CN102307748A - 在供电线路和沿着该线路移动的导电机件之间的接触故障的预防性探测和其成因诊断的方法 - Google Patents

Abstract

在地面设施的供电线路(3)和轨道车辆的沿着所述供电线路(3)移动的固定导电机件(2)之间的接触故障的预防性探测和成因诊断的方法，电弧在供电线路(3)和移动导电机件(2)之间出现接触故障的情况下产生。所述方法包括以下步骤：探测所述电弧(40，41)；定位(42)所探测的电弧；测定(43)所探测的电弧的出现频率；和通过确定固定的地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任，从所述电弧的定位和出现频率推断(44)接触故障的成因，所述方法通过信息处理部件实施。

Description

在供电线路和沿着该线路移动的导电机件之间的接触故障的预防性探测和其成因诊断的方法

技术领域

本发明涉及一种在地面设施的供电线路和轨道车辆的沿着该线路移动的固定导电机件之间的接触故障的预防性探测和成因诊断的方法，电弧在供电线路和移动导电机件之间出现接触故障的情况下产生。

背景技术

在供电线路和在该线路上移动的被供电机件之间的接触故障的预防性探测和诊断的问题在技术上是普遍的。这一般与预防性维护的问题和对在故障中所涉及的车辆的识别有关，以将故障要么归到地面设施要么归到移动机件。

在该领域中，更为特别地在铁路、架空电车线(LAC)或轨道的应用中，现今，并没有布置任何允许告知运营者供电的集电弓-悬链线、集电靴-轨道的接触或车轮-轨道接触的可能磨损的部件，以预防在LAC的情形中，可能会导致悬链线拔除或集电弓完全破坏的事故。

可以注意到，可联合操作的列车，即能够在通过不同电压和/或电流强度供电的线路上行进的列车，通过一悬链线或一供电轨道要么在一交流电压(通常25kV和15kV)下，要么在一直流电压(从750V到3000V)下进行供电，具有通过引导车轮的轨道进行的电流反向。

为了避免电压在悬链线中过大地降低，悬链线选择以多个段部组成。这些段部的长度对于高速列车(交流电压供给)可达到50km，和对于有轨电车(直流电压供给)可达到2km。在段部的每个端部，始终为了避免电压降低，一变电站允许在段部始端和末端具有相同的电势。

在铁路领域中的供电管理中的难处在于交通量大，其特征在于大量的车辆在路线(voie)上和供电线路的相对大的长度上经过。存在路线和供电线路的维护问题，这是因为大的交通量机械磨损和热磨损悬链线的接触带以及轨道。

此外这些路线的日常运营期间很长，每天超过18小时，这对于保证在长度很大的轨道上的预防性维护和形成供电线路的悬链线的预防性维护而言所留的时间很少。

因此，期望的是，能够具有一种方法和一种装置，所述方法和装置允许自第一次失效迹象(signe de dégradation)出现起，对在移动导电机件和供电线路之间的接触故障的成因进行诊断，以允许有效的和成本合理的预防性维护。这也允许对供电线路的磨损和集电弓或集电靴的磨损进行识别。

发明内容

更为特别地，本发明的目的在于提供一种允许在运行过程中对在铁路网的供电线路和移动接触机件之间的接触故障和接触故障的成因进行辨别的方法，这些故障尤其是由于磨损产生的。

为此，本发明的目的首先在于一种在地面设施的供电线路和轨道车辆的沿着该供电线路移动的固定导电机件之间的接触故障的预防性探测和成因诊断的方法，电弧在供电线路和移动导电机件之间出现接触故障的情况下产生，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-探测所述电弧，

-定位所探测的电弧，

-测定所探测的电弧的出现频率，和

-通过确定固定的地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任，从所述电弧的定位和出现频率推断接触故障的成因，所述方法通过信息处理部件实施。

