高速列车弓网受流系统放电实验平台设计

为掌握外环境下高速列车的运行特点,开展弓网电弧变化特性研究,该文设计并研制了高速列车弓网受流系统放电实验平台,其风洞系统由风洞结构、风扇转子系统、风洞控制系统、弓网电弧发生系统、观测系统组成。测试结果表明:低速直流风洞风速可达50 m/s,湍流度低于1%,速度不均匀性小于1%,流场稳定性不超过1%,气流偏角不超过0.5°,满足《低速风洞和高速风洞流场品质要求》(GJB 1179A—2012)中所规定的参数指标。该系统为探究强气流场环境下弓网电弧物理特性的变化规律提供了良好的实验环境,可为高速运行环境下列车弓网电弧研究提供参考数据。

刚性架空接触网弓网动态检测探讨

刚性架空接触网设备安装精度要求高,且基本设置在环境相对复杂的隧道内。为确保设备良好工作状态,本文通过对刚性架空接触网检测依据、项目进行分析,对实际检测数据进行对比,提出了有效的刚性架空接触网检测方法,为后期隧道内刚性架空接触网相关设计提供参考。

基于COMSOL的城轨弓网电弧多物理场仿真研究

弓网电弧产生的高温是烧蚀弓网系统材料的主要原因,研究弓网电弧发生机制,掌握弓网电弧温度分布规律,有助于减少电弧对弓网系统材料的烧蚀损伤,增加弓网系统服役寿命.文中基于磁流体动力学理论,根据弓网电弧数学模型设置相关初始条件,采用有限元软件COMSOL对弓网电弧数学模型进行求解,分析弓网电弧温度分布及电弧两极表面的温度分布,并探究弓网电弧持续时间与弓网电弧温度的关系.结果表明,弓网电弧中心区域温度最高,接触线表面温度远远超过接触线材料的熔点;弓网电弧持续时间与弓网电弧温度呈正相关.

环境湿度对浸金属碳滑板磨损及温升的影响

为探究环境湿度对弓网摩擦副载流滑动过程中电弧放电能量、浸金属碳滑板温升及滑板磨损量的影响,采用环-块式高速载流摩擦磨损试验台,对比不同湿度条件下,电弧能量、滑板温升及滑板磨损量随滑动速度、电流强度、法向力的变化情况。试验结果表明:不同环境湿度下,滑动速度和电流强度的增大均会导致电弧能量及滑板温升急剧增大;电弧热是导致温升的主要热源;增大法向力对于抑制电弧放电、降低滑板温升均有显著效果,而对于滑板磨损量变化的影响,不同湿度情况则截然相反;高湿度环境下接触副附着的水膜改善了接触状况和散热情况,电弧能量及滑板温升都小于低湿度环境;低湿度环境下滑板表面受到更严重的机械摩擦,其表面状态相比高湿度更差;在平均湿度较高的夏季适当增加升弓压力,在平均湿度较低的冬季适当降低列车行驶速度可以减少浸金属碳滑板磨损。

弓网系统燃弧检测技术及评价方法研究概述

受电弓-接触网系统是电气化铁路的重要组成部分,也是电气化列车获取电能的唯一途径。弓网燃弧作为弓网系统受流质量评价的重要指标,有着检测便捷、评估直观的优势,由此衍生出多种燃弧检测方法。针对当前的不同燃弧检测方法,将其归纳为直接检测与间接检测2类。直接检测主要指基于电流、电压等电气参数的燃弧直接测量,间接检测主要包含基于声学、光学和电磁辐射等特性的远距离测量。针对以上的不同检测方法,详细论述了其应用场景、检测基本原理及相应的评判方法。在此基础上,综合分析了不同检测方法的优劣,并结合燃弧检测的相关标准,讨论了标准中有待改进和完善的地方以及燃弧检测后续研究的主要方向与发展趋势。

