CN111319518A - 一种长寿命电能传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长寿命电能传输系统及方法，该系统包括依次电性连接的牵引变电所、接触线、列车以及回流钢轨，所述回流钢轨通过回流线与牵引变电所电性连接，构成电流回路；列车包括控制系统和与控制系统通信连接的至少一个电能传输装置，电能传输装置包括固定连接的升降弓机械臂和针尖阵列电极；升降弓机械臂安装于列车顶部，其上端与针尖阵列电极固定连接；针尖阵列电极的针尖与接触线相接触。本发明改变了传统的接触式受流方式，采用电弧作为能量传递的介质，解决了现有技术存在的弓网系统冲击振动加剧、电弧频发导致的受电弓滑板服役寿命大幅下降的问题。

Description

一种长寿命电能传输系统及方法
技术领域
本发明属于弓网系统技术领域，具体涉及一种长寿命电能传输系统及方法。
背景技术
高速列车获取电能的唯一途径是通过受电弓与接触网(弓网系统)的滑动电接触，弓网关系的好坏直接决定了列车受流质量的好坏。随着高速列车的运行速度进一步提升，弓网系统耦合振动加剧，弓网间接触状态从柔性接触向刚性接触转变，冲击振动显著加剧，弓网间电弧频发，滑板异常磨耗甚至断裂，导致受电弓滑板服役寿命严重降低、更换周期大幅缩短。
弓网系统服役寿命是衡量高速列车运行可靠性、经济性的重要指标。现有接触式受流方式机械/电气高度耦合，弓网系统服役寿命大幅降低，已经不能满足未来列车重载，高速的运行条件。因此亟需开发一种机械/电气解耦的长寿命电能传输方法及装置。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种长寿命电能传输系统及方法，用于解决现有技术存在的弓网系统冲击振动加剧、电弧频发导致的受电弓滑板服役寿命大幅下降的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种长寿命电能传输系统，包括依次电性连接的牵引变电所、接触线、列车以及回流钢轨，所述回流钢轨通过回流线与牵引变电所电性连接，构成电流回路；
所述列车包括控制系统和与控制系统通信连接的至少一个电能传输装置，所述电能传输装置包括固定连接的升降弓机械臂和针尖阵列电极；所述升降弓机械臂安装于列车顶部，其上端与针尖阵列电极固定连接；所述针尖阵列电极的针尖与接触线相接触。
进一步地，所述针尖阵列电极采用可自由控制的针尖阵列，其中每个针尖为隔离的电通路。
进一步地，所述接触线采用带有屏蔽罩的架空接触线。
进一步地，所述列车还包括安装于电能传输装置和接触线连接处的监控装置及电弧检验装置。
进一步地，所述监控装置包括均与控制系统通信连接的距离传感器、高速相机及测风仪，所述距离传感器设置在电能传输装置上侧，所述高速相机设置在电能传输装置一侧，所述测风仪设置在针尖阵列电极的四周且处于接触线的屏蔽罩中。
进一步地，所述电弧检验装置包括弧光检测器、电压传感器及电流传感器，所述弧光检测器设置在电能传输装置的四周且处于接触线的屏蔽罩中，所述电压传感器和电流传感器安装于列车顶部，对电能传输装置与接触线之间的电压与电流信号进行监测。
进一步地，所述监控装置还包括安装于电能传输装置和接触线接触部位的紧急起弧装置。
进一步地，所述电能传输装置的运行方向前端设置有稳流器。
本发明还提出了一种长寿命电能传输方法，包括以下步骤：
S1：初始化应用上述电能传输系统的高速列车运行系统；
S2：通过控制装置驱动升降弓机械臂缓慢升起电能传输装置，通过距离传感器判断针尖与接触线的距离关系，使针尖阵列电极上的针尖与接触线接触；
S3：通过电压传感器、电流传感器检测针尖与接触线是否良好接触，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S2；
S4：使用升降弓机械臂缓慢降弓，使电能传输装置上的针尖到达预设的固定位置，拉出稳定电弧；
S5：重复操作步骤S2～S4，使得每个针尖均产生稳定的电弧；
S6：使用监控装置采集电弧实时变化信息以及环境信息，实时反馈至控制系统，并根据变化情况，操作升降弓机械臂实时调整电弧长度；
