地铁刚性接触网检测技术
- 格式：doc
- 大小：2.73 MB
- 文档页数：13
龙源期刊网
地铁刚性接触网检测技术
作者：周威 盛良 孙刚 汪海瑛 张文轩
来源：《现代城市轨道交通》2019年第08期
龙源期刊网
龙源期刊网
龙源期刊网
龙源期刊网
龙源期刊网
龙源期刊网
摘 要：针对地铁架空刚性接触网特点，研究开发地铁刚性接触网检测技术，包括接触网几何参数检测技术和弓网动态作用参数检测技术。并采用该研发技术对我国某地铁线路接触网进行动态检测试验，依照交办运 [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》对弓网受流性能进行评估，可为后期接触网运营维护提供数据支撑。
关键词：地铁;刚性接触网;检测技术
中图分类号：U225
0 引言
目前，我国地铁受电弓取流方式主要包括架空刚性接触网、接触轨和架空柔性接触网3种。其中，架空刚性接触网具有结构简单、安装空间小、导线无张力、无断线隐患、运营维护方便、可靠性高等优点，逐渐成为我国地铁隧道内首选的受流方式。自2003年广州地铁2号线首次采用架空刚性接触网后，架空刚性悬挂技术已在广州、上海、南京、深圳、北京等城市地铁线路中推广运用。 龙源期刊网
随着城市轨道交通线网的快速发展和运量的不断增加，交通部对地铁弓网的安全可靠运行及受流性能、受流质量提出了更高要求。为确保车辆运行时弓网关系处于良好状态，迫切需要研究开发适用于地铁架空刚性接触网的检测技术，一方面为刚性接触网的施工验收提供自动化检测手段，确保施工安装精度;另一方面为刚性接触网的运营维护提供有力的技术手段，及时检测发现和消除弓网异常状态。
1 地铁刚性接触网特点及检测要求
1.1 刚性接触网特点
地铁架空刚性悬挂是将铝合金汇流排安装于隧道顶部的绝缘支持装置上，并将接触导线夹装在铝合金汇流排中。刚性悬挂的主要部件包括：汇流排、接触线、绝缘子、分段绝缘器等。目前主要采用“П”型刚性悬挂汇流排，如图1所示。为增大取流截面积和载流量、提高耐磨性能，接触线通常采用预磨耗型铜银接触线。
地铁架空刚性接触网与电气化铁路柔性接触网相比，具有如下特点。
（1）刚性悬挂的刚度较大、弹性较小，受电弓接触刚性悬挂引起的悬挂抬升量很小，弓网间的作用更多地体现为刚性作用，冲击能量难以被悬挂装置大幅吸收。因此，刚性悬挂的安装精度要求较高，应尽量控制刚性接触悬挂的接触线高度误差，尤其应注意控制锚段关节和线岔处两悬挂的高差[1]。刚性架空接触网锚段关节由平行布置的两汇流排组成，沿线路纵向相互错开，采用无交叉线岔，并保证悬挂装置在垂直于钢轨平面方向可上下调节，使接触线高度尽可能一致[2]。
（2）对于刚性悬挂，由于弓网之间为刚性接触，受电弓滑板磨损较快且普遍存在不均匀磨耗，甚至出现滑板局部凹槽现象，使受电弓滑板的使用寿命大幅缩短。当不均匀磨耗的滑板通过锚段关节、分段绝缘器等接触网设备时，受电弓滑板凹槽将与设备发生横向碰撞，进一步恶化弓网关系。刚性接触网拉出值布置是造成受电弓滑板磨耗不均匀的重要原因。与柔性接触网相比，刚性接触网的锚段和跨距都较小，锚段长度一般不超过250 m。文献[3]研究表明：刚性接触网按正弦波形布置拉出值，受电弓滑板经长期运行后其上表面整体呈“W”型，滑板两侧磨耗较大;接触线拉出值按“V”形布置，受电弓滑板经长期运行后其上表面整体呈“V”型，受电弓滑板中心附近磨耗较大。文献[3]根据这2种典型拉出值布置方式存在的不足，研究提出2种优化方案以解决受电弓滑板磨耗不均匀的问题。