基于目标检测和三维重建的弓网燃弧检测方法

[目的]为提高弓网燃弧检测准确率,针对背景噪声和亮度变化的鲁棒性较弱,以及受到隧道光源、日光、接触线反光及其他异物干扰等问题,提出了一种基于目标检测和三维重建的弓网燃弧检测方法。[方法]首先,采用双目相机的图像获取模块对受电弓和接触网进行拍摄,获取微秒级实时同步的两幅受电弓与接触网图像;其次,将经过预处理后的图像送入第一检测模块,即进行受电弓与接触网的接触区域以及受电弓与接触网接触点的目标检测;再次,将图像送入燃弧第二检测模块,实现双目图像中的燃弧目标检测;最后,对检测出双目图像中的燃弧进行三维重建,得到燃弧空间三维坐标,用于计算燃弧和受电弓与接触网的接触点的距离,并根据距离滤除错误结果。通过构建YOLOv5-3DR算法模型,对所研制双目立体视觉模块进行试验验证。[结果及结论]所提出的检测方法对复杂应用场景有更好的适应力,能够精准识别燃弧。采用所提出的方法能够极大提高弓网燃弧检测准确率。

基于改进YOLOv8模型的弓网燃弧视觉检测

针对燃弧视觉检测中遮挡下目标尺寸过小的问题,设计了一种基于BiFormer注意力机制的非接触式弓网燃弧视觉检测算法,增强了识别燃弧小目标的表征学习能力。首先,基于目标检测,引入了经典目标检测算法YOLOv8,搭建了一种用于检测弓网燃弧的视觉检测平台;其次,为了提高计算效率,将BiFormer注意力机制引入到YOLOv8模型中,并将Focal-EIoU应用到损失函数中,以增强系统对燃弧小目标的检测能力,提升对燃弧特征的判别性能;最后,在不同地铁工况下对该方法的有效性进行了实验验证。

干扰风作用下弓网电弧稳定性及影响因素研究

弓网受流是高速列车获取电能的唯一途径。随着电气化铁路运营速度的不断提升,受电弓与接触网间电气与机械的耦合损伤加剧,限制了列车速度的进一步提升。电弧具有优异的导电性、导热性,利用电弧作为中间媒介进行大功率能量传输具有可行性,电弧传能技术具有广阔的发展前景。实际应用过程中,弓网电弧处于开放大气环境,干扰气流无法避免,电弧稳定性下降,成为电弧传能技术应用的关键难点。搭建弓网电弧实验平台,系统研究干扰风作用下的电弧稳定性及其影响因素。研究发现:随着电压的提升,纯碳材料电子发射方式由热发射向热场致协同发射转变,电弧维持能力由非线性增长向线性增长转变;电弧电流的增大可显著提高电弧维持能力,但也使得电弧电压波动范围减小;不同间隙、不同电流大小条件下,电弧运动模式存在“弧根随机跳跃型-弧根规则跳跃型-钟罩型”的转变。研究结果可丰富特殊环境下的空气电弧理论,并为未来高速铁路的柔性电弧传能技术奠定基础。

速度350 km/h高速铁路接触网设备服役性能试验研究

对某350 km/h速度等级高速铁路接触网几何参数动态性能、运营动车组受电弓静态压力和弓网燃弧性能进行长期跟踪测试,对比不同运营速度下弓网燃弧次数、弓网动态接触力,接触网动态抬升量、接触网零部件承受的载荷和滑板磨耗变化规律,对接触线磨耗进行分析,预测了接触线寿命,最后对接触网零部件进行试验台试验,检验了零部件使用寿命。通过以上试验和研究,比较充分地掌握了动车组350 km/h运营速度下接触网设备服役性能,为接触网设备养护维修提供了数据支撑。

高速铁路接触网弓网受流参数分析与整治

接触网设备的稳定性和可靠性,是高速铁路动车组高效、安全运行的重要保障。针对高速铁路接触网高速运行检测中的弓网接触力、燃弧等弓网受流参数缺陷进行分析,并结合现场实际,提出相关整治方案。对于弓网接触力缺陷,提出锚段关节内整治、张力不匹配整治等方案;对于燃弧缺陷,提出单点燃弧整治、整锚段燃弧整治等方案,为接触网维修相关整治提出了合理建议。现场实际情况表明,以上整治方案效果良好,可确保供电设备安全稳定运行。

