接触网新技术应用探究

接触网新技术应用探究
Exploration on the Application of New Technology of Contact Network
摘要
近年来，随着社会及经济的发展，必然对铁路交通提出更高的要求，这是被证明了的客观规律。

20世纪60年代，日本建成了世界上第一条电气化铁路——东京至大阪的新干线，创造了良好的社会及经济效益。

此后，高速铁路的修建引起世界各国的关注。

伴随着高路铁路的兴起，接触网技术越来越显得重要。

本论文主要讲述现有高速铁路接触网技术传统项目检测原理，包括接触网拉出值的检测，导线高度的检测，离线检测，线岔检测，接触压力检测以及定位管坡度的检测等等，依此分析高速铁路接触网接触式检测和非接触式检测技术的优劣。

此外，在原有的基础上，深入的探究导线高度检测的方法手段以及当代科技手段应用于接触网检测技术的分析比较。

最后，为提高精确性，对这些检测技术浅析改进与补偿。

【关键词】：接触网检测导线高度补偿接触式非接触式
Abstract
In recent years, with the development of society and economy, we are bound to put forward higher requirements for railway transportation, which is the objective law proved.In nineteen sixties, Japan built the world's first electric railway--the Shinkansen from Tokyo to Osaka, creating a good social and economic benefits.Since then, the construction of high-speed railway attracts the world.With the rise of high-speed railway, Contact network technology is becoming more and more important.
This paper focuses on the existing high-speed railway contact net technology detection principle of traditional projects, including the detection of catenary stagger, the height of conductor off-line detection, crossing detection, contact pressure detection and positioning pipe slope detection and so on.Besides,it analysis technique for the detection of contact measurement and non-contact,in which way to affect contact net of high-speed railway quality.In addition. In the original basis, in-depth analysis of the research methods and the height of conductor detection technology used in the OCS detection technology.
【Design key word】: Contact network inspection height of conductor compensate contact measurement and non-contact
目录
第1章绪论 (1)
1.1 高速铁路的发展状况及前景 (1)
1.2 接触网在高速铁路中的重要地位 (1)
1.3 接触网检测技术国内外研究发展现状 (2)
1.4 本文的内容简析 (2)
第2章接触网检测系统 (3)
2.1 检测系统简介 (3)
2.2 弓网结构关系 (4)
第3章现有检测技术 (6)
3.1 拉出值的检测 (6)
3.1.1 拉出值 (6)
3.1.2 检测方法 (6)
3.2 定位管坡度的检测 (7)
3.3 线岔的检测 (8)
3.4 离线检测 (9)
3.4.1 离线 (9)
3.4.2 离线特征 (9)
3.4.3 检测方法的选择 (9)
3.4.4 检测原理 (10)
3.5 悬挂硬点的检测 (11)
3.5.1 硬点 (11)
3.5.2 检测 (12)
3.6 接触压力的检测 (13)
3.6.1 接触压力 (13)
3.6.2 检测方法 (13)
3.6.3 隐患点查找 (14)
3.7 本章小结 (15)
第4章接触式检测和非接触式检测技术 (16)
4.1 接触式检测技术 (16)
4.2 非接触式检测技术 (16)
第5章接触网导线高度检测技术探究 (18)
5.1 接触线导线高度（导高） (18)
5.2 非接触式检测 (18)
5.3 接触式检测 (19)
5.4 检测技术探究 (19)
5.4.1 静态测量 (19)
5.4.2 动态测量 (20)
5.5 几种非接触式检测技术 (20)
5.5.1 基于激光的测量 (21)
5.5.2 基于图像处理的检测 (22)
5.5.3 基于超声波的检测 (23)
5.5.4 基于雷达的检测 (23)
5.6 本章小结 (24)
第6章接触网检测技术的改进与补偿 (25)
6.1 概述 (25)
6.2 接触式检测的改进 (25)
6.3 非接触式检测的改进 (25)
6.3.1 基于激光的检测技术的改进 (26)
6.3.2 基于图形处理的检测技术的改进 (26)
6.3.3 基于超声波检测技术的改进 (26)
6.3.4 基于雷达检测技术的改进 (27)
6.4 检测技术的补偿浅析 (27)
6.4.1 对列车高速运行时的误差补偿 (27)
6.4.2 传感器的温度或环境补偿 (28)
6.4.3 其他方法 (28)
第7章总结与展望 (29)
7.1 总结 (29)
7.2 展望 (29)
参考文献 (1)
附录外文文献翻译 (1)
A1.1 原文 (1)
A1.2 译文 (4)
第1章绪论
1.1 高速铁路的发展状况及前景
高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，可以使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。

