CN101865962B - 受电弓电寿命预测分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种受电弓电寿命预测分析系统，包括受电弓特性测试试验装置和上位机系统，受电弓特性测试试验装置由推力发生器、压力发生器、模拟架空线的圆形导电转盘、驱动圆形导电转盘转动的调速电机、模拟受电弓的弧形直线导体、调整弧形直线导体高度的绝缘支架、驱动绝缘支架直线运动的直线电机、电源以及控制调速、直线电机及电源工作的智能控制模块组成，推力、压力发生器、电机、电源控制模块、弧形直线导体及其与圆形导电转盘间的工作气隙上设有信号传感器，以将采集到的相关测试参数传送给上位机系统。该系统有利于精确模拟弓网各种不同的实际运行情况，建立受电弓电寿命预测模型，以对弓网的电寿命进行准确的分析和预测。

Description

受电弓电寿命预测分析系统

技术领域

本发明涉及弓网电寿命预测技术领域，特别是一种受电弓电寿命预测分析系统。

背景技术

目前，电力牵引作为轨道交通牵引动力，在世界范围内正得到不断发展。列车在高速行驶时是通过接触网得到机车运行所需的高电能，受流质量是影响列车高速运行的关键因素之一。只有好的受流，才能为列车提供足够的电能。高速受流是指高速运行中的受电弓通过与接触线的滑动接触获得电能并传给电力机车的过程。在此间，受电弓与接触线在电气方面和机械方面都是相互依赖、相互制约、相互作用的。我国电力机车在实际应用中目前存在的主要问题是滑条摩擦发热严重、磨损过快、载流能力不稳定等问题，严重影响着机车的运行速度。因此，对受电弓和接触网的研究具有重要意义。

由于受电弓运行过程属于滑动电接触的一种接触方式，其运行时存在着电、磁、光、热、力、机械等多种物理现象，这些现象是一种瞬态过程，影响因素多、不确定因素多，使受电弓的理论分析、产品设计、性能检验变得极为复杂。在地铁这个大系统中，直接进行实际测试相当困难。因此，急需研制一套受电弓模拟测试分析系统，以便针对受电弓在运行中出现的电弧现象、电接触磨损现象、压力影响、材料影响等因素进行分析与研究，从而预测受电弓的运行寿命，给受电弓产品设计提供理论分析与实验研究基础。

随着铁路向高速化发展，高速列车牵引供电的新型接触网系统已不同于传统的接触网系统，当列车由普通速度提高到高速运行时，除了要研制高性能机车车辆和路线结构外，还必须研究和解决受电弓和接触网的高速受流问题，使电力机车弓网能够可靠平稳地从接触网上获取电力能源。接触线与受电弓的相互作用决定了供电的可靠性以及供电质量，因而电能传输也成为限制实现最高速度运行的一个重要因素，而它取决于弓网相互配合，因此，在理论上建立起完善的接触网／受电弓系统模型，研究弓网系统运行的可靠性和影响因素，探讨高速弓网系统可靠性及安全性准则就成为发展我国高速铁路的当务之急。

弓网电弧是指由于接触导线的不平顺、接触网的振动、受电弓弓头的振动、轨道的不平顺等多种因素的影响，受电弓与接触导线在相对高速滑动中分离而产生的气体放电现象。高速铁路弓网电弧是一个复杂的研究对象，与电磁场、热场、气流场、等离子体等运动变化相关。由于弓网电弧产生的环境复杂，涉及的影响因素多，无论采用理论分析还是实验模拟都十分困难。电弧模型涉及气流场、热场、等离子体、电磁场等多个学科领域，问题本身非常复杂。高速电气化铁路弓网电弧还具有自身的特殊性：电弧可能受到高速动车运动引起的空气流动的影响、受电弓机械振动的影响和复杂大气环境的影响等，因而电弧模型的建立还需要考虑更多的因素。弓网电弧能量大小的影响因素，还包括牵引供电系统拓扑结构、负载的性质、电器元件的参数、电源电压和负载电流运行参数、受电弓运动速度、离线时受电弓在水平方向和垂直方向上的移动距离、空气流动状态等。