（3）由于刚性悬挂的弓网接触为刚性接触，为了保证受电弓可靠取流，其静态接触力大于柔性接触网的静态接触力[4]。同时，在动态运行条件下刚性接触网设施的弓网相互作用较柔性接触网设施的弓网相互作用更为剧烈，在汇流排中间接头、膨胀元件、锚段关节、刚柔过渡处等容易产生硬点。 龙源期刊网
（4）1.5 kV刚性接触网采用的直流电压低，较25 kV柔性接触网的电流更大，且地铁车站间距离普遍较短，地铁车辆在车站间需频繁加速和减速，使出站区段的牵引电流更大，更容易产生弓网间燃弧和接触线波浪磨耗等异常现象。
鉴于以上刚性接触网的特点，刚性悬挂接触线和碳滑板的机械磨损和电气磨损都较柔性接触网更为严重，电气磨损尤为剧烈，导致弓网关系恶化，接触线和碳滑板的磨损速度均较快。
1.2 刚性接触网检测要求
根据上述刚性接触网不同于柔性接触网的特点，刚性接触网运营维护对检测技术和检测参数有以下要求。
1.2.1 几何参数检测
刚性接触网的安装精度要求很高，几何参数检测技术应能准确测量接触线的空间布置，包括拉出值平面布置、接触线坡度、锚段关节的空间位置布置等。
1.2.2 弓网动态作用参数检测
弓网动态作用参数主要为接触力、硬点、燃弧。可用平均接触力Fm和动态接触力标准偏差σ作为评价受流质量的指标[4]。日常维护应保证检测获得的最大接触力Fmax、最小接触力Fmin、平均接触力Fm和动态接触力标准偏差σ处于合理范围，从而保障低磨损、高质量的动态相互作用性能。也可以采用燃弧率NQ作为评价受流质量的指标，文献[4]分别规定了不同速度等级下交流系统和直流系统对于最大线路速度时燃弧率NQ的合理取值范围。
1.2.3 接触线磨耗检测
由于刚性接触网接触线磨耗普遍较为严重，基于接触线磨耗检测数据，一方面可对磨耗成因进行分析以研究预防和优化改进措施，另一方面合理预测接触线使用寿命以安排维护更换。受测量精度和测量间距的限制，目前接触线磨耗检测技术发展仍不成熟。
2 地鐵刚性接触网检测技术
对于地铁架空刚性接触网设施，为了保证其在运营中具备良好的弓网关系，根据地铁刚性接触网特点及检测要求，研究开发了适用于地铁刚性接触网检测技术，包括接触网几何参数检测技术和弓网动态作用参数检测技术。
2.1 接触网几何参数检测技术
接触网几何参数检测技术的检测项目包括：接触线高度、接触线拉出值和接触线相对位置，其主要技术指标如表1所示。结合刚性接触网结构特点和对几何参数测量精度的要求，研龙源期刊网
究采用基于激光相位法测距的接触网几何参数检测技术，如图2所示。借助安装于车顶的激光测量传感器向接触线所在位置进行大角度高频扇形扫描，对传感器返回的角度α和距离d等空间位置信息进行实时接收处理，并结合传感器的安装位置和车体高度等信息进行接触线几何参数的实时计算和处理，同时进行车体振动位移补偿信号的处理、计算，将计算出的补偿距离进行叠加，完成接触网几何参数的测量。基于激光测距的测量方法原理简单直接，设备比较集约，车顶占用空间小，不需要额外照明，在没有雨雪等特殊天气条件下，可以不分昼夜进行测量，维护相对容易。
2.2 弓网动态作用参数检测技术
弓网动态作用参数检测技术的检测项目包括：弓网接触力、硬点和弓网燃弧等，其主要技术指标如表2所示。检测设备主要由检测受电弓、压力传感器组件、硬点传感器组件、燃弧检测传感器组件、高压侧数据采集处理单元、低压侧信号处理单元及光信号隔离传输装置等组成[5]，如图3所示。
2.2.1 弓网接触力