相比于其他各种运输方式，高速铁路有输送能力大、速度快、安全性好、受气候影响小、方便能源消耗低、经济效益好等优势。

自1964年世界上第一条高速铁路投入运营以来，世界上许多国家都在大力建设以高速铁路为骨干的客运铁路运输网，至今已经经过了3次建设浪潮。

我国赶上了第三次浪潮，大力发展有自主知识产权的高速铁路系统，已经建成了京津城际、昌九城际、石太客运专线、胶济客运专线、沪宁高铁、武广客运专线、郑西高速铁路等一批高速铁路，运营里程达到了7531公里，居世界第一位，已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。

还有京沪高铁、石武客运专线等高速铁路在建或即将开始营运。

根据《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。

建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200公里及以上。

高速铁路必将成为未来中国客运运输的骨干。

1.2 接触网在高速铁路中的重要地位
从电气化铁路面世至今，接触网供电一直是最主要的电气化铁路的供电方式。

如果接触网发生故障或者处于较差的工作状态，将会对电气化铁路的运行带来巨大的影响，甚至造成铁路停运的严重后果。

随着电气化铁路的发展，为了保证电气化铁路获得可靠的电源，就必须对接触网进行监测。

而对于接触网各种参数的测量的方法也在不断的发展。

世界各国的高速铁路基本都是以电能为主要动力（极少数为内燃机车），接触网设置与一般电气化铁路类似。

但是由于高速铁路运营时速高，和轨道一样，高速铁路的接触网要求的精度比一般电气化铁路高出许多。

还是由于运营速度高，高速铁路如果出现事故就将是十分严重的，而大多数事故是由于铁路接触设施故障引起的，这就
对监测了解铁路接触设施情况提出了更高的要求。

接触网作为主要的供电设备，在高速铁路设备中占有举足轻重的位置。

1.3 接触网检测技术国内外研究发展现状
目前，接触网检测系统以意大利和德国研制的装置最具代表性。

从系统结构看，意大利和奥地利接触网检测设备比较接近，称为非接触式检测方式，主要强调接触网几何参数的测试；法国、日本和瑞士研制的接触网检测设备与德国比较接近，称为接触式检测方式，主要强调弓网动力学参数的测试。

意大利的接触网检测主要采用激光照射，伺服跟踪、图象处理技术，对非接触式检测的动态拉出值和导线高度测量较准；但不能测试接触网动力学参数，且因其图象处理计算量很大，也不能适应高速铁路接触网在线测试。

德国接触网检测侧重对接触压力和硬点的测量，优点是所获得的动力学参数较为准确，能够对弓网接触状况做出最直观的评判；而缺点则在于测试项目不全、杆位定位不准、压力测试设备在温度变化时需要频繁标定、通过压力传感器测试得到的拉出值在高速下误差较大、定位坡度和磨耗不能检测、数据报表和测试曲线表现形式不适合中国国情且价格昂贵。