国外同行专家设计并建立了实验室弓网电弧测试机构，通过示波器对交流供电和直流供电系统的弓网电弧进行研究和分析，取得了一定的研究成果。但是，其非智能控制测试系统，无法准确模拟受电弓的真实运行情况，只是将受电弓电弧通过示波器取出来，进行电弧分析。

弓网系统电接触是指滑板与接触线相互接触并通过接触界面实现电流传输的一种物理、化学现象。列车静止不动时，弓网系统表现为固定电接触，出现的主要现象和问题是接触电阻、接触温升和接触熔焊。列车运行时，弓网系统具有滑动电接触的特点，除了固定电接触的问题外，还有滑板与接触线之间的摩擦、润滑及磨损等问题。其电接触具有自身特点，可借助电器领域中的电接触研究方法进行电寿命分析和预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种受电弓电寿命预测分析系统，该系统有利于精确模拟弓网各种不同的实际运行情况，建立受电弓电寿命预测模型，以对弓网的电寿命进行准确的分析和预测。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种受电弓电寿命预测分析系统，其特征在于：包括受电弓特性测试试验装置和受电弓电寿命预测上位机系统，所述受电弓特性测试试验装置由推力发生器、压力发生器、模拟架空线的圆形导电转盘、用于驱动所述圆形导电转盘转动的调速电机、模拟受电弓的弧形直线导体、用于调整所述弧形直线导体高度的可升降的绝缘支架、用于驱动所述绝缘支架做水平直线运动的直线电机、为所述圆形导电转盘供电的电源以及基于微处理器的智能控制模块组成，所述智能控制模块分别经一调速控制模块控制所述调速电机和直线电机工作，所述智能控制模块经一电源控制模块对电源进行控制，所述推力发生器、压力发生器、调速电机、直线电机、电源控制模块、弧形直线导体、圆形导电转盘与弧形直线导体之间的工作气隙上分别设有相应的信号传感器，该些信号传感器将采集到的相关测试参数传送给所述受电弓电寿命预测上位机系统，以进行受电弓电寿命预测分析。所述受电弓特性测试试验装置可以方便地改变弓网模型的接触压力、接触电阻、运行速度、燃弧间隙等参数，从而方便地分析影响弓网的各种因素，并将参数送到上位机系统进行分析和预测。

本发明的有益效果是建立了基于微处理器智能控制模块的受电弓特性测试试验装置，该系统通过两台电机对架空线和受电弓进行现场模拟，并通过智能控制模块的控制，方便地调整模拟弓网的工作状态，准确地实现模拟弓网不同运行速度、不同接触压力、不同负载、不同电源系统的实际运行情况，建立受电弓在不同负载、不同工作条件、不同环境下的电流、电压、速度、温度、位移、压力特性计算模型，形成完整的弓网故障分析和电寿命预测系统，因此，具有很强的实际意义和广阔的应用前景。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的受电弓特性测试试验装置的工作原理框图。

图2是本发明实施例的受电弓电寿命预测上位机系统的工作原理框图。

具体实施方式

本发明的受电弓电寿命预测分析系统，包括受电弓特性测试试验装置和基于LabVIEW的受电弓电寿命预测上位机系统，所述受电弓特性测试试验装置由推力发生器F1、压力发生器F2、模拟架空线的圆形导电转盘A、用于驱动所述圆形导电转盘A转动的调速电机D2、模拟受电弓的弧形直线导体H、用于调整所述弧形直线导体H高度的可升降的绝缘支架E、用于驱动所述绝缘支架E做水平直线运动的直线电机D1、为所述圆形导电转盘A供电的电源P以及基于微处理器的智能控制模块M组成，所述智能控制模块M分别经一调速控制模块G2、G1控制所述调速电机D2和直线电机D1工作，所述智能控制模块M经一电源控制模块K对电源P进行控制。所述推力发生器F1、压力发生器F2上分别设有力传感器S1、S2，所述调速电机D2、直线电机D1上分别设有速度传感器V2、V1，所述电源控制模块K上设有电压传感器U1和电流传感器I1，所述弧形直线导体H上设有温度传感器T和位移传感器X，所述圆形导电转盘A与弧形直线导体H之间的工作气隙C上设有电压传感器U2和电流传感器I2，以将该些信号传感器采集到的推力、压力、速度、电压、电流、温度、位移测试参数传送给所述受电弓电寿命预测上位机系统，以进行受电弓电寿命预测分析。共有10个信号参数被送到受电弓电寿命预测上位机系统中：1-主电路电压信号；2-主电路电流信号；3-工作气隙的电压信号；4-工作气隙的电流信号；5-推力信号；6-压力信号；7-直线电机的速度信号；8-旋转电机的速度信号；9-模拟受电弓的弧形直线导体的温度信号；10-模拟受电弓的弧形直线导体的位移信号。所述受电弓特性测试试验装置可以方便地改变弓网的接触压力、接触电阻、运行速度、燃弧间隙等参数，从而方便的分析影响弓网的各种因素，并将参数送到上位机系统进行分析和预测。

