CN109459672B - 基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别系统，包括有光信号接收单元，光信号接收单元与信号处理单元相连，信号处理单元与信息存储单元相连；信号处理单元包括滤波放大模块、A/D采样模块和微处理器；信息存储单元存储采集电压和电流信息；1)通过检测日盲区紫外光来检测高压放电；2)反向放大负脉冲信号，得到正向电流脉冲；对负向电流脉冲进行滤波处理；对得到的波形调整；3)滤除背景光后，判断放电程度；对数字量进行单位时间的积分，用计算机分析接收信号；4)检测放电现象；确定火花放电位置点，得到接触网火花放电频谱图，提取的相应特征频率成分的范围，分成频率段，据每个频段所占比例提取放电特征；可准确检测接触网放电的位置和强弱。

Description

基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法及系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法。

背景技术

近年来，我国高速铁路快速的发展，在铁路大幅提速的背景下，交通的安全性日益受到广泛关注。车载受电弓与接触网连接构成电流回路，为机车提供电能，作为列车前行动力来源，接触网与受电弓的动态状况对列车安全运行具有重大影响。在铁路巡检中，铁路沿线环境复杂多变，气候不定，接触网作为常年架空设备非常容易受本身使用寿命与环境因素的影响，因此在电气化铁道设备故障中，接触网故障所占比例相当大，并且由于接触网沿线分布长，很多区间难以实现人工检测，因此接触网的实时动态检测已成为工程技术难题之一。

现在的接触网综合状态检测多依靠人工作业，该种方式耗时耗力，并且存在很大人身安全隐患。国内外接触网状态检测主要分为两种方式：一种为接触式检测方法，即采用传感器来获取弓网状态的动力学参数，从而得出拉出值与磨损等信息；另一种为非接触式检测方法，即采用红外线激光、CCD图像、超声波等非接触方式采集弓网运行状态信息，通过数据分析对弓网状态进行实时评估。非接触式方式具有高效率、高速度、可维护性强的特点，发展前景良好。现有的非接触式的检测方法存在计算速度慢、精度低等缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法及系统，可准确检测接触网放电的位置和强弱，对保证电力系统的可靠运行和减少人身及设备的损坏具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别系统，包括有光信号接收单元，光信号接收单元与信号处理单元相连，信号处理单元与信息存储单元相连；光信号接收单元包括光电倍增管和驱动电路；信号处理单元包括滤波放大模块、A/D采样模块和微处理器；信息存储单元存储采集电压和电流信息；

通过光电倍增管将接收到的光信号转换为电信号，电信号比较微弱，通过滤波放大转换模块进行一级放大，运用差分可调放大器把信号二级放大，然后运用高速模数转换器对放电信号进行模拟信号转换为数字信号，微处理器对单位时间内采样信号积分处理求取均值，并还原为电压值，最后将电压值和电流信息进行储存并输出脉冲整型信号；通过脉冲信号可以检测到接触网电火花放电位置和强度。

本发明所采用技术方案的特征还在于，在高铁接触网电火花巡检时，由于高铁的运行时速一般高达250Km/h，通过检测电火花放电脉冲信号到放电结束时的脉冲信号时刻差，根据高铁运行速度确定出放电点的位置，根据脉冲信号得到电火花强度，当探测信号超过预定门限的持续时间，同时有脉冲输出时，脉冲频率在整个波谱的比例会增大，通过最大相似度指标法可将脉冲高频信号进行提取并对放电脉冲信号进行识别。

基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，包括以下步骤：

步骤1，首先通过高铁接触网设备电离放电时空气中的电子不断获得和释放能量，辐射出紫外线，其波长大部分在280～400nm的范围，通过检测日盲区紫外光来检测高压放电；具体为：辐射出的紫外光通过光电倍增管接收装置，光电倍增管驱动电路提供各倍增极的极间电压，将阳极接地，负高压电源连接至阴极，将光电倍增管作为电流源并与前置放大器相连接；

步骤2，通过前置滤波放大电路将第1级前置反向比例放大电路直接对光电倍增管的输出的负脉冲信号进行反向放大，放大倍数可调固定为10倍，得到正向电流脉冲；第2级滤波电路对第1级出来的负向电流脉冲进行滤波处理，光电倍增管输出的为负向电流脉冲，采用二阶巴特沃思高通滤波器，主要滤除低频干扰，截止频率为1kHz；第3级放大调整电路是正向放大电路，对前两级得到的波形进行调整并保持正向，使其符合A/D采样电路的输入要求；