为了在列车运行状态下精确测量动态接触力，通过对受电弓进行改造，在受电弓滑板的两端支撑点安装4个压力传感器组件，如图4所示。通过采集各压力传感器Fz1、Fz2、Fz3、Fz4和惯性补偿加速度计az1、az2、az3、az4的信号，进行同步融合处理和矢量迭加，得到惯性补偿后的动态接触力，以跨为统计单位，对1跨内采集的所有动态接触力进行实时统计分析，可得到1跨内的最大接触力Fmax、最小接触力Fmin、平均接触力Fm和动态接触力标准偏差σ。
依据交办运 [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《技术规范》）[6]中弓网接触力测试的评价标准进行结果评判。
对于直流1 500 V制式，测试结果应符合以下评判标准：
（1）
式（1）中，F m，max 为平均接触力的最大值，N;F m，min 为平均接触力的最小值，N;σ为标准偏差，N;v为列车速度，km/h。
2.2.2 硬点
对于刚性接触网，受电弓高速通过线岔、锚段关节、膨胀接头等设备时容易受到冲击，使得弓头出现振动，从而产生加速度变化，这称为硬点冲击。为了测量硬点冲击，通过对受电弓龙源期刊网
进行改造，在2个滑板底部与支持结构间共安装2个压电式加速度传感器测量弓头的垂直振动冲击加速度a1、a2，如图5所示。
依据《技术规范》中受电弓垂向加速度（硬点）测试的评价标准，受电弓所受的垂直加速度≤490 m/s2。
2.2.3 弓网燃弧
目前，地铁列车采用的受电弓滑板为浸金属碳滑板，接触线为银铜合金接触线，对于铜和铜合金接触线材料辐射出的光的波长范围应该是220～225 nm或者是323～329 nm。因此，在安装受电弓的车辆车顶上安装燃弧检测传感器，如图6所示。测定各燃弧持续时间、测试期间列车运行速度，记录燃弧沿着架空接触网的位置（公里标）。当燃弧持续时间大于规定的持续时间时（常规值为5 ms），进行数据输出。对于1个控制区段（通常不小于1个锚段），应统计燃弧数目、燃弧持续时间总和、最大燃弧持续时间和燃弧率。
依据《技术规范》中弓网燃弧指标测试的评价标准进行結果评判，燃弧次数应
3 工程应用案例
采用研发的接触网检测技术对我国某地铁线路接触网进行动态检测试验，测试项目包括：弓网燃弧、弓网接触力、网流、硬点、接触线高度、拉出值和弓网视频。依照《技术规范》对该地铁线路的弓网受流性能进行评估，主要包括弓网燃弧评估和弓网接触力评估。根据检测数据及检测评估结果研究分析改进刚性接触网的结构布置设计、零部件设计以及相应的受电弓设计，同时完善接触网设施维修方法和车辆受电弓维修保养方法，确保刚性接触网设施在运营中保持良好的弓网关系，受电弓可靠取流，从而有效延长受电弓滑板及接触线的使用寿命。
3.1 弓网燃弧评估
采用静态抬升力为100 N和新滑板的受电弓对正线全线进行弓网动态检测。在地铁某出站提速区段，检测到的典型弓网燃弧波形如图7所示。弓网燃弧多次重复出现，结合弓网检测数据分析，该处位置是由于牵引电流迅速升高，且接触线波浪磨耗引起接触力波动较大，造成弓网燃弧严重。
通过弓网燃弧处的弓网视频回放图像（图8）分析，表明在锚段关节位置，弓网接触力、弓网燃弧效应明显，视频记录及燃弧检测数据相互对应。现场复测期间，对汇流排定位点、锚段关节等高点等部件及结构进行图像拍摄，发现部分锚段关节转换工作支汇流排与接触线麻点较多、烧蚀严重，与检测数据的弓网接触力波动较大、弓网燃弧时间较大等特征相一致。统计线路正线全线弓网燃弧时间数据，统计间隔为8 m（该线标准跨距），燃弧主要集中在出站加速区段，共发现3处燃弧率超限。