在一特别的实施方式中，本发明包括一个或多个以下特征：

-所述电弧的探测步骤包括通过所述电弧发出的声学信号的探测；

-所述电弧的探测步骤包括通过所述电弧发出的电信号的探测；

-所述信号的探测通过频率分析执行；

-频率分析是通过小波的分析；

-小波分析是通过离散小波的分析；

-对所探测的电弧的定位利用在所述电信号的探测时刻和所述声学信号的探测时刻之间的时间差执行；

-所述方法适用于诊断铁路网的悬链线与铁路车辆的集电弓的接触带之间的接触状态，相应地用于诊断铁路轨道与地铁路车辆的车轮之间的接触状态；

-至少电弧的探测步骤在一变电站的位置执行；

-电弧在悬链线的一段部上的定位步骤从给所述段部供电的两变电站执行。

本发明的目的也在于一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括一套指令，当这套指令通过一信息处理单元执行时，这套指令能够实施如上所述的方法。

本发明的目的也在于一种用于实施方法的预防性探测和成因诊断的设备，其特征在于，所述设备包括：

-所述电弧的探测部件；

-所探测的电弧的定位部件；

-所探测的电弧的出现频率的测定部件；和

-信息处理部件，其用于通过确定地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任，从所述电弧的位置和出现频率推断接触故障的成因。本发明的目的也在于能够实施所述方法的线路段(deligne)和车辆。

附图说明

现在将参照示意性附图描述作为非限制性实例的本发明的一具体的实施方式，附图中：

-图1作为在悬链线和集电弓之间的接触故障的原因的实例示出集电弓的疲劳；

-图2作为在悬链线和集电弓之间的故障的另一实例示出路线的下沉；

-图3作为在悬链线和集电弓之间的故障的实例示出松开的悬链线；

-图4示出在产生电弧时电压和电流根据时间的变化；

-图5和图6分别地示出在由交流电流供给的供电线路上存在电弧时，在一相位上的电流和在两相位之间的电压的图形；

-图7是根据本发明的一整套诊断设备的简图；

-图8是用于实施根据本发明的方法的信息处理单元的运行流程图；和

-图9示出在电压-电流信号上的电弧的时间-频率探测和声学探测之间的同步；

-图10是用于通过实施根据本发明的方法进行诊断而配备的机车的示意图。

具体实施方式

将描述的方法适用于在接触机件，即集电弓和形成用于列车的供电线路的悬链线之间的接触故障。

更为一般性地，所述方法还适用于在车轮和轨道之间的接触，和在一随动集电靴和形成供电线路的一特定集电轨之间的接触。因此，所述方法能应用于在具有接触的接触机件和供电线路之间的所有接触。

在铁路网的供电系统上，即在平均电压的水平，在悬链线、轨道、列车的车轮、集电弓、集电靴上的故障的开始在运行时具有在接触上的立即反应。电弧从而在车辆经过时产生。该电弧甚至在故障明显和需要检修之前存在。因此从对电弧的跟踪可引起预防性维护。

参照图1、图2和图3在三种故障情形中示出这一点。

在图1上可以看见铁路车辆1，该铁路车辆配有一集电弓2，集电弓允许引受在悬链线3上的电流。

附图的左侧部分示出集电弓的扩伸装置恰当运行的正常情形。相反地，在附图的右侧部分，由于例如振动引起的疲劳，这些系统是故障的，使得脱离发电机，产生电弧。可以理解的是，这类脱离和由此产生的电弧的出现比严重的集电弓的故障更加频繁，并且在线路上在任意位置发生。

图2的情形是路线5的下沉4的情形。

如上文所述，附图的左侧部分表示正常的情形。在右侧部分中，如果列车的速度足够，下沉4产生集电弓的脱离，并因此产生一电弧。在此情形中，在实际中在所有集电弓经过时电弧仅产生一次。此外电弧被极好地定位。

图3的情形是悬链线3松开的情形。

附图的右侧部分示出铁路车辆的前部。左侧部分示出铁路车辆的后部。在悬链线松开的情形中，列车的速度和集电弓在悬链线上的接触压力使得悬链线摆动，因而在机车车尾(motrice de queue)的集电弓和悬链线之间存在电弧。

