài)導(dǎo)高和拉出值。

如圖2a所示，將高速工業(yè)數(shù)字相機(jī)和作為光源的激光器安裝車(chē)頂，線激光投射到上方的接觸線上，高速工業(yè)數(shù)字相機(jī)傾斜一定的角度向上拍攝光條在接觸線上的畸變圖像。在工業(yè)數(shù)字相機(jī)輸出的圖像中，圖2b為剛性接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)處圖像截取部分，紅色圓圈處為激光線在接觸線和匯流排處形成的畸變曲線。

圖2 幾何參數(shù)檢測(cè)裝置

按照17號(hào)文標(biāo)準(zhǔn)要求，接觸線動(dòng)態(tài)拉出值、導(dǎo)高、定位點(diǎn)間高差等接觸網(wǎng)幾何參數(shù)應(yīng)符合線路設(shè)計(jì)文件的要求。

3.2 弓網(wǎng)燃弧在線檢測(cè)技術(shù)

城軌線路中使用的接觸線通常為銅或者銅合金材料，而城軌車(chē)輛受電弓碳滑板基本為浸金屬碳滑板。銅和銅合金材料輻射出的光波長(zhǎng)主要分布在220～225 nm以及323～329 nm，采用基于紫外光傳感器的燃弧檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)加裝前置濾光片，可使燃弧檢測(cè)傳感器不受大于330 nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光影響。

弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)設(shè)備安裝在車(chē)頂受電弓開(kāi)口方向的一側(cè)，實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)實(shí)時(shí)采集記錄單次大于5 ms的弓網(wǎng)燃弧發(fā)生的位置（里程標(biāo)）、燃弧時(shí)間、次數(shù)、燃弧率，并抓拍弓網(wǎng)電弧照片，結(jié)合接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)信息和預(yù)設(shè)的報(bào)警值，生成全線燃弧區(qū)段報(bào)表。

按照17號(hào)文標(biāo)準(zhǔn)要求，燃弧次數(shù)應(yīng)小于1次/160 m，燃弧率應(yīng)小于5%，一次最大燃弧時(shí)間應(yīng)小于100 ms。

3.3 MEMS 光纖式弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力和硬點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）光纖式接觸力及硬點(diǎn)檢測(cè)模塊作為無(wú)源器件，非常適合弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)量場(chǎng)景，與傳統(tǒng)電學(xué)類(lèi)傳感器相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如表1所示，因不需要對(duì)傳感器進(jìn)行供電，也不會(huì)受到電磁和射頻干擾，可簡(jiǎn)化傳統(tǒng)電學(xué)類(lèi)傳感器的復(fù)雜信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)而使光纖傳感器信號(hào)可以直接接入車(chē)內(nèi)光纖解調(diào)儀處理，同時(shí)使用可追蹤波長(zhǎng)參考技術(shù)來(lái)進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，確保了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

表1 光纖傳感器與電學(xué)傳感器對(duì)比

針對(duì)不同的受電弓弓頭形狀，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的光纖式壓力傳感器，安裝于碳滑板下方，串聯(lián)在弓頭與碳滑板之間，用于測(cè)量弓頭接觸壓力。同時(shí)在碳滑板下方安裝MEMS光纖式加速度傳感器，用于測(cè)量弓頭垂向加速度。各路光纖傳感器信號(hào)通過(guò)絕緣光纖介質(zhì)跨高低壓，最終傳輸至車(chē)內(nèi)光纖分析儀，由光纖分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至后處理系統(tǒng)。

依據(jù)17號(hào)文的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于DC1500V，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力和硬點(diǎn)測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合以下評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

平均接觸力的最大值（N）：Fm，max＜0.000 97v2+ 140，v為速度，km/h；平均接觸力的最小值（N）：Fm，min＞0.001 12v2+ 70；標(biāo)準(zhǔn)偏差（N）：σ≤0.3×Fm，max；硬點(diǎn)（受電弓滑板垂向加速度）應(yīng)小于490 m/s2；

3.4 受電弓取流檢測(cè)技術(shù)

電流傳感器模塊采用高精度開(kāi)口電流傳感器，實(shí)時(shí)記錄受電弓取流變化信息，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電流傳感器技術(shù)參數(shù)

3.5 弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度在線檢測(cè)技術(shù)

采用紅外熱像儀對(duì)弓網(wǎng)接觸區(qū)域進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并在區(qū)域內(nèi)設(shè)定檢測(cè)區(qū)域，實(shí)時(shí)對(duì)匯流排、連接件進(jìn)行熱成像分析。當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定閾值即會(huì)告警，能夠滿(mǎn)足大范圍、復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)、多目標(biāo)的溫度采集監(jiān)控的需求。

4 實(shí)際線路測(cè)試結(jié)果分析

采用最新研制的城軌弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某城軌線路弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)，該線路全長(zhǎng)8.6 km，運(yùn)營(yíng)最高速度100 km/h，正線采用地下隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)，設(shè)計(jì)導(dǎo)高4 220 mm，設(shè)計(jì)拉出值±250 mm，試驗(yàn)列車(chē)在上下行正線按自動(dòng)駕駛模式（ATO）運(yùn)行，最高試驗(yàn)速度100 km/h，受電弓靜態(tài)接觸力調(diào)至120 N。

測(cè)試內(nèi)容包括：接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、燃弧、硬點(diǎn)、網(wǎng)流、弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度，其中前4項(xiàng)為依據(jù)17號(hào)文的檢測(cè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，后面2項(xiàng)（網(wǎng)流、弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度）雖未列入17號(hào)文檢測(cè)項(xiàng)目，但可以作為表征線路弓網(wǎng)關(guān)系狀態(tài)的重要參考指標(biāo)。檢測(cè)數(shù)據(jù)按跨統(tǒng)計(jì)，間隔為8 m，測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地面專(zhuān)家系統(tǒng)處理后可進(jìn)行可視化展示，并以文件、視頻圖片等形式輸出。