S7：通过电压传感器、电流传感器和高速相机判断电弧是否发生意外熄灭，若是则通过紧急起弧装置重燃电弧，并进入步骤S8，否则直接进入步骤S8；
S8：若接收到熄弧命令，则通过控制装置控制升降弓机械臂缓慢升弓使得电能传输装置与接触线完全接触进行熄弧；
S9：通过弧光检测器和电压、电流传感器检测每通道电弧是否完全熄灭，若是则结束运行，否则重复步骤S8进行熄弧。
进一步地，所述步骤S9中通过电压传感器、电流传感器和弧光检测器检测电弧是否完全熄灭具体为：
通过电压、电流信号的大小以及电弧弧光强度进行判断，当电信号中电压与电流的比值小于1，且弧光检测器未检测到实时弧光强度信号时，则输出完全熄弧，否则输出未完全熄弧。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明改变了传统的滑动电接触受流方式，避免了受电弓滑板服役寿命严重降低、更换周期大幅缩短的缺点；
(2)本发明采用非接触式稳定燃弧的受流方式，传输功率大，效率高，保证了列车能量供给的可靠性，保障了列车的安全运行；
(3)本发明采用带有屏蔽罩的接触线保护电弧，避免了由于风、雨等外环境因素导致电弧的意外熄灭，从而影响到能量的传递；
(4)本发明采用的电能传输装置有2个，电极形状为4×4型的矩形针尖阵列，每个电能传输装置的电弧通道即电流通道为16，将较大的牵引电流分成多模块小电流通道，大幅度减轻了电弧对单一滑块的烧蚀，解决了弓网系统中滑板不耐电弧烧蚀的问题。
附图说明
图1是本发明的长寿命电能传输系统结构示意图；
图2是本发明中列车的结构框图；
图3是本发明中针尖阵列电极示意图；
图4是本发明的长寿命电能传输方法流程示意图。
其中附图标记为：1、牵引变电所，2、接触线，3、列车，4、回流钢轨。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种长寿命电能传输系统，包括依次电性连接的牵引变电所1、接触线2、列车3以及回流钢轨4，回流钢轨4通过回流线与牵引变电所1电性连接，构成电流回路。
如图2所示，列车3包括控制系统和与控制系统通信连接的至少一个电能传输装置，图2中所示为2个电能传输装置；控制系统安装在列车3的内部，每个电能传输装置包括固定连接的升降弓机械臂和一个针尖阵列电极；升降弓机械臂安装于列车3顶部，用于控制针尖阵列电极与接触线2的接触或分离，升降弓机械臂上端与针尖阵列电极固定连接；针尖阵列电极的针尖与接触线2相接触，用于产生电弧。
在整个电流回路中，电能由牵引变电所1传输到接触线2，接触线2与任一电能传输装置通过电弧将电能传递到列车3，列车3上的电流由钢轨4和回流线流回到牵引变电所1。
在本发明的一个可选实施例中，如图3所示，针尖阵列电极采用形状为4×4型的矩形针尖阵列，每个针尖可自由控制，并且每个针尖之间为完全隔离的电通路，保证相互不影响。针尖阵列电极的每个针尖具体设置为具有一定长度和半径的高电导率且耐电弧烧蚀的新型合金材料，设置为一定长度和半径的结构可以保证针尖具有一定的机械强度，其高电导率亦可保证具有较高的能量传递效率。
在本发明的一个可选实施例中，接触线2采用带有屏蔽罩的架空接触线，在屏蔽罩的保护作用下，针尖阵列电极与接触线2之间产生的电弧状态更为稳定，受外部环境影响更小。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，列车3还包括安装于电能传输装置和接触线2连接处的监控装置及电弧检验装置。
其中监控装置包括均与控制系统通信连接的距离传感器、高速相机及测风仪。距离传感器设置在电能传输装置上侧，高速相机设置在电能传输装置一侧，测风仪设置为四个，均匀设置在针尖阵列电极的四周且处于接触线2的屏蔽罩中。距离传感器、四个测风仪、高速相机通过连接线反馈到控制系统的显示屏上，显示的信息有各方向风速大小和电弧的形态、长度，通过判断显示屏上的风速和电弧的实际情况，操作受电弓升降系统来实时调整电弧长度，使电弧传能更高效稳定。