因而可根据定位、出现频率和成因建立电弧的类型分类。下面的表格给出一实例。

表1

根据本发明的方法设置使得，如果在接触机件和铁路供电线——由该线路供电的车辆经过该铁路供电线——之间探测到电弧，定位这些电弧和分析电弧的出现频率，可以较大的概率推断故障的成因，即引起这些电弧的实际的或将要发生的故障类型。该诊断不受在供电线路的位置处的电流和电压电平(niveau du courant et de la tension)，以及信号种类(交流的或直流的)的影响。这些不同的步骤优选地通过计算机实施。

对于电弧的探测和分析，可以知晓的是，就性质而言，电弧是一种非线性和非周期的现象，如在图4的波形图上可以看见，波形图的横坐标轴表示时间。

在上方的波形图上，可以看见按照时间在断路器打开时由电弧产生的电压6，在下方的波形图上，可以看见电流7的波形。在最大电流10时产生电弧，通过电压的快速变化(大的dv/dt)探测到该电弧，而在电流11时，电弧消除。

在悬链线上发现这种源自电弧的非线性，不过具有在图5和图6上示出的不同图形(signature)。

在图7上看见允许实施根据本发明的方法的设备的一实例(附图标记与在图1和图2上的附图标记相同)。

电弧的电探测和声学探测从两变电站20和21执行，变电站从高压总网22给对应悬链线3的电网段供电。

为此，声音采集系统23，如声学传感器布置在每个变电站中的悬链线3附近，并且通过模拟/数字变流器25与信息处理部件24相连。

同样地，电传感器26通过模拟/数字变流器27与部件24相连。

部件24执行对电弧存在的探测和所述电弧的定位，如在下文的描述中所述。

在悬链线的同一段部上布置两声音采集系统23和两电传感器26的事实允许，通过获得电弧的声音图形和电图形的多于信息，更为精确地从空间上定位电弧的存在。这允许降低由于例如反射现象引起的电弧定位的不精确度。

为了精确地确定发生电弧的时刻和地点以及其重复性，声学信号的空间分析应在电压-电流信号的时间-频率分析上是同步的。

电弧的电图形到变电站单元(cellule de sous station)的传感器的传播速度(270000km/s)明显快于声音的传播速度(3350m/s)，对于每个变电站，取电弧的电图形的探测时刻作为参考时刻。借助于声音信号相对于该参考时刻的延迟τ，同时考虑到声音的传播速度，来测定发生电弧的精确位置。在两声音采集系统之间的电弧的声音图形的采集的延迟Δτ允许提高电弧的空间定位的精度。

详细的方法在图8上示出。所述方法通过在一供电站的位置设置的信息处理部件实施。

每个供电站的信息处理部件探测40由电弧产生的电信号。

为此，执行对电信号的分析。

考虑到电弧转瞬即逝的和非线性的特征，对于电信号到达时刻的探测步骤40优选地使用频率分析方法来辨认其图形。

在分析方法的使用在原理上要求知晓要分析的信号的整个历史过程，和因此实际上不可能识别在其中发生一特别现象的时隙的范围中，傅里叶分析先天地不是最适合的方法。

短期的傅里叶分析允许觉察不稳定的现象。相反地，信号的分析窗口在频率上是固定的并因此在低频和高频的现象探测之间进行折中。此外，信号的反向转换是非常复杂的，具有在两分析窗口之间的信号相位的丢失。

根据因此取决于所期望探测的信号的比较小波的选择，连续小波的分析在非常大的一波谱带上执行。从实施的观点来看，该方法在信息的存保(sauvegarde)空间上相对严格。

