确保我国高速铁路供电的安全性和可靠性，铁路
相关部门从2012年开始构建高速铁路供电安全检
测监测系统（6C系统）[1]，可对高速铁路牵引供电系统关键设备进行全方位的检测和监测，掌握其在线服役状态，指导牵引供电设备养护维修，保障高速铁路运输秩序，形成高速铁路接触网运行维修体系，推进牵引供电修程修制改革[2]。 在以6C系统为基础的牵引供电修程修制改革中，各装置都发挥着越来越重要的作用，尤其是以高速综合检测列车为平台的弓网综合检测装置（1C）在高速铁路接触网动态运行评价体系中发挥着至关重要的作用。 1 应用现状
目前，安装在高速综合检测列车上的高速弓网检测系统在功能、性能以及系统重复性和准确性方面都达到了世界一流水平，在检测速度方面领先于其他国家。但现有高速弓网检测系统在工程化应用过程中，还存在一些问题，需要研制新一代高速弓网检测系统，以满足更安全、更可靠的应用需求。
（1）高压放电烧损通信光纤。安装于检测受电弓上的检测传感器和调理采集装置产生的检测数据处于25 kV的高压区域，要传输至车内的零电位设备，为了防止高压接地短路，目前均采用高强度的绝缘光纤 作为数据传输通道，传输光纤的封装有2种方式，一种为采用与高速受电弓绝缘气管相同材质的绝缘套管作为外保护，爬电距离大于1 400 mm，通信光纤在其内部穿过，两端开口采用软性密封材料进行防水密封，
新一代高速弓网检测系统研究
李向东1，解智2，齐志强3，周威1，刘春浩1，付强1
（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；
2. 中国铁建电气化局集团有限公司，北京 100043；
dvd机芯3. 海南铁路有限公司 海口综合维修段，海南 海口 570312）
基金项目：中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2017YJ132）第一作者：李向东（1980—），男，工程师。通信作者：解智（1985—），男，工程师。摘 要：对目前我国高速弓网检测系统应用现状进行深入分析，提出新一代高速弓网检测系统解决方案。重点对系统组成、关键技术和主要技术特点进行阐述。新一代高速弓网检测系统实现了接触网几何参数实时检测和输出，能够提高锚段关节和线岔处的检测范围和检测精度。关键词：高速弓网检测系统；高压供电隔离；无线传输；检测精度
中图分类号：U226 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2018）05-0100-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2018.05.100
为
汽车水箱除垢剂再用防水绝缘胶带进行多层密封包裹。该方式的优点是安装方便、快捷，无需在车顶焊接安装座，设备质量轻、体积小，机械安全隐患小，但对安装工艺要求极其严格，稍有疏忽就存在安全隐患，由于绝缘套管外绝缘污秽未及时清扫或内部进水、受潮，形成放电路径。在运行过程中，由于操作过电压、谐波振荡等因素，引起高压放电，烧损数据传输光纤，造成检测系统无法工作，严重时会导致接触网高压接地短路事故。
另一种方式为利用光信号隔离传输装置进行数据传输。采用户外环氧树脂做成带伞裙的绝缘子形状，将通信光纤通过其内部，在真空环境下进行高温浇注成型，使用光纤航空连接器作为上下两端通信端口，整个装置通过4个螺栓紧固在车顶安装座上。该方式的优点是安全、可靠，电气性能优良，但体积和质量较大，对浇注和防水密封工艺要求极高，内部不能形成气泡，不能进水、受潮。光信号隔离
传输装置在安装过程中，由于光纤连接器连接位置防水处理不合格，长时间运行后，内部受潮，绝缘性能下降，逐步形成局部放电通路，造成通信光纤烧损，检测系统无法工作。但从运用经验看，不会造成接触网短路跳闸事故。
（2）供电设备供电不稳定。为了给检测受电弓上的传感器和信号调理采集装置供电，采用充电干式蓄电池给高压侧设备提供直流电能，并通过安装在高压侧的电流互感器给蓄电池充电，以保证蓄电池输出持续稳定的电能。这种供电方式的优点是安装方便、简单，不存在电气安全隐患、不需要在车顶焊接安装座。但由于电流互感器必须在高速检测列车达到一定运行速度后，才能产生给蓄电池充电的电压，低速运行时无法充电导致蓄电池的电能很快被耗尽，造成检测系统无法工作。随着蓄电池充放电次数不断增加，其存储的电能越来越少，寿命越来越短，需要频繁更换蓄电池。检测列车通过分相区域时，强烈的电磁干扰可能会导致遥控开关误动作而切断蓄电池电源，造成检测系统无法工作。
