接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用

接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力作者简介：徐自力，中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师，邮编：300250-134-接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力摘要：随着客运专线与城际铁路的大量建成与投入运营，高速铁路接触网的运行要求也日益增高，同时对高速铁路接触网检测的要求也随之提高，由于高速铁路接触网检测的动态参数与中低速铁路有较大的区别，本文结合过去接触网检测的方法，根据高速铁路接触网检测的特点，提出了高速铁路接触网检测相关参数的检测原理及方法。关键字：高速铁路；接触网；动态参数；在线检测Abstract:Withlargeamountofpassengerdedicatedlineandinter-cityhigh-speedrailwayConstructingandputtingintooperation,atthesametimetherequiresofhigh-speedOCSoperationanddetectingisimproving.Sincethereisobviousdistinctionbetweentheparametersdetectedathigh-speedandatlowormediumspeed.ThearticlecombinesthedetectivemethodsofOCSinthepast,andonthebasisofthecharactersinthehigh-speedrailwaysdetecting,givingtheessentialparametersandprinciplesdetectingofthehigh-speedrailways.Keywords:high-speedrailway;OverheadContactSystem;DynamicParameters;OnlineInspection1前言随着电气化铁路的发展，高速铁路以其独特的优点被许多国家作为大力研究和重点发展的目标。接触网是高速铁路牵引供电系统的重要设备，接触线与受电弓之间的良好接触是保证电力机车取流质量的关键；接触网工作环境恶劣，是整个牵引供电系统昀为薄弱的环节；接触网是一个无备用的设备，一旦接触网发生事故，将会造成运营中断甚至是重大的安全事故【4】。因此，不断研究接触网在线检测技术，对提高牵引供电系统的安全性和可靠性，满足高速铁路的运营和发展，具有重要的实际意义。2接触网检测车检测原理和方法接触网检测车是为保证电气化铁路接触网的安全运营，用于检测接触网技术参数的专用车辆。该车具有特殊功能的检测装置及设备，能够检测接触线的拉出值、导线高度、定位管坡度、线岔状态、接触网供电电压、接触网供电压力、接触悬挂硬点（冲击）、离线、杆位（杆号）和速度（里程）等诸多项机械及电气技术参数。其检测系统构造框图如图1所示。2.1接触网检测车检测原理接触网检测系统，一般包括：信号检测系统、信号隔离与传递系统、数据采集系统【1】。就整个系统的信号而论，可以分为检测信号、补偿信号和定位信号3种。检测信号是从被检测对象那里摄取的信号信息，这种信息的获取方法是由被检测对象的性质决定的。下面就高速铁路接触网需要检测的主要项目及检测原理进行概述。2.2拉出值的检测检测拉出值的意义：在电气化铁路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力-135-线在直线区段被布置成“之”字形，在曲线区段被布置成折线的形式。显然，拉出值如果设置过小，达不到均匀滑板磨耗和延长使用受电弓的目的；如果拉出值设置的过大，如遇到大风，接触线就会在某些部位超出受电弓的有效工作长度，而造成刮弓或钻弓的事故。同时，在接触网架设以后，有时也会因为金具零件的松动、气温的变化以及支柱倾斜等，使得接触线的拉出值超出标准值，为了避免上述现象的产生，需要经常检测接触线拉出值的大小及变化。