CN104176088A - 一种非接触式弓网燃弧能量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式弓网燃弧能量检测方法及系统，涉及接触网检测技术，旨在提供一种非接触式弓网燃弧能量检测方法及系统。本发明提供的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，包括：步骤1：采集弓网燃弧特征紫外光信号；步骤2：将所述弓网燃弧特征紫外光信号转换为电信号V_d；步骤3：根据所述电信号计算燃弧紫外能量，单位微瓦：μw；步骤4：根据公式W_arc=a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值推荐范围为5~20，b取值推荐范围为-20~20。

Description

一种非接触式弓网燃弧能量检测方法及系统

技术领域

本发明涉及接触网检测技术，尤其是弓网燃弧能量检测技术。

背景技术

接触网作为牵引供电系统中重要的组成部分，而受电弓是电力列车从接触网上获取电能的关键组成部件，接触网和受电弓良好的动态接触性能是保证电力列车正常运行的前提保障。但接触网和受电弓良好机械接触受约于其它很多因素，如接触网悬挂、接触线材质、受电弓滑板缺陷以及轨道不平顺等。若存在上述影响因素，使接触线与受电弓接触面稍有不良接触，弓网之间就可能产生燃弧。该放电现象的产生不仅恶化弓网受流之间的质量，而且对接触线和受电弓滑板造成电气磨耗，极大的减少了使用寿命。如何对接触网和受电弓受流质量实时在线检测，及时掌握真实弓网之间的运行状态和各项指标就显得非常必要。

调研国内成熟的检测技术发现，弓网动态关系检测大都采用传统的基于在受电弓滑条上安装力传感器的方式来实现。通过弓网接触压力参数评估弓网受流质量的优劣。但由于测量接触压力的方式改变了受电弓原有的结构，因此弓网接触压力不能真实准确地反映弓网动态关系。

因此如果能提供一种弓网燃弧检测装置，该检测装置能够做到不改变受电弓原有的结构，能真实准确地反映弓网动态关系，有效反映接触网线路局部的燃弧情况，针对性检修接触网，定点维护提供实际指导意见，将是十分有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种非接触式弓网燃弧能量检测方法及系统。

本发明提供的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，包括：

步骤1：采集弓网燃弧特征紫外光信号；

步骤2：将所述弓网燃弧特征紫外光信号转换为电信号V_d；

步骤3：根据所述电信号计算燃弧紫外能量W_uv。

进一步，还包括步骤4：根据公式W_arc＝a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值推荐范围为5～20，b取值推荐范围为-20～20。

进一步，利用非接触式弓网燃弧能量检测装置完成步骤1、2，得到所述电信号V_d。

进一步，步骤3中，利用公式计算燃弧紫外能量W_uv；其中t为燃弧持续时间，l为所述非接触式弓网燃弧能量检测装置的光学透镜组距弓网燃弧发生点的距离，R_E为一常数。

优选地，常数R_E的获取步骤包括：

步骤41：将氘灯光源、光学汇聚系统、光栅单色仪及紫外增强型标准探测器依次放置在光学平台上；调节光学汇聚系统与光栅单色仪入射狭缝的距离，使其氘灯光源发射的光经过光学汇聚系统汇聚后进入所述光栅单色仪的入射夹缝中；

步骤42：调节光栅单色仪使光栅单色仪输出某一特定波长的单色紫外光，将紫外增强型标准探测器的入光口对准并靠在光栅单色仪的出射狭缝处，紫外增强型标准探测器测量输出电信号V_p(λ)，则光栅单色仪的出射狭缝输出光能量可表示为R_p(λ)为所述紫外增强型标准探测器对所述某一特定波长的单色紫外光的光谱响应度，P_p(λ)为光栅单色仪的出射狭缝输出光能量；

步骤43：将非接触式弓网燃弧能量检测装置的光学透镜组对准并靠在光栅单色仪的出射狭缝处，所述非接触式弓网燃弧能量检测装置输出电压信号V_E(λ)，则所述非接触式弓网燃弧能量检测装置对所述某一特定波长的单色紫外光的光谱响应度R_E(λ)可以表示为其中S为光学透镜组的有效接收面积。

