电力机车受电弓实时动态车载监控系统

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摘要：电力机车受电弓实时动态车载监控系统可防止受电弓升弓控制管路风压不足造成机车的烧网故障以及提供故障发生后的及时分析、处理、落责的依据，并通过不断从运行实践中积累的经验、数据，在理论分析弓网配合关系的基础上，为改善和提高弓网稳定运行的条件和方法提供理论依据。

关键词：电力机车 受电弓 动态 车载监控

电力机车在运行中通过车顶电网供电，机车从电网上受电的装置称为机车受电弓。电力机车依靠“弓网作用”滑动取流，其工作过程承受滑动、摩擦、热、电和化学等综合因素，是一个比较复杂的过程。中国电气化铁路目前仍存在着弓网事故多，停电时间长等问题，据有关资料统计，我国电气化铁路停电、停运事故中弓网事故占事故的80%左右，特别是随着铁路向重载、高速、和信息化方向的发展，如何防止弓网事故显得尤为重要。

1、弓网故障因素

1.1 接触网因素

1.1.1 地理环境因素

接触网是露天架设无备用设备，受地理、地域、自然环境的影响特别大，突出表现在温度、风力、工业污染等方面。

1.1.2 接触网工艺

接触网勘察设计的开始，就决定了接触网质量的先天性，设计不合理，甚至错误，往往会造成接触网的“硬伤”运行，并给检修带来难以消除的隐患，随着不良状态的持续积累，在一定条件下就可能形成弓网故障的直接原因。

1.1.3 线岔

线岔的作用是在转辙的地方，当一组交叉悬挂的接触线被受电弓抬高时，另一组悬挂的接触线也能同时被抬高，从而使它与另一组接触线产生高差。线岔容易引起钻弓和刮弓事故。

1.1.4 接触网硬点

硬点是接触悬挂中一种有害的物理现象，是对接触悬挂中由于质量（质量分布不均）或弹性突变（弹性不均）可能改变机车受电弓运行状态的处所的统称，是一种不可消除的客观存在。当机车受电弓高速通过接触网硬点时，由于受电弓与硬点在线路方向上是正面冲击，相对速度较高，当冲击发生时，轻则影响机车取流，重则会打坏机车受电弓，造成弓网事故，严重影响安全运输。

1.2 受电弓因素

（1）滑板条磨耗。滑板条磨耗过快是电气化区段运营初期的正常现象，其磨耗分为：机械磨耗和电器磨耗。

（2）弓网拉弧。弓网之间要求始终有一定的接触压力以保证机车受流状况良好，当接触压力过小甚至为零时，受电弓滑板会脱离接触网而发生离线。虽然中、小离线不会对机车造成行车影响，但在离线瞬间产生的火花或电弧，会增加接触导线和受电弓滑板的电磨损，缩短其使用寿命。大离线则十分有害，甚至使机车的运行和安全受到影响。

（3）滑板偏磨。滑板偏磨也是影响滑板寿命的重要原因之一。滑板偏磨使滑板磨透，不能正常与接触网接触，甚至使滑板形成沟壑卡滞接触线从而造成刮弓。

（4）刮弓。刮弓是接触网和受电弓的重大故障。有时运输指挥部门错误也会导致刮弓，如果车站错给信号将电力机车放入无电线路，机车乘务员发现不及时，没采取降弓措施就容易形成刮弓。

（5）瓷瓶。电力机车受电弓支持瓷瓶是目前牵引供电系统中最薄弱的环节，一旦瓷瓶发生问题，往往造成很大损失。瓷瓶常见故障有破裂闪络造成电网直接接地、机车车顶瓷瓶发生接地故障直接造成机车故障。

（6）受电弓部件损坏。机车高速运行时，受电弓受力复杂，加上恶劣的工作环境，使受电弓的部件容易发生各类为题，如不及时发现处理将造成隐患。

1.3 其它因素

由于接触网、受电弓处于露天架设，且工作环境恶劣等，其自然灾害、人为损坏等不可控因素，也是造成弓网故障的一个原因。

2、受电弓实时动态车载监控系统目标

根据受电弓故障原因的分析和对现有受电弓检测系统的分析比较，我们提出实时动态车载监控系统，该系统的设计目标如下：

（1）检测范围：受电弓工作状态，车顶图像，包括接触网状态，能有效检测机车受电弓滑板条丢失、受电弓倾斜、受电弓无法升起等故障；（2）实时图像监控：支持2路D1分辨率图像实时监控，录像存储、检索；（3）高分辨率抓拍：为滑板磨损和变形分析提供可靠数据；（4）3G传输：提供远程监控和告警信息传送；（5）GPS定位：为故障修复和救援提供支持；（6）全天候设计：高性能LED补光，确保图像质量；（7）抗恶劣环境：支持IP67以上防护设计、抗电磁干扰和防震设计；（8）良好的扩展性：预留外部数据和告警信息输入。