采用非接触式检测方式。系统采用激光雷达来检测拉出值及其导线的高度等参数，激光雷达安装在车顶上，测得激光雷达中心与车顶面的中心的偏离值为C(大小区分方向性，一般规定左为负，右为正)。图2非接触式激光扫描示意图和计算原理图通过连续发射激光束的方式对被测量的物体或背景进行二维平面测量。图2(a)所示激光雷达以角分辨率0.25°对背景做扇面扫描，得到以安装平面为横轴的距离的轮廓曲线。安装于车顶的激光雷达可以很容易的获得包括接触悬挂在内的距离信息，因而只要加上角度限定，便可获得接S被测物体激光雷达角度高度h（b）计算原理图700（a）激光扫描示意图标定软件实时检测软件数据处理软件字幕合成软件数据库软件显示器（多路输入）数据库打印机摄像机嵌入式计算机；实现对数据的实时采集与处理工业控制计算机：实现对数据的采集、处理、存储、显示、打印、报表等。字幕合成卡录像监视器高压端传感器数据信号低压端传感器数据信号数据采集软件光纤转发低压数据采集、处理箱高压数据采集、处理箱图1检测系统构造框图接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力-136-触悬挂的位置信息，从而获得所需要的接触网的集合参数。激光雷达输出数据格式为：每一个角度对应一个距离值，所以只要判断出哪个距离值或角度值是被测量物体所产生的，即可得到导线及计算出相应的拉出值【2】。图2（b）所示，接触导线离激光雷达昀近的物体，可以通过范围限定及昀低点判别，初步获得接触线的位置。软件通过数值滤波等处理算法后，判断出导线的位置对应的角度及高度，分别为、；根据图2（b），得到导线高度及拉出值的计算式：（1）（2）式（1）和式（2）中为拉出值；为圆周率；为:激光雷达偏离中心距离；为角度；为导线高度；为高度；为激光雷达距离轨面的高度。2.3接触压力的检测检测接触压力的意义：在高速铁路中，与列车速度直接相关的一个重要参数是受流质量。受电弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条件，即受电弓与接触线之间要有一定的接触压力。当接触压力过大时，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命;接触压力过小时，会使它们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线【1】。因此，为发展我国的高速铁路接触网技术，经常检测受电弓和接触线间的接触压力是十分必要的。接触导线呈‘之’字形布置，接触力的作用点在滑板的工作范围内左右的移动，加之车体的晃动，不仅接触力的作用位置随机变化，而且接触力的方向也是变化的，这无疑增加了测量的难度，但任何方向的接触力都可以分解为2个相互垂直的力，其中一个力与滑板面垂直。接触压力检测装置的任务是在带电的情况下，正确测量导线在任意位置时垂直方向的接触力。图3是力传感器的安装示意图。4个力传感器分别安装在弓头滑板的两端，测出的力分别用表示，则欲测量的弓网间的接触力为（它包含了静接触力、受电弓惯性力及空气动力等）：，（3）式中为滑板质量；为滑板的当量质量；为受电弓的加速度。和m是固定数值，不需要测量，只要测量出4个传感器的，用加速度计测量出，则接触力就可以由式（30计算出来，图3是实现检测的示意图。2.4硬点的检测硬点的产生原因主要有以下几个方面：（1）线夹倾斜过大，会对受电弓滑板造成较大冲击;（2）线岔叠压关系反向；（3）分段器磨损变形，也会形成硬点；（4）定位器的倾角不够，接触网的振动较大，可能与受电弓滑板发生撞击；（5）动车组在弯道上行驶时，受电弓滑板平面和接触导线“之”接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力-137-字形平面不平行，引起弓网撞击。这些所谓的硬点在车速不高时，一般不会表现出来。当动车组高速运行时，动车组、受电弓和接触网都大幅振动，接触网硬点就可能被激发出来，从而引发弓网故障【5】。