日本的接触网检测，突出对弓网离线、接触线磨耗的测量。

早在上世纪九十年代，就研制出可在100 km/h运行速度下检测接触网导线高度、拉出值、定位器坡度、支柱号和跨距的检测车。

我国的接触网检测技术研究始于20世纪60年代，并在20世纪80年代，自行研制出主要用于检测接触线高度和拉出值等参数测量的接触网检测车。

作为突出代表的是西南交通大学研发的JJC系列接触网检测车，在实际运用中取得了较好的效果。

优点是其对动态拉出值和导线高度的非接触式检测比较准确、压力和硬点检测比较准确、定位准确、数据报表和测试曲线表现形式适合中国国情、价格低;缺点则在于轨道静态检测不准确、定位坡度定量检测和磨耗检测误差比较大。

1.4 本文的内容简析
本文的主要工作是总结现有的各种接触网检测技术方法，理解其检测原理，同时，通过各种方面比较这些检测方法，对这些方法进行评估，从中选择合适的检测方法，最后，对几种特殊的检测技术进行探究分析，得出更加精确的检测，并结合国外的技术对接触网技术的发展做出展望总结。

第2章接触网检测系统
2.1 检测系统简介
随着客运专线和城际高速铁路的大量建成与投入运营，我国铁路网日趋完善，交通运输能力显著提高。

高速铁路的牵引供电系统主要包括接触网和牵引变电所两部分。

接触网是与高速电气化铁路安全运营直接相关的架空设备，它的任务是保证对电力机车可靠地不间断地提供电能。

由于接触网工作环境恶劣(铁路沿线环境复杂且沿线架设无备用)，使其成为整个牵引供电系统中最为薄弱的环节，它的性能直接决定了电力机车受电弓的受流质量，影响列车的运行及安全。

因此，为了保证受电弓与接触线良好接触且可靠受流，不仅要严格要求接触悬挂的设计、施工及运营，而且要不断研究高速铁路接触网检测技术，以便及时发现隐患，克服接触悬挂在某些环节存在的问题，保证接触悬挂处于良好的工作状态。

因此，动车组接触网动态参数检测系统研究对提高牵引供电系统的安全性和可靠性，满足高速电气化铁路工程运营和发展需要，实现高速电气化铁路现代化管理，具有重要的现实意义。

评价接触网受流性能优劣的参数可以分为几何参数与动力学参数两种，几何参数主要有:接触线高度、拉出值、接触线磨耗、定位管坡度、线岔、支柱位置等;动力学参数主要有:悬挂硬点、接触压力、离线状态等。

目前，对接触网相关技术参数进行检测主要靠安装有由传感器、处理机等设备组成的接触网检测系统的工程车实现。

通常，此系统可按功能分为如下几个部分:前端信号检测系统，信号隔离与传递系统，接口系统，数据采集、析取与传递系统，数据显示、处理与记录系统。

检测系统功能简图如图2-l所示。

图2-1 检测系统功能简图
其中，前端信号检测系统由一系列的传感器或智能仪表组成，用于获得包含有待测相关技术参数的原始数据；信号隔离与传递系统由屏蔽设备、隔离超变压器、光电转换设备等组成，用于隔离高一低压端电气设备，以尽量避免由输电线路引起的电磁干扰的不利影响;接口系统由多种线缆、接头、转换设备组成，用于系统各硬件设备
之间数据传输，完成系统间信息交换;数据采集、析取与传递系统，用于接收原始检测数据，并进行数据预处理以便为上位机提供待检参数的粗略值;数据显示、处理与记录系统由工控机等设备组成，用于对所检测数据做进一步处理，提供人机交互接口，生成可供理解、分析、保存的文件。

2.2 弓网结构关系
弓网结构关系如图2-2和图2-3所示，其中，图2-2是沿火车行进方向的纵向视图，图2-3是侧向视图。

图中标识的数据来自于某铁路局检测车的真实数据。

单向向上的箭头表示距离轨道平面的高度。

机车在运行时，接触线与受电弓之间是滑动接触的，为了使受电弓的磨擦更加均匀，接触线一般被设计成“之”字型，所以，从机车的纵向来看接触线是左右摆动的。

又因为机车运行时会产生自然的振动，所以受电弓也会以波动方式与接触线接触，从而接触线也会做上下的波动，图2-2所示的虚线框为接触线系统合理的移动范围。

图2-2高速铁路接触网纵向视图
接触线悬挂在承力索之上，用来为机车提供电能，接触线的悬挂方式有很多种，图2-3所示为一种方法，也是最原始的方法，现在的悬挂方法要复杂的多，悬挂方式的改进主要是提供受电弓与接触线之间的更良好的跟随特性，另外，在某些比较恶劣的环境下，通过悬挂方式的改变，可以增加接触线的牢固性。

