弓网智能化监测系统

1. 产品背景     

       轨道交通譬如高速铁路及城市地铁已经成为人们出行的主要交通工具，人群密集型出行为轨道交通行业的运营安全带去严重的挑战，其中，良好的接触网和受电弓之间的受流关系是重中之重。接触网和受电弓之间的压力过大会出现弓拉断网或网撞飞弓的事故，而压力过小则会出现受电弓受流不良及弓网间的拉弧等现象，因此，在列车行进过程中，受电弓和接触网之间必须存在合理的接触力，受电弓才能安全地把电流从接触网引入车体内的牵引变流系统中，从而为列车提供持续有效的动力。

 

2. 方案内容

       弓网智能化监测系统，主要分三层，第一层是数据采集层，由MEMS压力传感器和MEMS加速度传感器组成，分别安装在受电弓弓头碳滑板支撑部件上，其可采集压力信号和加速度信号；第二层是数据处理层，为高速光纤传感分析仪，把采集到的光波长信号转化成对应的物理量；第三层是数据分析层，主要设备为弓网关系诊断主机，实现评估列车运营时弓网工作状态、定位上/下行线路上接触网硬点的位置，并提供工况检测报表，为预防性维修提供依据。
 

图1：MEMS压力传感器和加速度传感器在弓头安装位置示意

 
3. 解决问题
       在受电弓弓头安装MEMS压力传感器和加速度传感器时，可以不用对各受电弓厂家所生产的受电弓的结构进行改装，且仅是借助受电弓弓头上预留的安装孔或现有的螺栓对传感器进行固定，安装简单和便捷，其安装方式适用于弹簧箱弓、板簧弓和拉簧弓。结合光纤传感分析仪和弓网光系诊断主机对传感器所采集到的数据进行处理，可以有效实时监测电客车在高速运营状态时受电弓的工作状态、接触网的工作状态，以及弓网之间的动态关系，即实时监测弓网接触压力、弓网间拉弧现象、接触网的硬点冲击、接触网的动态拉出值、碳滑板磨耗量和受电弓弓头平衡态。本系统为无源接触式探测，防高压、防电磁干扰，完全胜任传统电子类传感器所不能测量的领域。
 
图2：弓网智能化监测系统所解决问题示意
 
4. 比较优势
       从产品功能看，本方案聚焦弓网接触力、弓网硬点等弓网实时耦合作用关系，填补了传统弓网监测系统的检测盲区和功能空白。对接触网拉出值等线路状态也有一定的故障检测能力；从易维护性看，MEMS光纤传感器、车载诊断系统全部为我国自主研发生产，且基于无源的MEMS光纤传感器寿命长，物理、安全特性完全能够满足车辆全寿命周期监测要求；从监测数据看，传统弓网监测技术针对弓网关系、受电弓自身健康状态的监测能力有限，不能精确反应弓网关系、受电弓自身运行参数。而智能受电弓通过植入的MEMS光纤传感器，获得了精确的“触觉”感知能力，能够实时、有效反应弓网关系与受电弓健康状态，相比目前所有已知检测手段其精度都更高。光纤式弓网监测智能化系统具有如下主要优势：

              + 全光探测，不受电弧损伤和电磁干扰；

              + 高采样率、高分辨率、高稳定性和高可靠性；

              + 稳定的长期测量，无零点漂移，无需重新校准；

              + 系统设备数量少、集成度高、通讯接口少、布置简单；

              + 及时报警和准确的定位，有利于运营部门快速准确地采取应对措施；

              + 提高设备维修的计划性，减少寻线排查事故点的人力和物力；

              + 防止断弓、拉网等重大事故的发生；

              + 低成本，系统性价比高，生命周期长，后期维护量小。

 