电弧检验装置包括弧光检测器、电压传感器及电流传感器。弧光检测器设置在电能传输装置的四周且处于接触线2的屏蔽罩中，电压传感器和电流传感器安装于列车3顶部，对电能传输装置与接触线之间的电压与电流信号进行监测，且均与控制系统通信连接。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，监控装置还包括安装于电能传输装置和接触线2接触部位的紧急起弧装置。具体而言，紧急起弧装置采用全自动燃弧器。在实际运行过程中，处于某些极端条件下，电弧可能会意外熄灭，通过控制全自动燃弧器，可以使电弧重燃，然后关闭装置。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，电能传输装置的运行方向前端设置有稳流器，从而保障电弧能够稳定传能。
实施例2
为了对上述实施例中提供的一种长寿命电能传输系统作进一步详细说明，本发明还提供了一种长寿命电能传输方法，如图4所示，包括以下步骤S1至S9：
S1：初始化应用上述电能传输系统的高速列车运行系统；
在本实施例中，本发明将电能传输装置处于初始位置，与接触线2保持固定间距。
S2：通过控制装置驱动升降弓机械臂缓慢升起电能传输装置，通过距离传感器判断针尖与接触线2的距离关系，使针尖阵列电极上的针尖与接触线2接触；
S3：通过电压传感器、电流传感器检测针尖与接触线2是否良好接触，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S2；
在本实施例中，本发明设定当电信号中电压幅值波动小于电压平均值的5％时，则表示针尖与接触线2良好接触。
S4：使用升降弓机械臂缓慢降弓，使电能传输装置上的针尖到达预设的固定位置，拉出稳定电弧；
在本实施例中，当针尖电极与接触线分离时，接触电阻不断增大使得温度不断升高，金属融化形成金属液桥，液桥断裂的瞬间产生大量金属蒸汽；同时阴极发射电子撞击阳极，阳极气化形成金属蒸汽。电子与金属蒸汽碰撞电离出阳离子流，阳离子流向阴极高速运动，轰击阴极表面，阴极气化形成金属蒸汽，此时间隙间带电质点急剧增加，间隙被击穿，形成电弧。
S5：重复操作步骤S2～S4，使得每个针尖均产生稳定的电弧；
在本实施例中，本发明的针尖阵列电极采用形状为4×4型的矩形针尖阵列，每个电能传输装置都有16个针尖，利用每个针尖分摊一部分电能。
S6：使用监控装置采集电弧实时变化信息以及环境信息，实时反馈至控制系统，并根据变化情况，操作升降弓机械臂实时调整电弧长度；
在本实施例中，由于接触线的屏蔽罩的保护作用，外部环境仅有细微的风速变化，根据实际变化情况，调整电弧长度。
实际铁路牵引电压为27.5kv，在这个电压等级下，电弧长度最大能够达到30～40cm。
S7：通过电压传感器、电流传感器和高速相机判断电弧是否发生意外熄灭，若是则通过紧急起弧装置重燃电弧，并进入步骤S8，否则直接进入步骤S8；
在本实施例中，通过电压传感器、电流传感器和高速相机判断电弧是否发生意外熄灭具体为：
当电弧形貌信息显示为无电弧，且弧光检测器采集的弧光强度信号为0，电压、电流信号有很大突变时，则输出电弧意外熄灭。
S8：若接收到熄弧命令，则通过控制装置控制升降弓机械臂缓慢升弓使得电能传输装置与接触线2完全接触进行熄弧；
S9：通过弧光检测器和电压、电流传感器检测每通道电弧是否完全熄灭，若是则结束运行，否则重复步骤S8进行熄弧。
在本实施例中，通过电压传感器、电流传感器和弧光检测器检测电弧是否完全熄灭具体为：
通过电压、电流信号的大小以及电弧弧光强度进行判断，当电信号中电压与电流的比值小于1，即接触电阻小于1Ω，且弧光检测器未检测到实时弧光强度信号时，则输出完全熄弧，否则输出未完全熄弧。
本发明提供的一种长寿命电能传输系统及方法，改变了传统的接触式受流方式，创造性的提出了用电弧作为能量传递的介质，极大减小了弓网间的机械冲击和材料磨损，解决了现有技术存在的弓网系统冲击振动加剧、电弧频发导致的受电弓滑板服役寿命大幅下降的问题。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种长寿命电能传输系统，其特征在于，包括依次电性连接的牵引变电所(1)、接触线(2)、列车(3)以及回流钢轨(4)，所述回流钢轨(4)通过回流线与牵引变电所(1)电性连接，构成电流回路；