如图1所示，A为圆形导电转盘，其固定在转轴上与调速电机D2相连，智能控制模块M通过调速控制模块G2对圆形导电转盘的转速按要求进行控制，V2为速度传感器，可将调速电机D2的速度信号发送到受电弓电寿命预测上位机系统中。此圆形导电转盘圆周边带电，圆周边即为图中B部分，B部分代表架空线的工作模型，H为用于模拟受电弓的弧形直线导体，H与B之间存在一个工作气隙C，工作气隙的电弧、接触情况、接触电阻、接触压力、温升等，都是需要重点关注的参数。U2为电压传感器，I2为电流传感器，其分别反映工作气隙的电压、电流情况，由此可以判断电接触和电弧的参数。T为温度传感器，X为位移传感器，这两个参数分别反映了弧形直线导体H的工作温度和工作位移变化情况，为受电弓寿命预测提供重要依据。E为可升降并可以直线运动的绝缘支架，可以方便调整弧形直线导体H的高度和直线运行距离。D1为直线电机，控制弧形直线导体H的水平运动，智能控制模块M通过调速控制模块G1对直线电机按要求进行控制，V1为速度传感器，可将直线电机D1的速度信号发送到上位机系统中。P为电源，由电源控制模块K对电源进行控制，分直流和交流两种供电系统控制，U1为电压传感器，I1为电流传感器，这两个传感器可将主电路的电压、电流参数传到上位机系统中。F1为推力发生器，F2为压力发生器，这两部分的合力施加在圆形带电转盘上，改变架空线和受电弓之间的受力情况，由此模拟力场的影响。S1和S2为力传感器，将力发生器的参数输送到上位机系统中，由上位机系统进行处理和分析。智能控制模块M完成整体控制与信号传输作用，其分别控制电机的转速、工作时间，力的施加时刻、力值大小，电源的施加时刻和工作类别等等，是整个系统的控制中心，还负责与上位机的通信和资源共享。

上述基于LabVIEW的受电弓电寿命预测上位机系统由信号调理模块J、数据采集卡Z、测试程序模块Y、数据比较模块W、电寿命预测数据库R、波形显示模块L、寿命预测模块Q和管理设置模块N构成；所述信号调理模块J对所述信号传感器传送来的测试参数进行处理，处理后将波形送到所述数据采集卡Z中，所述数据采集卡Z将信号送入所述测试程序模块Y中，所述测试程序模块Y中的数据与所述电寿命预测数据库R中参数在所述数据比较模块W中进行分析、比较、计算，分别输入到所述波形显示模块L、管理设置模块N、寿命预测模块Q中，完成对受电弓的测试与分析。

如图2所示，10个现场信号被送到信号调理模块J中，通过信号调理模块J处理以后，将波形送到数据采集卡Z中，信号采集卡Z将信号送入测试程序模块Y中，R为经过人工智能算法完成的电寿命预测数据库，将电寿命预测数据库R中参数与测试程序模块Y中的数据在数据比较模块W中进行分析、比较、计算，分别输入到波形显示模块L、管理设置模块N、寿命预测模块Q中，完成对受电弓的测试与分析。

上述波形显示模块L通过对测试波形的处理分析，实现对测试信号的运算处理，也可实现通道间的运算。同时，对采集到的波形进行单通道/全通道的放大、缩小或对指定区域进行缩放处理，可以自动读出通流时间以及光标间指定的波形数据，具有友好的人机界面，操作方便、功能完善。波形显示模块L还具有自动报表功能：通过预先设置的试验参数（报告编号、试验类别、试验条件、样品信息、仪器信息、样品编号、测量参数、试验时间、试验人员等）可在试验后自动生成试验报告，并且可以自动对各通道进行零位校准。当试品发生故障时，具有自动报警功能。