步骤3，在基本滤除背景光后，放电辐射的紫外光传输到传感器的受光面时已经非常微弱，采用紫外光功率测量的方法对放电产生紫外光功率进行检测，判断放电程度；数字积分电路首先对放大滤波得到的放电信号波形采用模数转换器件进行A/D采样与转换即将模拟信号转换为数字信号，再对得到的数字量进行单位时间的积分，收集到接收信号通过串口发送到计算机上作分析处理；

步骤4，在主控微处理器内部计数器中设定接收紫外脉冲数，根据紫外脉冲的个数检测放电现象；主控微处理器检测到放电脉冲信号初始时间为t₁时刻，检测放电脉冲信号截止时间为t₂时刻，根据高铁运行时速v可以计算出检测放电距离为s，取放电检测时刻的中点为t_v时刻，根据放电脉冲信号强度距离放电检测中点时刻的距离大小和GPS/北斗定位模块来确定火花放电位置点，得到接触网火花放电频谱图，根据脉冲频率特征所需提取的相应特征频率成分的范围，分成若干个频率段，通过求取每个频段在整个频谱总量中所占比例大小来提取放电特征。

步骤3所述的计算机的分析处理，是将所得到的信号波形在计算机上显示出来。包括功率，脉冲个数等信号特征。

本发明的有益效果是：

本发明基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，通过对高铁接触网电火花放电位置和强度的检测识别，解决了现有检测方法容易受环境影响、需要人工巡检以及存在检测盲区的问题。基于此，提出采用紫外光功率法，通过光电倍增管能够线性反映放电强弱、高灵敏度的电力设备电晕放电在线检测系统。检测高压设备放电可有效地了解设备绝缘状态，为故障检测提供可靠的参考数据。使用接触网电火花巡检监测装置能够快速识别微弱电火花放电现象，节省了巡线时间，弥补人工巡检及传统拍摄测量视角盲区的缺憾，对于预防微弱放电现象长期累积产生接触网传输故障具有重要意义。

本发明是为了检测高铁运行过程中弓网之间产生的电火花，并且根据高铁运行地理位置定位出接触网出现火花点位置。根据电火花光谱显示，通过检测电火花中的紫外光能够分析出火花强度，判断接触线的损耗程度。而检测紫外光的日盲波段，无论是白天和黑夜都能够探测到电火花，不受背景光干扰。将紫外探测装置安装在车体上，列车在运行过程中能够实时记录火花产生的地方，以便分析原因排除故障，并且起到提前预警的作用。

附图说明

图1是本发明系统原理框图；

图2是列车运行时刻探测示意图；

图3为探测火花发生器放电波形图。

图4为无放电检测模块的输出波形图。

图5为放电脉冲曲线与基线的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，光电探测器检测到电火花放电现象，接收装置光电倍增管将光信号转变为电信号，通过滤波放大模块进行一级放大，运用差分可调放大器把信号二级放大，然后运用高速模数转换器对放电信号A/D转换，微处理器对单位时间内采样信号积分处理求取均值，并还原为电压值，通过检测放电时间和GPS/北斗定位模块确定位置信息，最后将电压值和位置信息进行储存，输出放电脉冲信号，通过对脉冲信号的检测可以确定出放电强度和放电位置。探测框图如图1所示。具体按照以下步骤实施：

步骤1，光电倍增管将监测到的信号进行光电转换，然后经过滤波放大、A/D转换设定阈值电压，根据绝缘子电火花放电程度与距离关系的脉冲个数统计库，在主控微处理器内部设定1s内接收紫外脉冲数为100-150个时，则为放电现象；

步骤2，将紫外脉冲信号传输到主控微处理器，主控微处理器判断是否存在放电现象，如果步骤1统计的脉冲个数大于或者落在步骤1的脉冲个数统计库内，设定程序输出数据为1，则存在放电现象，否则设定程序输出数据为0，则无放电现象；

步骤3，当主控微处理器接收到的数据为1时，即高铁运行过程中检测到放电现象时，记录此时刻为t₁，并对放电现象进行持续检测直至放电火花脉冲信号截止，记录此时刻为t₂，通过列车运行速度与放电时间差t₂-t₁，计算出持续放电距离，根据检测到放电火花脉冲信号强度进行具体放电位置的判定，具体过程为：记录放电中点时刻为t_v，计算火花放电脉冲强度最大值时刻距离放电中点时刻的时间差，进而得到放电点的大致位置如图2所示；

接收脉冲信号强度的计算，光电倍增管作为接收器件，它以电流形式输出信号，根据信息存储单元的电压值和电路特性可以计算出辐射在光电倍增管上的紫外光接收光强度，电流输出表达式如下：

其中N_r表示接收到的入射光子数，η_d是光电倍增管的光电转换率，η_f是滤光片的透过率，G_e是光电倍增管的增益，T表示时间，e表示电子电荷量，公式(2)为入射光子数的表达式：