基于改进FasterRCNN的受电弓监控视频弓网燃弧检测研究

高速列车弓网系统的稳定运行对于列车电力输送有着十分重要的意义。为提高弓网系统燃弧检测的准确性,探究了一种基于改进FasterRCNN的受电弓监控视频弓网燃弧检测方法,用于提取受电弓视频中的燃弧区域;同时,融合了VGG16网络,以改善图像分类与定位的性能。在仿真测试中,模型成功检测386张,误检5张(其中被误检为无燃弧情况的2张),漏检12张。由仿真实验结果可知,检测准确率为99.2%,查准率为99.2%,查全率为99.5%,证明了所提算法的有效性,具备一定的实际应用价值。

高速铁路弓网离线在线识别及应对策略

电气化铁路车辆运行过程中,受电弓与接触网之间的短暂分离(即弓网离线)易引发过电流问题,产生安全隐患、影响铁路运营秩序。文章基于既有动车组牵引电传动系统,介绍其主电路结构及网侧整流器的控制方法,分析弓网离线对系统的影响,着重研究弓网离线后恢复接触时产生过电流问题的原因,提出弓网离线在线快速识别及应对策略。文章搭建了包含电弧模型的牵引电传动系统全数字实时仿真模型,首先通过与实测波形对比证明模型的准确性,然后基于该模型验证文中提出的弓网离线在线识别及应对策略。

弓网电弧辐射电场噪声实验研究

近年来随着电力机车运行速度的不断提高,弓网电弧电磁噪声越来越严重,已经成为电力机车安全运行的隐患。为研究弓网电弧的电磁噪声及其抑制方法,设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统。该系统由电波暗室、弓网电弧发生器、弓网电弧检测系统组成。以铜接触导线-浸金属碳滑板为研究对象,通过改变接触压力、接触电流和运行速度,开展了64组弓网电弧辐射电磁噪声实验。弓网电弧的辐射电磁噪声主要体现为电场噪声,主要分布在30-500MHz之间,特别是在30-60MHz、60-80MHz频段内干扰强度较大。增大回路电流,则弓网电弧电场噪声的分布变得更加密集、干扰水平增强。增大接触压力或滑动速度,则电场噪声分布先变稀疏后变密集。

弓网电弧实验系统与辐射噪声实验研究

近年来随着电力机车运行速度的不断提高,弓网电弧现象越来越严重,已成为电力机车安全运行的隐患。为深入研究弓网电弧的形成机理和抑制方法,设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统,该系统实现了屏蔽环境下弓网电弧的模拟。利用该系统,通过控制接触压力、电流和运行速度三个条件进行了弓网电弧辐射电磁噪声的测量实验。结果表明,弓网系统电磁噪声干扰频段主要在频率30~500MHz内,其中干扰强烈频段在30~60MHz内。电流越大,辐射噪声幅值越大,干扰频率带宽越宽。随着压力的逐渐增大,辐射噪声幅值先减小后增大,干扰频率带宽先变窄后变宽。

高速铁路弓网电弧试验系统

高速动车组通过弓网电接触获取电能。随着动车组运行速度的提高,受轨道不平顺、接触网波动以及受电弓弓头振动等因素的影响,弓网电接触状态恶化,使得弓网电弧频繁发生,弓网电弧对接触网导线、受电弓滑板侵蚀严重,影响受流质量,制约动车组速度进一步提升,因此有必要对弓网电弧进行系统研究。本文分析弓网滑动受流过程,研制一套弓网电弧试验系统。该系统能够模拟弓网柔性平直接触、滑板"Z"字形运动及垂向沉浮运动等弓网运动状态。并利用该系统对弓网接触电阻和电弧电气参数、形貌特征进行试验研究。

带载工况下降弓电弧磁流体建模分析

带负载降弓会造成大电流电弧严重烧蚀弓网系统材料,甚至导致接触线断裂等事故。为了分析降弓电弧动态特性,建立了降弓电弧二维轴对称磁流体动力学模型。采用固定电导率以及LTE-diffusion近似方法处理阴极鞘层和阳极鞘层,使用动网格方法模拟降弓过程,研究了降弓速度、电弧电流对电弧特性的影响。研究结果表明:降弓过程中接触线底部和受电弓滑板顶部存在高气压区域,降弓电弧最高气压约为800 Pa;加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭,减轻降弓对弓网材料的烧蚀;降弓速度对于降弓电弧电压的变化起主导作用。研究结果为进一步研究降弓电弧侵蚀接触线的热过程以及降弓电弧烧蚀防护奠定了基础。