调节光栅单色仪使光栅单色仪输出另一特定波长的单色紫外光，重复步骤42与步骤43，得到非接触式弓网燃弧能量检测装置对不同波长的紫外光的光谱响应度R_E(λ)。

进一步，燃弧持续时间t为通过非接触式紫外弓网燃弧检测装置检测光电倍增管输出的电流持续时间获得。

进一步，所述非接触式弓网燃弧能量检测装置包括光学透镜组、光电倍增管、信号采集处理板、数据存储器、无线发送板；光学透镜组用于采集弓网燃弧中的紫外光；光学透镜组与光电倍增管之间通过紫外光纤束连接；光电倍增管用于将紫外光转换为电信号；所述信号采集处理板用于对光电倍增管输出的电信号进行预处理；所述数据存储器用于存储预处理后的电信号；所述无线发送板用于将预处理后的电信号无线发射出去。

进一步，光学透镜组采集的紫外光光波段为220-260nm。

本发明还提供了一种非接触式弓网燃弧能量检测的软系统，包括：

燃弧紫外能量计算模块，用于根据电信号V_d计算燃弧紫外能量W_uv；

燃弧能量计算模块，用于根据公式W_arc＝a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值推荐范围为5～20，b取值推荐范围为-20～20。

进一步，所述电信号V_d为将采集到的弓网燃弧特征紫外光信号经过光电转换得到的。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明为弓网燃弧检测领域提供一套整体的解决方案，包括非接触式弓网燃弧检测装置和以及弓网燃弧检测方法，实现了弓网燃弧能量的实施检测，为及时掌握真实弓网之间的运行状态和各项指标提供了有效、准确的参考依据。

本发明灵敏度高，操作自动化程度高，在检测过程中不与弓网接触，通过在线检测参数指标，尤其是弓网燃弧能量指标，能够真实客观的反映弓网受流质量情况为电力列车正常运行的提供了保障。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明中非接触式弓网燃弧能量检测装置安装位置示意图。

图2为本发明中非接触式弓网燃弧能量检测装置的原理框图。

图3为本发明中非接触式弓网燃弧检测装置燃弧能量标定系统框图。

图4为本发明中非接触式弓网燃弧检测装置的光谱辐照度响应度曲线。

图5为本发明中非接触式弓网燃弧检测装置所测燃弧紫外能量与燃弧能量关系曲线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提供了一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，步骤1：采集弓网燃弧特征紫外光信号；步骤2：将所述弓网燃弧特征紫外光信号转换为电信号V_d；步骤3：根据所述电信号计算燃弧紫外能量W_uv。

在其他实施例中还包括步骤4：根据公式W_arc＝a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值推荐范围为5～20，b取值推荐范围为-20～20。

需要说明的是，这里的燃弧能量为弓网燃弧发生时，由电能转换释放的包括光、热、磁等所有能量的总和。燃弧紫外能量为弓网燃弧发生时，所释放的所测特征紫外光波段的光辐射能量。

其中，步骤1、2可由非接触式弓网燃弧能量检测装置完成。

步骤3中，利用公式计算燃弧紫外能量W_uv；其中t为燃弧持续时间，l为所述非接触式弓网燃弧能量检测装置的光学透镜组距弓网燃弧发生点的距离，R_E为一常数。

如图1，本发明中提供的非接触式弓网燃弧能量检测装置包括车顶检测部分2，安装在弓网系统1后端；以及车内检测部分3，安装于受电弓底部的车厢内，与车顶检测部分2通信连接。关于非接触式弓网燃弧能量检测装置的具体结构可参见专利201420025526.0。

如图2，本发明公开了所述非接触式弓网燃弧能量检测装置的另一实施例，包括光学透镜组、光电倍增管、信号采集处理板、数据存储器、无线发送板；光学透镜组用于采集弓网燃弧中的紫外光；光学透镜组与光电倍增管之间通过紫外光纤束连接；光电倍增管用于将紫外光转换为电信号；所述信号采集处理板用于对光电倍增管输出的电信号进行预处理；所述数据存储器用于存储预处理后的电信号；所述无线发送板用于将预处理后的电信号无线发射出去。

其中预处理是指对电信号进行滤波、放大等基本的信号处理。

下面结合非接触式弓网燃弧检测装置燃弧能量标定方法详细阐述步骤4中燃弧能量计算公式的由来。

本发明所述的非接触式弓网燃弧检测装置燃弧能量标定方法，遵循欧洲标准EN50317规定，按照燃弧功率密度进行定标，其包括以下步骤：

(a)将氘灯光源、光栅单色仪、光学汇聚系统、紫外增强型标准探测器以及非接触式弓网燃弧检测装置置于光学平台，其排列顺序参见图3。调节各仪器高度使光路处于同一水平线上，调节光学汇聚系统与光栅单色仪入射狭缝的距离，使其氘灯光源发射的紫外光更好的汇聚进入光栅单色仪。所述氘灯光源、光栅单色仪、光学汇聚系统、紫外增强型标准探测器均为标准的光学仪器，为现有产品。