N_r＝IT/η_dη_fG_e (2)

已知光电倍增管的增益G＝1*10⁷，e＝1.60219*10^-19，η_d＝30％，η_f＝1，普朗克常数h＝6.62×10^-34J·S，用V表示频率，则一个光子的能量是E＝hv，可得到接收光功率为：

式中，C＝3×10⁸m/s，波长λ＝255nm，根据I＝U/R可得：

P_r＝UE/Rη_dη_fG_e (5)

式中，R＝1010kΩ，代入公式(5)得：

P_r＝U×1.62×10^-7 (6)

步骤4，通过计算紫外光接收信号强度得到电火花放电强度，由于接触网设备放电检测脉冲的频率结构各分量特征间具有一定的比例关系，采用最大相似度指标来判定识别放电强度大小，对脉冲信号特征进行提取分析，得到的脉冲信号放电样本x_j(t)为第j种放电模式的输入时序列信号，x_j(t)经过分解得到的相应能量特征向量y_j；将所得特征向量与各放电类型的标准模板特征向量逐一进行相关系数计算，分别可得各放电模式下的相关系数cy_p,j输出，其中下标p表示连续放电次数；然后以放电相关系数的最大值作为判断依据，获得识别结果输出，根据判决输出判定火花放电等级。

实施例：

步骤1，首先当高铁顶部的接收装置如图2所示光电倍增管r₁进行扫描接收接触网产生的紫外光信号，即检测到接触网电火花，通过信号处理模块即对输出脉冲电压放大以及对噪声的滤波，输出整形后可用的电压信号，采用A/D转换电路将电压信号进行数模转换，输出端连接主控微处理器，主控微处理器与GPS/北斗定位模块连接，主控微处理器连接数据存储模块；当列车运行到如图2所示的t₁时刻检测到放电火花的脉冲信号，直到t₂时刻截止，距离为s，t₁时刻到t₂时刻产生如图3所示的脉冲波形。

步骤2，通过高铁运行的时间差与运行速度计算得到距离s，本设计假定高铁运行时速达到250km/h，即s＝250×(t₂-t₁)。取t₁时刻到t₂的中点时刻记为t_v，根据图3所示的2号位产生的波形时间分布，计算脉冲尖峰距离中点时刻的距离，由此来确定大致的火花放电点位置；

步骤3，通过公式(6)计算得到紫外光接收信号强度得到电火花放电强度，采用最大相似指标来对脉冲信号的放电类型特征进行判定和识别，首先将如图5图所示的输入信号X_j(t)经过放电向量特征输出为y₁，y₂，y₃…y_N，将所输出的特征向量与放电类型的标准模版进行相关系数的计算，将所得到的相关系数cy_p,j进行输出，即产生脉冲波形的输入为X₁(n)，通过计算得到的放电系数cy_1,j，c_y2,j，cy_3,j，cy_4,j，cy_5,j分别为0.8261，0.6019，0.3646，0.2857，0.3521，将最大的放电系数输出即输出为0.8261，判别结果类型为p＝1；当脉冲波形的输入为X₂(n)，通过计算得到的放电系数cy_1,j，cy_2,j，cy_3,j，cy_4,j，cy_5,j分别为0.0215，9285，0.7236，0.8163，0.9207，输出最大放电系数为0.9285，判别结果类型为p＝2。当脉冲波形的输入为X₃(n)，通过计算得到的放电系数cy_1,j，cy_2,j，cy_3,j，cy_4,j，cy_5,j分别为-0.0013，0.7035，0.6531，0.9712，0.8621，输出最大放电系数为0.9712，判别结果类型为p＝3；

步骤4，将判定结果通过与无放电检测模块的输出波形如图4所示的基准波形图进行对比，找出平均脉冲波形上限，根据滤波剔除脉冲中存在的干扰杂波，设定放电基线，当检测到放电脉冲波形如图5所示有多次连续超过该基线，确定为严重放电即判定结果p＝3的情况，连续超过该基线的次数较少则确定为一般性放电，不连续间断超过该基线阈值，则判定为现场偶然性引起的放电现象，不需要更换输电弓。

Claims (3)

1.基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首先通过高铁接触网设备电离放电时，在空气中产生的电子不断获得和释放能量，辐射出紫外光，其波长大部分在280～400nm的范围，通过检测日盲区紫外光来检测高压放电；具体为：辐射出的紫外光通过光电倍增管接收装置，光电倍增管驱动电路提供各倍增极的极间电压，将光电倍增管驱动电路阳极接地，负高压电源连接至阴光电倍增管驱动电路极，将光电倍增管作为电流源并与前置放大器相连接；