基于电流信号特征的弓网电弧识别方法

弓网电弧已成为电力机车安全运行的隐患,及时识别弓网电弧对于评价受流质量、调控弓网电弧、指导线路检修具有重要意义。该文开展了不同条件的弓网系统受流特性实验,将系统受流分为正常受流和电弧受流两种状态。提出一种基于回路电流和支持向量机(SVM)的弓网电弧在线识别方法及其工程实现方案。采用改进的F-score算法选择回路电流的平均值、标准差和相关系数作为弓网电弧的典型特征,利用svmtrain函数创建SVM模型,利用网格搜索算法优化SVM的径向基核函数。实验表明,该方法能够有效识别弓网电弧。接触压力、滑动速度和接触电流以及燃弧时间、电流采样频率均会影响弓网电弧的识别准确率。燃弧时间对识别准确率的影响较大,相同条件下燃弧时间越长,识别准确率越高。

高速气流场下列车弓网电弧动态模型

随着弓网离线率和离线程度的增加,弓网离线电弧现象频繁发生,而弓网离线电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重危害了列车运行安全。因此基于横向吹弧和纵向吹弧理论,研究了高速气流场对弓网电弧耗散功率的影响。考虑弓网电弧的弧柱拉伸、压缩以及强气流吹弧的能量交换,得到弓网电弧在起弧阶段中,电弧单位长度的耗散功率P与车速vc之间为一次函数关系,且弓网电弧在燃弧阶段中,两者为近似一次函数关系。根据能量平衡理论,运用Matlab/Simulink仿真软件,建立了弓网电弧的动态模型,并对比分析了弓网电弧仿真波形与实验波形。结果表明:第1个燃弧周期内起弧电压峰值约为35 V,第2个燃弧周期内起弧电压峰值约为30 V,且起弧阶段均有小燃弧过程;仿真波形与实测波形在整体趋势上较一致,验证了弓网电弧动态模型搭建的合理性。分析结果为研究弓网电弧特性提供了理论基础。

基于光谱的降弓过程弓网电弧研究

高速铁路运营速度的提升,导致弓网振动加剧,离线频繁,电弧频发,严重烧蚀弓网材料,而电弧的燃炽强度和熄灭特性会受到温度这一重要参数的影响。为此基于光谱诊断法和红外图像,对降弓过程的弓网电弧等离子体的温度以及受电弓滑板、接触线的温升情况进行了研究。首先基于弓网电弧试验装置,记录了降弓过程中弓网电弧电压电流波形;并且同步采集了弓网电弧等离子体发射光谱;利用Boltzmann斜线法,计算得出了弓网电弧等离子体激发温度的变化,并且分析了电流对激发温度的影响;此外,分析了降弓过程中受电弓滑板和接触网导线的温度变化情况。实验结果表明:在16-22A的电流范围内,燃弧电压在30-36V之间变化,降弓时随弓网间隙增大而逐渐增大,弧压基本呈现线性增长趋势;在同一电流下,弓网电弧等离子体的激发温度在降弓过程中逐渐降低,但在同一间隙下,电弧温度随着电源输出电流的增加而上升。通过受电弓滑板和接触网导线的红外图像,可知降弓过程中,接触线温度始终高于受电弓滑板,滑板导线的最高温度的上升趋势逐渐放缓。

弓网电弧模型及其电气特性的研究进展

为防止弓网电弧侵蚀受电弓和接触网,避免其对机车设备和环境的电气干扰,保证机车可靠受流,针对电气化铁路及城市轨道交通的弓网电弧问题,从电气特性角度进行研究进展综述。首先,讨论弓网电弧的产生机理,归纳电弧的各种数学模型和弓网电弧特点。同时,从高速铁路弓网电弧的电气特性入手介绍当前国内外弓网电弧的电气侵蚀、电弧能量、电气干扰和电弧检测的最新研究进展。最后从电气特性角度,指出弓网电弧研究存在的问题和未来发展趋势。