离散小波分析比连续小波分析更快，但是信号的重建较不精确。

本领域技术人员在所有情形下将可选择最为适合的分析方法。如果使用离散小波分析，对于一特定应用而言小波的选择将考虑离散小波的特性：

●正交性：正交小波的几何特性是重要的，这是因为正交小波的几何特性方便信号的转换。小波的每个系数的计算仅需要一数量积，和保持独立于变换式的其它系数的计算。

正交转换允许容易和快速的方程解法，不过具有信息丢失的风险，知晓的是，正交转换只在唯一系数上编码和此外到处都无。

●分析的快速性：优选地是，小波不是由分析公式组成，而是由连续的重复组成，这允许仅仅在获得的最后一个结果上，而不是在全部信号上应用操作。

●小波基：当时间趋向无穷量时，小波会快速地向0逐渐减少。

●零动量(moment nul)的数目：小波摆动越多，小波所具有的零动量越多。零动量通过如下规定：

$\underset{R}{\∫}{t}^j\mathrm{\ψ}\left(t\right)\mathrm{dt}=0$

其中，当小波具有k+1零动量时，j＝0，...，k。

如本身已知的，图9的线图30上示出的电信号的离散小波的变换式——其是优选的分析方法，产生由附图标记31示出和表示的一量图(scalogramme)。

该附图对应在200V交流电的电流和电压的信号上存在称为“特里切尔脉冲”的放电。在该附图上，用30表示在传感器之一的位置处测得的电流。

该量图31的纵坐标上存在从10到1的信号分析窗口的图象。位置越高，从而分析高的“伪频率”的小波越压缩。在该实例中，采样频率为1Mhz，以使得在膨胀系数和频率之间存在当量。

在该实例上，足够高的小波系数通过清晰的色彩进行识别。这些系数关于在通过白原子表示的等级6和4上的电压和电流。这些原子精确地在放电现象的开始和结束出现。在下文中可提高这些等级和规定阈值，如果超过这些阈值，从而可以考虑在一束接线上存在放电，和因此在完全故障前设置合适的维护计划。

电弧和电弧的出现时刻通过在图9的量图31中的序列6的膨胀系数的第一白原子37识别。

现在涉及电弧的定位，通过在一段电网上发送电波的“测回声法”类型的方法难以提前定位一故障。实际上这类操作会损坏通过该电网供电的行进中的列车的电子电路，和路线的安全系统。此外，该电信号将埋没在在同一段上行进的列车所消耗的电流信号中。

因此优选地，探测通过电弧发出的声学信号。这些信号可实际上具有非常大的振幅(amplitude)和此外获益声波在供电线路铜线中的非常良好的传播。

在步骤41进行的声学信号的探测优选地通过使用如在上文中所展示的用于探测电信号的选择标准通过频率分析来执行。

通过声音采集部件23记录的声音信号的振幅在图9上由32和33示出。在34看见电弧的电图形的开始，和在35和36看见如通过位于两变电站的位置处的两声音采集系统记录的声音图形的开始。

所探测的电弧的定位继而在步骤42，通过测定在步骤40和41所执行的电信号探测和声学信号探测之间的时间差，考虑在铜线中的声音速度在25℃的环境温度下为3350m/s来实施。

因此从每个变电站20和21和对于每个电弧，通过考虑电弧产生于变电站的距离，位置在步骤42被测定和存储，变电站的距离等于：

$d=\frac{\mathrm{VsVe}}{\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}}(t_s-t_e)$

其中，V_s是声音在组成悬链线的材料中的速度

V_e是电信号的传播速度

t_s是声波的探测时刻

t_e是电信号V_s的探测时刻

首先近似V_e＞＞V_s

d估算为d＝V_s(t_s-t_e)。

来自每个变电站20、21的两距离值d₁和d₂因此被测定。所选定的用于存储电弧位置的值例如是在两变电站的间隔d₁和d₂的两点之间的中间位置。

对于在一个或多个列车行进时在线路上探测的大量电弧复制步骤40到42。

存储所探测的电弧的每个位置和它们的出现时刻。

所探测的电弧的出现频率在步骤43进行计算。

现有或将要发生的所述故障的成因在步骤44，从在表格1中展示的裁定表格(grille de décision)，在所探测的电弧的位置和电弧的出现频率的基础上，沿着线路在确定的点上或任意地执行。