步骤2，通过第1级前置反向比例放大电路直接对光电倍增管的输出的负脉冲信号进行反向放大，放大倍数可调固定为10倍，得到正向电流脉冲；第2级滤波电路对第1级前置反向比例放大电路出来的正向电流脉冲进行滤波处理，采用二阶巴特沃思高通滤波器，滤除低频干扰，截止频率为1kHz；第3级放大调整电路是正向放大电路，对前两级得到的波形进行调整并保持正向，使其符合A/D采样电路的输入要求；其中，1级前置反向比例放大电路，第2级滤波电路，第3级放大调整电路按顺序串联在一起构成前置放大器；

步骤3，在滤除背景光后，放电辐射的紫外光传输到传感器的受光面时已经非常微弱，采用紫外光功率测量的方法对放电产生紫外光功率进行检测，判断放电程度；数字积分电路首先对放大滤波得到的放电信号波形采用模数转换器件进行A/D采样与转换即将模拟信号转换为数字信号，再对得到的数字信号进行单位时间的积分，收集到接收信号通过串口发送到计算机上作分析处理；

步骤4，在主控微处理器内部计数器中设定接收紫外脉冲数，根据紫外脉冲的个数检测放电现象；主控微处理器检测到放电脉冲信号初始时间为t₁时刻，检测放电脉冲信号截止时间为t₂时刻，根据高铁运行时速v可以计算出检测放电距离为s，取放电检测时刻的中点为t_v时刻，根据检测到放电脉冲信号强度最大值时刻与放电检测中点时刻的距离大小，以及GPS/北斗定位模块来确定火花放电的位置点，得到接触网火花放电频谱图，根据脉冲频率特征所需提取的相应特征频率成分的范围，将所述频谱图分成若干个频率段，通过求取每个频段在整个频谱总量中所占比例大小来提取放电特征。

2.根据权利要求1所述的基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，步骤3所述的计算机的分析处理，是将所得到的信号波形在计算机上显示出来。

3.根据权利要求1所述的基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，还包括以下步骤：

光电倍增管将监测到的信号进行光电转换，经过滤波放大输出整形后可用的电压信号，再进行A/D转换，得到紫外脉冲信号，根据接触网电火花放电程度与距离关系建立的紫外脉冲个数统计库，设定阈值电压，统计紫外脉冲个数，在主控微处理器内部设定1s内接收紫外脉冲数为100-150个时，则为放电现象；

将紫外脉冲信号传输到主控微处理器，主控微处理器判断是否存在放电现象，如果步骤1统计的脉冲个数超过或者落在步骤1的脉冲个数统计库内，设定程序输出数据为1，则存在放电现象，否则设定程序输出数据为0，则无放电现象；

当主控微处理器接收到的数据为1时，即高铁运行过程中检测到放电现象时，记录此时刻为t₁，并对放电现象进行持续检测直至放电火花脉冲信号截止，记录此时刻为t₂，通过列车运行速度与放电时间差t₂-t₁，计算出持续放电距离，根据检测到放电火花脉冲信号强度进行具体放电位置的判定，具体过程为：记录放电中点时刻为t_v，计算火花放电脉冲强度最大值时刻距离放电中点时刻的时间差，进而得到放电点的大致位置；

接收脉冲信号强度的计算，光电倍增管作为接收器件，它以电流形式输出信号，根据信息存储单元的电压值和电路特性可以计算出辐射在光电倍增管上的紫外光接收光强度，电流输出表达式如下：

（1）

其中

表示接收到的入射光子数，

是光电倍增管的光电转换率，

是滤光片的透过率，

是光电倍增管的增益，T表示时间，e表示电子电荷量，公式（2）为入射光子数的表达式：

（2）

已知光电倍增管的增益

=1*10⁷，e=1.60219*10^-19，

，

，普朗克常数

，用v表示频率，则一个光子的能量是

，可得到接收光功率为：

（3）

（4）

式中，

，波长

，根据

可得：

（5）

式中，

，代入公式（5）得：

（6）

通过计算紫外光接收脉冲信号强度得到电火花放电强度，由于接触网设备放电检测脉冲的频率各分量特征间具有一定的比例关系，采用最大相似度指标来判定识别放电强度大小，对脉冲信号特征进行提取分析，得到的脉冲信号放电样本

，

为第j种放电模式的输入时序列信号，

经过分解得到的相应能量特征向量

；将所得能量特征向量与各放电类型的标准模板特征向量逐一进行相关系数计算，分别可得各放电模式下的相关系数

输出，其中下标p表示连续放电次数；然后以各放电模式下的放电相关系数的最大值作为判断依据，获得识别结果输出，根据判决输出判定火花放电等级。

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