上述寿命预测模块Q将系统中的电压、电流、电弧电压、系统过电压、燃弧时间、电弧能量、系统的压力、位移、速度等测试参数，与所述电寿命预测数据库中的参数进行比对和计算，根据寿命预测模型，提出受电弓电寿命预测。

上述管理设置模块N根据需要进行参数的设置和系统管理，分为两个相对独立又相互关联的参数设置模块，由系统管理界面进行切换。

（1）波形显示模块L的参数与显示设置：根据试验样机进行测量范围、测试精度、历史记录存储、显示参数、报告格式、报表输出等设置；

（2）寿命预测模块Q的参数与显示设置：根据试验样机设定速度、位移、温度、电流、电压、力等，根据受电弓工作状态设定失效机理分析与寿命预测的关键参数，根据要求设定显示的特性参数与分析参数值。

基于LabVIEW的受电弓电寿命预测上位机系统，根据采集的弓网接触间隙电压、电流、温度等信号，以及系统的压力、推力、速度、位移、电压、电流等测试参数，建立受电弓综合分析系统，通过智能分析算法形成受电弓电寿命预测分析模块，为受电弓的设计、研制奠定理论和实验基础。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种受电弓电寿命预测分析系统，其特征在于：包括受电弓特性测试试验装置和受电弓电寿命预测上位机系统，所述受电弓特性测试试验装置由推力发生器、压力发生器、模拟架空线的圆形导电转盘、用于驱动所述圆形导电转盘转动的调速电机、模拟受电弓的弧形直线导体、用于调整所述弧形直线导体高度的可升降的绝缘支架、用于驱动所述绝缘支架做水平直线运动的直线电机、为所述圆形导电转盘供电的电源以及基于微处理器的智能控制模块组成，所述智能控制模块分别经一调速控制模块控制所述调速电机和直线电机工作，所述智能控制模块经一电源控制模块对电源进行控制，所述推力发生器、压力发生器、调速电机、直线电机、电源控制模块、弧形直线导体、圆形导电转盘与弧形直线导体之间的工作气隙上分别设有相应的信号传感器，该些信号传感器将采集到的相关测试参数传送给所述受电弓电寿命预测上位机系统，以进行受电弓电寿命预测分析。

2.根据权利要求1所述的受电弓电寿命预测分析系统，其特征在于：所述推力发生器、压力发生器上分别设有力传感器，所述调速电机、直线电机上分别设有速度传感器，所述电源控制模块上设有电压传感器和电流传感器，所述弧形直线导体上设有温度传感器和位移传感器，所述圆形导电转盘与弧形直线导体之间的工作气隙上设有电压传感器和电流传感器，以将该些信号传感器采集到的推力、压力、速度、电压、电流、温度、位移测试参数传送给所述受电弓电寿命预测上位机系统。

3.根据权利要求1或2所述的受电弓电寿命预测分析系统，其特征在于：所述受电弓电寿命预测上位机系统由信号调理模块、数据采集卡、测试程序模块、数据比较模块、电寿命预测数据库、波形显示模块、寿命预测模块和管理设置模块构成；所述信号调理模块对所述信号传感器传送来的测试参数进行处理，处理后将波形送到所述数据采集卡中，所述数据采集卡将信号送入所述测试程序模块中，所述测试程序模块中的数据与所述电寿命预测数据库中参数在所述数据比较模块中进行分析、比较、计算，分别输入到所述波形显示模块、管理设置模块、寿命预测模块中，完成对受电弓的测试与分析。

4.根据权利要求3所述的受电弓电寿命预测分析系统，其特征在于：所述波形显示模块通过对测试波形的处理分析，实现对测试信号的运算处理以及通道间的运算；所述波形显示模块还用以对采集到的波形进行单通道/全通道的放大、缩小或对指定区域进行缩放处理，以自动读出通流时间以及光标间指定的波形数据；所述波形显示模块还可进行自动报表：通过预先设置的试验参数在试验后自动生成试验报告，并可自动对各通道进行零位校准。

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