所述列车(3)包括控制系统和与控制系统通信连接的至少一个电能传输装置，所述电能传输装置包括固定连接的升降弓机械臂和针尖阵列电极；所述升降弓机械臂安装于列车(3)顶部，其上端与针尖阵列电极固定连接；所述针尖阵列电极的针尖与接触线(2)相接触。
2.如权利要求1所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述针尖阵列电极采用可自由控制的针尖阵列，其中每个针尖为隔离的电通路。
3.如权利要求1或2所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述接触线(2)采用带有屏蔽罩的架空接触线。
4.如权利要求3所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述列车(3)还包括安装于电能传输装置和接触线(2)连接处的监控装置及电弧检验装置。
5.如权利要求4所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述监控装置包括均与控制系统通信连接的距离传感器、高速相机及测风仪，所述距离传感器设置在电能传输装置上侧，所述高速相机设置在电能传输装置一侧，所述测风仪设置在针尖阵列电极的四周且处于接触线(2)的屏蔽罩中。
6.如权利要求4所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述电弧检验装置包括弧光检测器、电压传感器及电流传感器，所述弧光检测器设置在电能传输装置的四周且处于接触线(2)的屏蔽罩中，所述电压传感器和电流传感器安装于列车(3)顶部，对电能传输装置与接触线(2)之间的电压与电流信号进行监测。
7.如权利要求4所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述监控装置还包括安装于电能传输装置和接触线(2)接触部位的紧急起弧装置。
8.如权利要求4至7任一所述的长寿命电能传输系统，其特征在于，所述电能传输装置的运行方向前端设置有稳流器。
9.一种长寿命电能传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始化应用权利要求1-8任一所述电能传输系统的高速列车运行系统；
S2：通过控制装置驱动升降弓机械臂缓慢升起电能传输装置，通过距离传感器判断针尖与接触线(2)的距离关系，使针尖阵列电极上的针尖与接触线(2)接触；
S3：通过电压传感器、电流传感器检测针尖与接触线(2)是否良好接触，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S2；
S4：使用升降弓机械臂缓慢降弓，使电能传输装置上的针尖到达预设的固定位置，拉出稳定电弧；
S5：重复操作步骤S2～S4，使得每个针尖均产生稳定的电弧；
S6：使用监控装置采集电弧实时变化信息以及环境信息，实时反馈至控制系统，并根据变化情况，操作升降弓机械臂实时调整电弧长度；
S7：通过电压传感器、电流传感器和高速相机判断电弧是否发生意外熄灭，若是则通过紧急起弧装置重燃电弧，并进入步骤S8，否则直接进入步骤S8；
S8：若接收到熄弧命令，则通过控制装置控制升降弓机械臂缓慢升弓使得电能传输装置与接触线完全接触进行熄弧；
S9：通过弧光检测器和电压、电流传感器检测每通道电弧是否完全熄灭，若是则结束运行，否则重复步骤S8进行熄弧。
10.如权利要求9所述的长寿命电能传输方法，其特征在于，所述步骤S9中通过电压传感器、电流传感器和弧光检测器检测电弧是否完全熄灭具体为：
通过电压、电流信号的大小以及电弧弧光强度进行判断，当电信号中电压与电流的比值小于1，且弧光检测器未检测到实时弧光强度信号时，则输出完全熄弧，否则输出未完全熄弧。
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