(b)将紫外增强型标准探测器的光入口紧靠光栅单色仪的出射狭缝，通过控制光栅单色仪的光栅旋转，使光栅单色仪输出某一波长的单色紫外光，测量已知光谱响应度为R_p(λ)的紫外增强型标准探测器的相应输出的电信号V_p(λ)，则光栅单色仪的出射狭缝输出光能量可表示为

$P_p\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V_p\left(\mathrm{\λ}\right)}{R_p\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(1\right).$

(c)将紫外增强型标准探测器移开并将非接触式弓网燃弧检测装置的光学透镜组紧邻光栅单色仪的出射狭缝，测量非接触式弓网燃弧检测装置在相同波长紫外光辐射下相应输出电压信号为V_E(λ)，假设紫外增强型标准探测器与非接触式弓网燃弧检测装置接收的光辐射能量一致，则非接触式弓网燃弧检测装置光谱辐照度响应度可表示为

$R_E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V_E\left(\mathrm{\λ}\right)}{P_p\left(\mathrm{\λ}\right)/S}\frac{V_E\left(\mathrm{\λ}\right)}{V_p\left(\mathrm{\λ}\right)}\×R_p\left(\mathrm{\λ}\right)\×S---\left(2\right);$

其中S为光学透镜组的有效接收面积，此参数由非接触式弓网燃弧检测装置光学透镜组的特性决定，可通过查阅非接触式弓网燃弧检测装置的配置参数获取，为已知数。

(d)控制光栅旋转，改变光栅单色仪的输出单色光的波长，重复(b)、(c)步骤，得到非接触式弓网燃弧检测装置在整个紫外光波段范围内的光谱辐照度响应度曲线，如图4。

(e)根据图4的非接触式弓网燃弧检测装置光谱辐照度响应度曲线可以看出，非接触式弓网燃弧检测装置在波长为220nm～260nm波段的紫外光光谱内，辐照度响应度R_E变化较小，可认为一常数。

(f)若非接触式弓网燃弧检测装置检测到某一燃弧时其输出信号为V_d，则可知非接触式弓网燃弧检测装置输入光辐照度为

$E=\frac{V_d}{R_E}---\left(4\right);$

则利用辐射功率与辐照度转换公式可计算得到所测燃弧紫外能量表达式为：

$W_{\mathrm{uv}}={\∫}_0^{t}4\mathrm{\π}{l}^2\×\mathrm{Edt}={\∫}_0^{t}4\mathrm{\π}{l}^2\×\frac{V_d}{R_E}\mathrm{dt}=\frac{4\mathrm{\π}{l}^2}{R_E}{\∫}_0^t{V}_d\mathrm{dt}---\left(5\right)$

其中t为燃弧持续时间，在一个具体实施例中，燃弧持续时间t为通过非接触式紫外弓网燃弧检测装置检测光电倍增管输出的电流持续时间获得。

l为非接触式弓网燃弧检测装置光学透镜组距受电弓滑板的距离，如图1中1到2的直线距离。由于非接触式弓网燃弧检测装置在各列车车顶的安装位置稍有不同，因此距离l需要实际测量获得，一旦非接触式弓网燃弧检测装置在某一列车车顶上安装好后l为一常量。

(g)接下来需要根据弓网燃弧的紫外能量确定弓网燃弧能量(总能量)。尽管弓网燃弧总能量会转化为光、热、声以及高频电磁波等形式，但是在气候环境因素基本恒定情况下，能量转化比例是一定的。因此可根据弓网燃弧模拟试验装置确定弓网燃弧能量转化为紫外能量的比例。

在实验过程中，模拟弓网燃弧发生过程，在模拟实验中，测量得到弓网接触间隙电压及燃弧电流大小的，同时燃弧持续时间t_rh是可控的，因此依据燃弧能量计算公式，如式(6)所示，计算每次燃弧的燃弧能量，

$P_{\mathrm{arcing}}={\∫}_0^{t_{\mathrm{rh}}}{u}_h{i}_h\mathrm{dt}---\left(6\right)$