图2-3高速铁路接触网横向视图
受电弓是安装在机车顶部的一个受电装置，它与接触线呈交叉式接触，主要负责从接触线上获得电能，它通过一个弹性缓冲结构与机车顶部相连，这种弹性结构保证了受电弓对接触线良好的跟随特性。

另外，受电弓是可升降的，在机车停止时落下，运行时升起。

第3章现有检测技术
3.1 拉出值的检测
3.1.1 拉出值
在电气化铁路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触线在线路的直线区段被布置成之字形，在曲线区段被布置成折线的形式，而且此折线一般与受电弓中心的行迹相割或相切。

这种折线在定位点处接触线距受电弓中心线行迹的距离称为拉出值（或称伸出值）。

在直线区段上，接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离，称为之字值。

为简便起见，统称为接触线拉出值（或称为偏拉）。

显然，接触线拉出值如果设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗和延长受电弓寿命的目的。

如果拉出值设置得太大，在某些情况下，如遇到最大风时，接触线在某些部位就会超出受电弓的有效工作长度，而造成刮弓或钻弓事故。

同时，在接触网架设以后，有时也会因为金具零件的松动、气温的变化以及支柱倾斜等，使得接触线拉出值超出设计值（标准值），在某些偶然条件下，就会出现事故。

为了避免上述现象的发生，要经常检测接触线拉出值的大小及其变化。

3.1.2 检测方法
接触线拉出值检测的方法是在模拟受电弓滑板上安装电子接近检测器（电磁式、光电式或光纤式）实现的，如图所示。

图
3-1 接出值检测原理
接近检测器使用中接触线不与其直接接触，而是利用涡流的电磁感应（或光敏感应）原理实现位置检测，当在某一个电子接近检测器上方有接触线时，便产生感应电
流，同时产生电压输出信号。

这种接近检测器的特点是不受导线磨压，不受气象条件、昼夜及线路情况（有无隧道）等条件的限制，动作灵敏可靠。

为了确定导线的位置，在模拟弓上每隔10～20mm装一个检测器。

例如，当接触线在第9号检测器上面时，就会使第9号检测器产生一个信息，并根据编码器产生一个相应位置的代码送人微型计算机，并经变换处理打印一个确定的接触线距受电弓中心90mm或180mm的距离数值。

3.2 定位管坡度的检测
定位器是支持和确定接触线相对于线路中心线的横向位置的装置。

接触线拉出值就是靠定位器的支持（拉、压）来实现的。

为了避免在受电弓通过定位器时因抬起接触线造成受电弓滑板撞击定位器，其连接定位器的定位管是以1:10（或1:6）的坡度来安装的。

早期检测定位管安装坡度的方法是在距受电弓中心一定距离的地方（一般为550～600mm）安装触针式检测器，以检测定位管在动态状态下的坡度（固有）。

触针式检测器实际上是一个带有触针的微型接触器。

当某一触针接触到定位管时，微型接触器动作，同时，可以测得从受电弓中心到接触线的距离，进而计算出接触线到相应触针的距离；根据触针长度就可以算出定位管安装的坡度。

触针式检测器存在两个问题：其一，在运行中定位管打到触针的位置不同，如打到5mm的位置或10mm的位置，甚至30mm的位置时，其输出结果是相同的，所以，这只是一种定性的检测，无法检测定位管坡度的精确数值。