表1：弓网关系监测各类技术应用对比

  比较项点 接触式测量 非接触式测量
MEMS光纤传感器 FBG光纤光栅传感器 电子类传感器 相机系统
检测项 弓网硬点 可以，加速度传感器 不可以 可以，加速度传感器 不可以
弓网压力 可以，压力度传感器 可以，压力传感器 可以，压力传感器 不可以
接触网拉出值 可以，压力传感器和加速度传感器 不可以 可以，压力传感器和加速度传感器 可以，线阵相机，但受通视条件影响
弓网燃弧 可以，压力传感器和电磁传感器 不可以 不可以 可以，紫外相机
滑板磨耗及滑板前后偏磨 可以，压力传感器和加速度传感器 不可以 不可以 不可以
受电弓横向稳定性 可以 可以 可以 不可以
升弓降弓故障 可以  可以 可以 可以，可见光相机
 气囊压力故障 可以 不可以 可以 不可以
受电弓底部框架振动 可以 可以 可以 不可以
安装项

硬点测量用加速度传感器封装尺寸

 小，35mm立方外壳 大，50mm立方 大，＞50mm立方，且需要做绝缘处理 /
压力传感器封装 a.对于弹簧筒弓，可以嵌入弹簧筒内；
b.对于板簧弓，可以做成垫片		 都不可以 a.对于弹簧筒弓，不可以嵌入弹簧筒内；
b.对于板簧弓，可以做成支架，但是会导致受电弓超限，因此传感器体积会很大		 /
是否改变弓体结构 无需 无需 必须 无需
是否做绝缘处理 无源传感器，不做绝缘处理 无源传感器，不做绝缘处理 有源传感器，需做绝缘处理 相机被供电，需做绝缘处理
是否需要车顶空间 不需要，几乎不占用车顶空间 不需要，几乎不占用车顶空间 需要占用车顶很大空间，且车顶为传感器而设计的绝缘装置重达20kg 需要占用车顶很大空间，因为要放置照明装置，且在必要时为了能更好地安装各类相机，车顶要下沉和挖洞
总结 a.传感器探头为无源器件，不需要供电，因此抗电磁干扰，防雷击；
b.传感器尺寸小，可以方便嵌入和集成，且几乎不占用车顶空间；
c.不改变受电弓结构，借助现有安装孔即可以固定；
d.无源监测，不需要做绝缘处理；
e.信号纯净，无噪声，利于分析；
f.可以测高达2500Hz高频振动信号，传感器耐冲击，寿命长；
g.对线路上的接触线的空间分辨率高，以时速80km的电客车，可达8mm空间分辨率。		 a.传感器探头为无源器件，不需要供电，因此抗电磁干扰，防雷击；
b.传感器尺寸大；
c.不改变受电弓结构，但安装后可能会造成受电弓超限；
d.无源探测，不需要做绝缘处理；
e.信号纯净，无噪声，利于分析；
f.传感器不耐高频信号，作为加速度传感器至多响频到10Hz；
g.易折断和振断，不耐冲击，寿命短。		 a.传感器探头为有源器件，需要供电，因此在抗电磁干扰和雷击防护上需要做保护措施；
b.传感器尺寸大；
c.必须改变受电弓结构后，才能集成到受电弓上；
d.有源探测，需要做绝缘处理，且占用车顶有限的空间；
e.信号不一定纯净，有干扰和噪声；
f.不耐冲击，寿命短。		 a.进出隧道口，或对忽明忽暗的场景很难识别；
b.对四季背景巨大的线路识别比较难；
c.识别算法较为复杂；
d.改变了车顶结构，且占领面积大；
f.受电磁干扰大。

 

5. 成功应用

       弓网智能化监测系统由于其优良的性能和完善的功能，已经在全国各主要城市轨道交通的运营车辆上成功安装并且应用，如上海地铁、北京地铁、广州地铁、深圳地铁、郑州地铁、南昌地铁、哈尔滨地铁等。图3展示了某城市地铁受电弓上所安装的由我司生产的MEMS加速度传感器和MEMS压力传感器。

 

图3：MEMS加速度传感器和压力传感器在弓头上的安装

 

 

 

 

 

 

 

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