4.1 接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)

圖3、圖4為某線路正線接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)拉出值和導(dǎo)高波形圖。

圖3 接觸線動(dòng)態(tài)拉出值曲線圖

圖4 接觸線動(dòng)態(tài)導(dǎo)高曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，上、下行正線接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)拉出值數(shù)值分布在-250～250 mm區(qū)間內(nèi)。上、下行正線接觸網(wǎng)定位點(diǎn)間高差最大值為26 mm，最大動(dòng)態(tài)拉出值為243 mm，接觸網(wǎng)高度動(dòng)態(tài)數(shù)值分布在4 212～4 236 mm區(qū)間內(nèi)，接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)指標(biāo)符合17號(hào)文標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 弓網(wǎng)燃弧

統(tǒng)計(jì)線路正線全線弓網(wǎng)燃弧時(shí)間數(shù)據(jù)，上、下行正線弓網(wǎng)燃弧指標(biāo)波形如圖5所示。

圖5 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，上下行正線接觸網(wǎng)燃弧次數(shù)小于1 次/160 m，燃弧率小于5%，最大燃弧時(shí)間小于100 ms，弓網(wǎng)燃弧指標(biāo)符合17號(hào)文相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力

測(cè)試弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力數(shù)據(jù)，即通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算每跨內(nèi)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。上、下行正線弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力指標(biāo)波形如圖6所示。

表3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力檢測(cè)數(shù)據(jù) N

圖6 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力曲線圖

圖7為接觸網(wǎng)某斷面處出現(xiàn)弓網(wǎng)接觸力異常波動(dòng)圖，該異常波動(dòng)經(jīng)施工單位現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)反饋，是由于絕緣錨段關(guān)節(jié)不平順導(dǎo)致的受電弓接觸力突變，已建議對(duì)這部分錨段關(guān)節(jié)進(jìn)一步精調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，全線少數(shù)錨段關(guān)節(jié)處出現(xiàn)弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)較大，全線未發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)接觸力平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差超限。

圖7 某位置弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力異常波動(dòng)圖

圖8 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖

4.4 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)

測(cè)試運(yùn)行過(guò)程中受電弓滑板的垂向加速度（硬點(diǎn)）指標(biāo)上、下行波形如圖 8所示。

如圖9所示，某錨段硬點(diǎn)極值雖未超過(guò)17號(hào)文標(biāo)準(zhǔn)要求，但是局部波形出現(xiàn)較大振幅值，表明該區(qū)段接觸網(wǎng)平順性存在問(wèn)題，經(jīng)施工單位現(xiàn)場(chǎng)核查反饋，是由于該錨段采用的接觸導(dǎo)線晶粒不均勻，導(dǎo)線內(nèi)部存在應(yīng)力，在張力作用下形成波浪彎式的硬點(diǎn)，已建議對(duì)該錨段換線整改。統(tǒng)計(jì)表明，上下行正線接觸網(wǎng)硬點(diǎn)最大值352.8 m/s2，全部區(qū)段未發(fā)現(xiàn)硬點(diǎn)超限，弓網(wǎng)硬點(diǎn)指標(biāo)符合17號(hào)文相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 某錨段硬點(diǎn)波形異常圖

4.5 受電弓取流

接觸網(wǎng)的基本功能是通過(guò)受電弓安全可靠地向列車(chē)供電，受電弓取流是否持續(xù)穩(wěn)定、無(wú)異常波動(dòng)能夠間接的表征弓網(wǎng)關(guān)系的狀態(tài)，全程記錄列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中測(cè)試受電弓的電流波形，如圖10所示。

圖10 受電弓取流圖

統(tǒng)計(jì)表明，試驗(yàn)過(guò)程中，列車(chē)受電弓取流無(wú)異常波動(dòng)或中斷，最大取流值為1 231 A，未超過(guò)受電弓額定電流（1 600 A）。

4.6 弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度

通過(guò)紅外測(cè)溫相機(jī)，按照30 Hz的采樣率，全程記錄列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中弓網(wǎng)接觸區(qū)域的溫度，如圖11所示。

圖11 弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度分布圖

統(tǒng)計(jì)表明，該線路上下行弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度大部分時(shí)間小于150℃，試驗(yàn)過(guò)程中最高溫度為360℃，超過(guò)200℃的位置均與燃弧時(shí)間大值點(diǎn)位置重合。

5 結(jié)論

弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試是指導(dǎo)城軌接觸網(wǎng)制定修程修制、檢測(cè)受電弓運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)防弓網(wǎng)故障發(fā)生的一種安全高效的技術(shù)手段，也是推動(dòng)接觸網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)“按周期檢測(cè)、遵狀態(tài)檢修”的有效途徑。

弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試同時(shí)涉及到力、材料、電、熱、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科，通過(guò)多學(xué)科交叉和多技術(shù)融合，針對(duì)城軌車(chē)輛運(yùn)營(yíng)工況和剛性接觸網(wǎng)特點(diǎn)，研發(fā)了城軌列車(chē)弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用該設(shè)備在國(guó)內(nèi)某城軌線路上進(jìn)行了弓網(wǎng)接觸壓力、硬點(diǎn)、動(dòng)態(tài)拉出值、動(dòng)態(tài)導(dǎo)高、燃弧、受電弓取流和弓網(wǎng)接觸區(qū)域溫度等方面的在線檢測(cè)。通過(guò)地面專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)上下行正線弓網(wǎng)關(guān)系檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，參考17號(hào)文對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題，為新線開(kāi)通前安全評(píng)估和開(kāi)通后供電管理部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支撐。