其二，触针不能适应在高速下检测，如触针刚度过高，会被定位管打断；如触针柔性过大，会被定位管打弯，就会失去效用。

目前是采用激光技术检测定位管坡度，被采用的激光器是一种可调制检测距离的激光器，它的检测距离可设定为50～500mm，在此距离范围，当遇到定位管时，可以确定出激光检测器距定位管的实际距离d值，如图3-2所示。

图3-2 电激光检测定位管坡度示意图
1—定位管2—支持器3—激兆检测器
同时，根据对拉出值的检测，又可以知道该点的拉出值，因而，可以计算出定位管的坡度值，其算式为
a-b e-d
arctan
=
θ（3-2-1）θ——定位管的坡度角度；
d——激光检测器测得距定位管的实际距离（mm）；
e——定位线夹或支持器的高度（mm）；
b——激光检测器距受电弓中心的安装距离（mm）；
a——该定位点被检测出的实际拉出值（mm）。

3.3 线岔的检测
在道岔处，出现两组甚至两组以上的接触悬挂的交叉。

在悬挂交叉过程中，受电弓在通过道岔时，当由一股道向岔尖方向通过时，必须先接触另一组悬挂。

在刚接触另一组悬挂时，往往会因为两组悬挂交角太小或其他原因，在一组悬挂被抬高后，另一组悬挂不能相应抬高，而造成钻弓。

所以，必须经常检测线岔处受电弓对另一组接触线的始触状态（在始触点处两组接触线是否等高）。

检测的目的是防止钻弓。

检测方法是在受电弓两端肩部各安装2～3个检测器。

如果为了提高检测精度，可以在受电弓两肩部划分较多的区域，即安装数量较多的检测器。

当在受电弓通过始触区时，若
第一个检测器出现信号时，说明在极限范围内，当第三个检测器动作时，说明超过标准，必须立即调整。

3.4 离线检测
3.4.1 离线
离线是指在电力机车运行中，其受电弓与接触线的机械脱开。

电力机车上的受电弓和接触悬挂都是具有一定弹性的电气设备及供电装置。

由于接触悬挂沿跨距的悬挂弹性不均匀，如接触线的接头线夹、定位线夹、中心锚结线夹以及分段绝缘器等处都会造成硬点发生离线。

另外，从受电弓方面看，在机车运行达到一定速度时，受电弓自身就要产生垂直方向的加速度，从而引起接触悬挂的振动，由此使得二者的良好接触遭到破坏，使受电弓在运行状态中不能很好地与接触线接触，造成弓线脱离。

离线是一种不正常的运行情况。

这种机械性脱离就意味着断电，因而伴随着火花电弧的产生。

这种现象除对沿线通信线路产生干扰外，还会加剧受电弓滑板与接触线的磨耗，严重时甚至会中断接触线对电力机车的供电。

离线的原因是多方面的，但是起决定性影响的是受电弓和接触悬挂的质量，故离线就成了衡量受流质量、受电弓及接触悬挂质量的重要指标。

离线检测装置就是获得这项指标的测量设备。

3.4.2 离线特征
所有测量设备方案都是根据被测对象的特征来决定的。

但是，每种被测对象一般都同时具有多种特征，到底利用哪种特征，就必须根据特征是否鲜明、获取是否容易、测量是否准确、元件是否具备等诸项因素综合考虑。

测量离线时是这样，测量其他项目的时候也是如此。

发生离线时有如下特征：
①机车受电弓在牵引状态下离线时会产生电弧，发生强烈的紫外线光；
②离线时伴有高频电磁波产生；
③测量用受电弓（不受流的受电弓）离线时产生火花，火花电流变化陡峭；
④测量用受电弓离线时，受电弓与接触线间的电阻变大。