图3力传感器的安装示意图2.4.1硬点的分类接触网不但存在“固有硬点”，而且还存在“弹性硬点”和“速度硬点”，阐述如下。2.4.2固有硬点接触网硬点是由于某些部件的自重过大或安装不良造成的。所谓接触网硬点是指在接触网接点、区分绝缘器、定位装置以及中心锚结等处，接触线柔性变差或形成集中质量的现象，故称为固有硬点【5】。凡有此类硬点的地方，易造成受电弓和接触线机械损伤和电弧烧伤，严重时可能诱发弓网故障。在接触网动态参数检测过程中，固有硬点带有比较明确的位置信息，所以极易被识别和读取。2.4.3弹性硬点弓网系统结构的动态特性很复杂，受电弓对接触线的作用，可以看作是一个随坐标和时间变化的动荷载。在动荷载与接触线的接触点会产生以接触点为中心的振动波，沿线路向前后方传播。反射波与发射波相叠加使振动更加复杂化【5】。接触网和受电弓是2个自成独立体系的弹性系统。受电弓与接触线在高速运动中的接触，是在振动条件下实现的。两者的振动频率一致时，可认为受电弓对接触线的运动是平滑的，或者说受电弓在某种频率下对接触网具有良好的跟随性。而当两者之一受到某种因素的干扰，使其振动频率发生变化，两者的协调关系被破坏，受电弓与接触线之间即发生冲撞而产生冲击力，经传感器检出即为“硬点”。这类硬点与固有硬点性质有所不同，可称其为“弹性”硬点【5】。从理论上来讲，弹性硬点的信息是能够全部采集到的。2.4.4速度硬点在运行速度大于160km/h的检测过程中发现，跨中导高动抬升量昀高达到100mm以上。在此情况下，受电弓在通过定位器时，运动方向产生变化，即每个定位点都成为“速度硬点”。速度力传感器1234+a接触网检测车及检测技术在高速铁路上的应用徐自力-138-硬点的成因显而易见，其位置就在每个定位点处，它的严重程度与行车速度有直接的关系，很容易检测出来。2.4.5检测硬点的方法目前，传统用于评价接触网硬点的加速度就是受电弓滑板质心的垂向加速度。要从理论上来研究接触网硬点加速度的合理值，首先应分析受电弓滑板在运行过程中的受力状态。假设动车组匀速运行，受电弓不存在沿运行方向的加速度，只有沿垂向的加速度。实际上动车组在加速与减速过程中沿运行方向产生的加速度与弓网动态接触过程中产生的垂向和横向加速度相比是很小的，故可以忽略不计【5】。其所受力之间的相互关系为：（4）式（4）中m为受电弓滑板归算质量；a为受电弓滑板质心垂向加速度；P为弓网接触压力；G为受电弓滑板重力；T为受电弓滑板所受的弹簧支撑力；N为受电弓滑板所受的空气抬升力。受电弓滑板质心的垂向加速度与滑板质量、滑板弹簧的支撑力、滑板重力、滑板的空气抬升力以及弓网接触压力都有关系。式（4）可以改写为式（5）：（5）加速度a的值与受电弓滑板的质量成反比。加速度a的值与弓网接触压力值P不是严格地成正比例关系，这是因为，当弓网撞击时，不仅撞击力N是变化的，而且滑板的空气抬升力也是变化的。如果给出其它变化量的范围，就能确定加速度的取值范围。从上述计算分析结果来看，利用加速度来判别接触网硬点是不完善的。根据式(5），弓网撞击时受电弓滑板的加速度不仅与弓网撞击力有关，而且与滑板的质量以及受电弓支架的支撑力有关，而目前用加速度判别硬点的方法只测试了受电弓滑板的垂向加速度，至于滑板自重和受电弓支架支撑力都没有被考虑。所以，这种检测方法难以准确地检测弓网硬点。国际上先进的检测方法是基于检测弓网的接触压力。弓网接触压力从根本上反映了弓网接触的本质。与检测弓网撞击加速度不同，检测弓网撞击压力需要综合考虑受电弓滑板质量、支架的支撑力、空气气动力和受电弓的加速度，这样能比较全面的反映弓网的运行状况，是一种更合理的检测方法。检测硬点的意义：通过检测弓网的接触压力不仅可以反映受电弓与接触网硬点撞击的程度，而且可以从测试波形分析出很多深层次的问题；还可以连续记录接触线偏离受电弓滑板中心距离（拉出值）；同时还能够定量地评价弓网之间的动态耦合平衡程度等[5]。2.5离线的检测离线的检测是根据离线时弓网间的电阻变大的原理制成的，图4是构成检测电路原理图。弓网接触时，电流I通过C1—受电弓—接触线—C2—钢轨构成回路，使流入J的电流变小，一旦产生离线，弓网间电阻变大，电流流入J内，从而检出离线信号。为减小C1和C2的阻抗，I采用了120kHz进行调制，J采