（3）车顶设备数量多，体积大，安装复杂。车顶检测设备包括弓网受流参数检测设备、接触网几何参数检测设备、定位器坡度检测设备、电气参数检测设备等，设备数量多，分散在检测受电弓周围，集成度差。车顶设备安装结构复杂、连接部件多，安全检查困难，存在部件脱落的安全隐患。
（4）车内检测设备数量多，体积大，功率高。每套弓网检测系统车内设备在不间断电源（UPS）供电设备单独安装的情况下，需要2个标准19英寸机柜，且每套弓网检测设备需要约6 kW功率，电能消耗和需要的UPS电池包体积都较大。
（5）检测系统功能还有提升优化空间。如检测数据滞后，检测过程中无法实时与弓网视频进行对照分析；在锚段关节和线岔处所的检测性能还需进一步提升。
2 新一代高速弓网检测系统组成
新一代高速弓网检测系统仍由弓网受流参数检测装置、接触网几何参数检测装置、电气参数检测装置、数据集成处理装置组成，但系统的集成度、安全性、可靠性、检测性能更加优良。
2.1 弓网受流参数检测系统
现有弓网受流参数检测系统检测的指标包括弓网接触力、硬点、燃弧等参数，其中弓网接触力是评估弓网受流质量和接触网动态运行状态、验证仿真模型、优化设计及诊断接触网局部缺陷的关键参数[3]。新一代弓网检测系统采用新型二维压力传感器，在现有压力传感器的基础上，在内部增加水平悬臂梁和全桥电路，可同时检测垂直和水平方向的弓网接触力。通过数据分析，可以诊断受电弓与接触网在纵向方向的打弓、碰弓等缺陷问题。
新一代弓网检测系统为彻底解决高低压信号传输的安全性问题，采用基于动态无线网格网络（Mesh）技术的5G架构无线局域网络实时把高压侧采集数据直接传输至车内接收设备，完全杜绝了高压放电击穿数据传输光纤的问题，试验证明在25 kV交流高压环境中，数据传输稳定可靠、无干扰，传输设备安全可靠。
新一代弓网检测系统为解决高压侧设备供电不稳定的问题，采用高压供电隔离变压器安全、不间断地把低压侧的24 V交流电能传输给高压侧设备。高压供电隔离变压器采用户外环氧树脂在真空环境中对励磁
铁芯、变比绕组、航空连接器等部件整体浇注而成，一次侧绕组和二次侧绕组采用环氧树脂绝缘隔离，经过电气性能、机械性能检验，满足弓网检测系统高压设备稳定供电的需要。
2.2 接触网几何参数检测系统
新一代接触网几何参数检测系统一种方案为采用现有检测原理和设备架构，使用体积小的发光二极管（LED）灯作为光源并对光源进行一体化封装，减少整设备的体积、质量和紧固接口。
双端面机械密封另一种方案为采用激光相位扫描原理测量接触网几何参数（见图1）。相位扫描仪的相位分辨率能够达到0.01°，误差±0.025°；3 m距离内且在1 MHz的采集频率下，测距精度能够达到0.44 mm，满足400 km/h速度下接触网几何参数的检测要求，且激光相位扫描技术能有效解决线岔和锚段关节处非支抬升过高无法测量的问题。激光相位仪体积小、质量轻，设备外壳采用铝合金型材整体制造，无焊接和连接部件，空气动力学性能优良、安装简单、安全性良好，便于工作人员安全检查，可避免发生部件脱落的事故。
2.3 车内检测设备
新一代弓网检测系统采用基于紧凑型PCI（CPCI）技术的高性能工业控制计算机系统，可大大降低车内检测设备的体积、质量和功率，并且进一步提升检测设备的稳定性。
采用嵌入图像采集卡、脉冲采集卡、数据采集卡等板卡的CPCI工业控制计算机系统，可把3台普通工控机及相关的控制单元整合到1台CPCI工控机，形成模块化安装，检测设备车内安装空间将由90U减少为37U （U是国际通用机柜内设备安装所占高度的特殊计量单位，1U=44.45 mm），3个标准机柜减少为1个，大大缩减车内检测设备安装空间。
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3 关键技术
3.1 高压供电隔离技术
经过多种方案的试验与对比分析，在目前工业技术水平下，采用研制专用供电隔离变压器方案，该方案不受过分相时的接触网断电影响，能够确保检测系统连续可靠供电，并且由于系统供电电压低，该方案还能有效确保车顶检修测试人员的电气安全。供电隔离变压器采用全屏蔽、均场强结构设计，保证了耐受过电压的能力，最大限度地降低了视在局部放电量水平，局部放电水平可以控制在5 pC以下甚至更低。经计算，短路电流密度Δ=5.936 A/mm2，远远小于所采用铜线180 A/mm2的最大允许短路电流密度。短路电流密度的安全裕度非常大。谢宇风