3.4.3 检测方法的选择
利用上述四种特征都可检测出离线信号，但分析以上四种特征，选择哪一种作为离线检测的依据好呢？这里有一个条件和准确度的问题。

在利用第一种特征作为测量的依据时，就必须把测量设备安装在机车上，而接触
网其他参数的测量设备是安装在试验车上的，这就不便于同时集中记录各项参数。

若采用第二种特征作为测量的条件时，就必须试制出选择性极高、防干扰能力特强的接收装置，要实现这一点，一是难度较高，二是效果不一定好。

利用第三种特征作为测量的依据时，则存在一个严重的问题，就是当机车在惰行（即不受流）时即使不离线也有高频火花产生。

利用火花电流变化陡峭的第三种特征制造的装置，不能有效地防止来自机车的干扰，且在接触网无电时又不能测量。

因此，这里介绍的我图研制的JLY －1型离线检测装置是利用第四种特征，即利用离线时受电弓与接触线间的电阻变大的基本原理，来实现离线的测量。

但是，在利用此特征时考虑到人身和设备的安全，采用了高压电容将设备和接触网隔离。

3.4.4 检测原理
当受电弓与接触线接触时，它们之间的电阻就是接触电阻，这时的接触电阻接近于零，其过程也可用下述方法简略表示：离线瞬间电压不变，电阻变为无穷大。

随着接触网电压的变化，受电弓与接触网间产生电位差击穿空气间隙，产生火花，此后电阻逐渐下降到一定数值，如图中t0、t1、t2时的u0、u1、u2所示，并通过火花路径向电容器充电（或放电），使两者间的电压接近，达到新的平衡。

电容器上瞬间电压保持的时间（t0～t1）由受电弓和接触线的离线距离及接触网电压上升（或下降）的速度（额定电压和频率）决定。

电容器充（放）电的时间（火花的维持时间）由受电弓和电容器回路中的时间常数决定。

上述即为受电弓串接电容C G时，在离线中火花电阻变化的全过程。

若能准确可靠地记录这一短暂的过程，就可实现测量离线的目的。

下图是离线测量回路，其中图（a）是在受电弓与电容器串联的回路中加人一个信号源u s和检测装置J，这就构成了所谓的串联测量回路。

当受电弓与接触线接触时，J中流过的电流大，一旦离线时J中流过的电流小。

图中C D为接触网对地实际存在的均布电容，其值与接触线、承力索相对地面的距离以及它们之间的相互位置有关。

信号源u s为测量回路提供电流源i s，在考虑电流i s流动过程的同时，还必须注意到离线时高频火花电流的流动过程。

离线时，因回路电阻变大，信号u s的电流变小。

照理，检测装置J中测到的信号应该变小，但由于离线产生的高频火花电流十分强烈，它通过C G流人J中，反而使电流变大。

要想区分这两种信号，一是增大u s信号源的功率，二是检测装置J要采用严格的选频环节，这就为实现检测回路带来了困难。

如果把上面的串联电路改为如图（b）所示的并联电路，就可使两种信号在时间上的矛盾统一起来。

图（c）为图（b）的等值电路，由此可以知道，当受电弓与接触线接触时，由C G一受电弓一C D构成的支路与检测装置J并联。

由于此支路的u s的阻抗很小，就旁路了流人J中的电流，使J中的电流很小。

在离线时，C G一受电弓一C D支路中的阻抗变大，u s产生的电流大部分流入J中，且此时产生的高频火花电流（亦可看成是一个信号源u s’）也通过C G、J和C D构成的回路，使J中电流增大，明显地区别了“按触”和“离线”两种不同的状态。

3.5 悬挂硬点的检测
3.5.1 硬点
接触悬挂的硬点，是接触悬挂不均质状态的统称。

接触悬挂的一个重要指标就是弹性均匀。

如果在接触悬挂或接触线上的某些部分，如在跨距两端的定位点处弹性变差或有附加重量时，在列车高速运行的情况下，这些部分都会出现不正常升高（或降低），甚至出现撞弓、碰弓现象，也就是说在这些部位会出现力、位置、速度或加速度的突然变化。

形成这种客观现象的本征状态，称为硬点。

所以，硬点是一种结构的。