3、系统设计

电力机车受电弓实时动态车载监控系统由6个子系统组成，包括摄像、电源、照明、传输、监控主机以及本地显示系统。

3.1 摄像系统

摄像系统由彩色低照度工业摄像机和全天候防护罩及支架构成。摄像系统主要完成对电力机车受电弓和车顶图像的实时采集和高分辨率图像抓拍。

在电气化铁道安装摄像机进行监控，重点是强电磁场干扰和恶劣环境问题。摄像机在室外车顶架设，其工作环境较为恶劣，环境工作温度-30摄氏度～60摄氏度，灰尘雨水较大，摄像机距离接触网不足3M，受到强电磁场的干扰。因此，在摄像机和护罩等配置需充分考虑下述因素。

（1）摄像机要求：支持自动光圈镜头；自动白平衡；自动背光补偿；最低照度不大于0.001LUX。

（2）护罩和支架要求：支持IP67以上防护要求；抗电磁干扰；防护罩内置可调节的摄像机安装板；自动温控：控制风扇和加热器的开启和关闭；支架采用钢质重型支架，用于固定整个摄像机。

（3）摄像系统安装：摄像机的安装需根据火车的结构以及受电弓位置来决定，根据韶山系列电力机车的勘察，火车车顶距离上方接触电网的距离约为2.6米，受电弓受电长度约为1.3米，为了使监控画面比较直观，实际监控区域需在受电弓受电长度上略微增加，约为2米的范围区域。

摄像机固定在距离受电弓2米左右的前端车顶上，这块区域大致位于司机室正上方，此处在进行车体检修时不会被拆离，故安装摄像设备不存在后期隐患。

摄像机安装时，与水平线保持40度左右的角度，并且摄像机镜头开角需要大于20度。

以同样的方式在火车尾部的受电弓安装摄像机。

3.2 电源系统

电源系统负责摄像机、监控主机和灯光系统的供电。

电源系统可通过从机车内电源引出DC110V，接上稳压装置将输入的DC110V直流电转换成稳定可调的DC6～24V直流电输出，为整个实时监控系统提供电源。

3.3 照明系统

照明系统主要由LED红外补光灯及可控开关构成，主要负责在光线不足的情况下对摄像系统进行补光。

（1）照明范围设计：根据韶山系列机车受电弓位置情况，LED红外补光灯照明范围需要大于摄像机所捕捉图像的范围，即光照范围大于2M。

（2）LED功率设计：根据受电弓顶端补光后最低照度需达到10～15LUX，因此LED红外补光灯功率设计为10W～15W。

（3）LED红外补光工艺：根据LED的光照范围和功率，LED红外补光系统采用小开角设计工艺，外置安装，制造工艺为COB方式，由于COB方式会造成集中发热的问题，需要在LED红外补光灯后加装散热设备避免LED本身损坏、达到延长寿命的目的。

（4）照明系统安装：外置安装，LED红外补光灯安装在摄像机旁，固定角度与水平线保持40度左右，并且LED红外补光灯灯头开角角度在20度～25度之间。

（5）照明系统防护：LED红外补光灯光源部分采用IP66以上防护等级设计，护罩采用IP67以上防护等级设计，LED红外补光灯不受电磁场干扰影响。

3.4 监控主机

监控主机是检测系统的核心，主要负责图像的编码、存储，同时提供高分辨率抓拍、GPS定位和3G无线传输。

（1）图像编码：系统支持4路D1（720X576）H.264编码；（2）高分辨率抓拍：支持1080P分辨率抓拍；（3）图像存储：D1（720X576）：每路图像1.5Mb/s存储到本地硬盘当中，1路视频1天存储视频大小大约为192×3600×24×1÷0.9=17.57G；（4）其他功能：GPS定位；支持电信或联通3G无线传输：传输图像为CIF（352X288）

3.5 本地显示系统

本地显示系统主要通过司机室的液晶监视器，直观地观察被监控区域的图像信息，必要时还可将某一路图像放大到全屏幕以便更细致的观察。

液晶监视器采用10规格，外加机壳固定，机壳上设置操作按键，可进行图像的检索和放大。

采用车顶穿孔的方式将同轴电缆引到车顶摄像机上（曝露在室外的部分需要包裹屏蔽层和保护套），并引线到司机室3G监控主机上，通过监控主机的录像功能对视频进行实时存储，方便以后调用取证。同时利用同轴电缆将液晶监视器与监控主机互联，司机室工作人员可以通过操作台板上的液晶监视器获取车头车尾受电弓的2路视频图像。

4、结语

随着电气化铁路的大规模开通，受电弓故障频发，事故隐患很多，执乘人员稍不注意，就会影响行车安全。该项目通过实时监测受电弓运行状态，一旦发生故障及时报警，提醒乘务人员及时采取措施，消灭事故隐患，保证行车安全，因此具有广阔的应用前景。

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