式中，t_rh为燃弧持续时间，单位ms；u_h为弓网接触间隙电压，单位V；i_h为电路中燃弧电流，单位A。

在计算燃弧能量的同时，使用非接触式弓网燃弧检测装置检测燃弧中的紫外光，并根据其输出的电信号V_d按照公式(5)计算燃弧紫外能量。

(h)反复进行步骤(g)多次，统计步骤(g)每次燃弧的燃弧能量与非接触式弓网燃弧检测装置所测对应的燃弧紫外能量，建立其对应关系，如图5，图中显示特征波段燃弧紫外能量与弓网燃弧时间能量之间呈线性变化。经过线性拟合可得到二者之间关系为：

W_arc＝a×W_uv+b           (7)，

式中，W_uv为非接触式弓网燃弧检测装置所测燃弧紫外能量，W_arc为弓网燃弧能量，a的取值推荐范围为5～20，优选为8，b的取值推荐范围为-20～20，优选为2。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集弓网燃弧特征紫外光信号；

步骤2：将所述弓网燃弧特征紫外光信号转换为电信号V_d；

步骤3：根据所述电信号V_d计算燃弧紫外能量W_uv。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，还包括步骤4：根据公式W_arc＝a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值范围为5～20，b取值范围为-20～20。

3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，利用非接触式弓网燃弧能量检测装置完成步骤1、2，得到所述电信号V_d。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，步骤3中，利用公式计算燃弧紫外能量W_uv；其中t为燃弧持续时间，l为所述非接触式弓网燃弧能量检测装置的光学透镜组距弓网燃弧发生点的距离，R_E为非接触式弓网燃弧能量检测装置的光谱辐照度响应度。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，常数R_E的获取步骤包括：

步骤41：将氘灯光源、光学汇聚系统、光栅单色仪及紫外增强型标准探测器依次放置在光学平台上；调节光学汇聚系统与光栅单色仪入射狭缝的距离，使其氘灯光源发射的光经过光学汇聚系统汇聚后进入所述光栅单色仪的入射夹缝中；

步骤42：调节光栅单色仪使光栅单色仪输出某一特定波长的单色紫外光，将紫外增强型标准探测器的入光口对准并靠在光栅单色仪的出射狭缝处，紫外增强型标准探测器测量输出信号V_p(λ)，则光栅单色仪的出射狭缝输出光能量可表示为R_p(λ)为所述紫外增强型标准探测器对所述某一特定波长的单色紫外光的光谱响应度，P_p(λ)为光栅单色仪的出射狭缝输出光能量；

步骤43：将非接触式弓网燃弧能量检测装置的光学透镜组对准并靠在光栅单色仪的出射狭缝处，所述非接触式弓网燃弧能量检测装置输出电压信号V_E(λ)，则所述非接触式弓网燃弧能量检测装置对所述某一特定波长的单色紫外光的光谱响应度R_E(λ)可以表示为其中S为光学透镜组的有效接收面积；

调节光栅单色仪使光栅单色仪输出另一特定波长的单色紫外光，重复步骤42与步骤43，得到非接触式弓网燃弧能量检测装置对不同波长的紫外光的光谱响应度R_E(λ)。

6.根据权利要求4所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，通过检测由燃弧特征光信号转换成的电信号V_d的持续时间获得燃弧持续时间t。

7.根据权利要求3所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，所述非接触式弓网燃弧能量检测装置包括光学透镜组、光电倍增管、信号采集处理板、数据存储器、无线发送板；

光学透镜组用于采集弓网燃弧中的特征紫外光信号；光学透镜组与光电倍增管具有信号连接；

光电倍增管用于将所述紫外光信号转换为电信号；

所述信号采集处理板用于对光电倍增管输出的电信号进行预处理；

所述数据存储器用于存储预处理后的电信号；

所述无线发送板用于将预处理后的电信号无线发射出去。

8.根据权利要求4或7所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测方法，其特征在于，光学透镜组采集的紫外光光波段为220nm～260nm，且非接触式弓网燃弧能量检测装置的光谱辐照度响应度R_E为一常数。

9.一种非接触式弓网燃弧能量检测系统，其特征在于，包括：

燃弧紫外能量计算模块，用于根据电信号V_d计算燃弧紫外能量W_uv；所述电信号V_d为将采集到的弓网燃弧特征紫外光信号经过光电转换得到的。

10.根据权利要求9所述的一种非接触式弓网燃弧能量检测系统，其特征在于，还包括燃弧能量计算模块，用于根据公式W_arc＝a×W_uv+b计算燃弧能量W_arc，其中a取值推荐范围为5～20，b取值推荐范围为-20～20。