特别地，成因的推断包括确定地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任。

这里所述的方法允许从获得的结果，通过知晓维护应针对的元件，来保证预防性的维护。没有任何特定的硬件需要在车辆上安装，所述方法特别容易实施。

作为变型，根据本发明的方法至少部分地通过在路线上行进的和包括电弧的一特定探测和定位设备的一机车实施。电弧的出现频率的测定步骤和故障成因的推断步骤要么在机车的特定设备中，要么在位于机车外的一外设信息处理单元中，在机车所需的信息传输到外设处理单元后，进行实施。

如在图10上所示，标记为64的机车的标记为62的特定定位和探测设备包括一模块66，模块用于对在机车的集电弓和悬链线之间产生的电弧进行探测。

模块66，如本身已知的，包括对通过电弧产生的电信号的电信号传感器和对通过电弧产生的声波的声波传感器，和/或对通过电弧产生的光波的光波传感器和/或通过电弧产生的电磁波的电磁波传感器。

此外，特定设备62包括GPS类型的一卫星定位模块68，如本身已知的，该模块能够在每个时刻从通过卫星接收的信号测定机车的位置。

探测模块66和定位模块68与能够记录故障和故障的定位的信息处理单元70相连。

该单元70对于每个电弧能够记录电弧的出现、通过定位模块给出的在电弧出现时的列车位置以及电弧的特征。电弧的产生时刻优选地通过单元70从电弧的电流和电压图形、其声波、其光波和/或电磁波规定。

从在单元70中所容纳的信息，出现频率的测定步骤和故障原因的推断步骤43和44在处理单元70中或一外设单元中执行。在后者的情形中，外设单元例如是一道路交通监测平台。

Claims (15)

1.在地面设施的供电线路(3)和轨道车辆的沿着所述供电线路(3)移动的固定导电机件(2)之间的接触故障的预防性探测和成因诊断的方法，电弧在所述供电线路(3)和移动导电机件(2)之间出现接触故障的情况下产生，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

探测所述电弧(40，41)；

定位(42)所探测的电弧；

测定(43)所探测的电弧的出现频率；和

通过确定固定的地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任，从所述电弧的定位和出现频率推断(44)接触故障的成因，

所述方法通过信息处理部件实施。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电弧的探测步骤包括探测(41)由所述电弧发出的声学信号。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，所述电弧的探测步骤包括探测(40)由所述电弧发出的电信号。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号的探测通过频率分析执行。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述频率分析是小波分析。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述小波分析是离散小波分析。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所探测的电弧的定位利用在所述电信号的探测时刻和所述声学信号的探测时刻之间的时间差(τ)执行。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法适用于诊断铁路网的悬链线(3)与铁路车辆(1)的集电弓(2)的接触带之间的接触状态，相应地诊断铁路轨道(5)和铁路车辆的车轮之间的接触状态。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少电弧的探测步骤在一变电站(20，21)的位置执行。

10.根据权利要求7和9共同的所述的方法，其特征在于，电弧在悬链线的一段部上的定位步骤从给所述段部供电的两变电站执行。

11.计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括一套指令，当这套指令通过一信息处理单元执行时，这套指令能够实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。

12.用于实施根据权利要求1到10中任一项所述的方法的预防性探测和成因诊断的设备，其特征在于，所述设备包括：

所述电弧的探测部件(23，24，25，26，27；66)；

所探测的电弧的定位部件(23，24，25，26，27；68)；

所探测的电弧的出现频率的测定部件(23，24，25，26，27；70)；和

用于通过确定地面设施和轨道车辆在故障原因中的责任，从所述电弧的定位和出现频率推断接触故障的成因的信息处理部件(23，24，25，26，27；70)。

13.配设有供电线路(3)和给所述供电线路(3)供电的至少一变电站的线路段，其特征在于，所述变电站包括根据权利要求12所述的设备。

14.铁路车辆，所述铁路车辆至少包括根据权利要求12所述的设备的电弧的探测部件(66)和电弧的定位部件(68)，所述定位部件用于通过卫星来地理定位铁路车辆而定位电弧。

15.根据权利要求14所述的铁路车辆，其特征在于，所述铁路车辆包括根据权利要求12所述的设备。

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