在抑制温升技术上，采用纳米导磁材料作为铁芯，具有极低的空载损耗。在抗开裂和防脏污技术上，供电隔离变压器采用新型具有憎水性优良的脂环族环氧树脂真空浇注，凡是被环氧树脂包封在内部的所有结构件，在其与树脂结合的表面层，均设置了由优质弹性材料构成的缓冲层，用以吸收内应力。由于内应力被缓冲层吸
收，因此不存在浇注体开裂的危险。
图1 激光相位扫描仪工作原理
激光
Z L
Y
θ
3.2 高压信号无线传输技术
传统无线局域网（WLAN）的骨干网络采用以太网（Ethernet）技术，各无线访问接入点（AP）之间通过有线方式进行互联，从而组成一个规模较大的WLAN 网络。接入客户端（STA）在不同AP之间互访，需通过有线网络进行转发。STA访问外部网络，路径上只有1条为无线连接，其余均为有线连接。对有线网络的依赖，造成传统WLAN网络的一些弊端，这些弊端使其在诸如应急通信、无线局域网或有线基础薄弱地区等应用场合不适用，其传输通信频率易受环境电磁干扰，造成传输数据失真，中断传输等问题。
无线Mesh网络模型利用无线连接替代有线连接，将多个AP连接起来，并最终通过1个门户（portal）节点接入有线网络，从而构成通信频率为5G的高频通信无线WLAN网络，电磁兼容认证+wpa/wap2-psk数据链路加密，使其在多信道传输时，各信道间互不干扰，吞吐量为sta-ap侧绝对吞吐量，可确保在高电压、大电流、强磁场的恶劣环境中，高压侧数据安全稳定地传输到车内接收设备。
4 结束语
对目前我国高速弓网检测系统进行深入分析，提出新一代高速弓网检测系统方案，其主要技术特点如下：
（1）采用基于动态Mesh技术的5G架构无线网络实
现对高压侧采集数据的实时无线传输，完全杜绝了高压放电击穿数据传输光纤的问题。
（2）采用户外环氧树脂在真空中浇注形成的供电隔离变压器，实现不间断地把低压侧24 V交流电能传输给高压侧设备，完全解决了高压侧设备供电不稳定的问题。
（3）采用激光相位扫描技术和无线传输技术，可大大减少车顶检测设备数量、安装空间和使用功率，提高了车顶检测设备的安全性。
（4）采用CPCI技术和嵌入式技术实现车内检测设备安装空间由90U减少为37U，3个标准机柜减少为1个，可减少功率3 000 Ｗ。
（5）新一代高速弓网检测系统实现了接触网几何参数实时检测和输出，能够提高锚段关节和线岔处的检测范围和检测精度。
参考文献
[1] 铁运〔2012〕136号 高速铁路供电安全检测监测系 统（6C系统）总体技术规范[S].[2] 刘再民. 高速铁路接触网维修规则框架与管理技术 创新[J]. 中国铁路，2016(4)：13-16.[3] 李向东，孙忠国．弓网接触力检测关键技术[J]. 铁
路技术创新，2012(1)：72-74.
责任编辑 卢敏
收稿日期 2017-09-25
Abstract ：This paper carried out a profound analysis of the problems which exist in the present high speed pantograph-contact wire inspection system in China. It proposed the plan for the new generati
on of high speed pantograph-contact wire inspection system as a solution. The paper mainly illustrated the system composition, key techniques and major technical features. The new generation of high-speed pantograph–contact wire inspection system can realize the real-time inspection and output of geometrical parameters of overhead contact line, and can increase the inspection range and accuracy at the overlap and overhead crossing.
Keywords ：high speed pantograph-contact wire inspection system ；high-voltage power supply isolation ；radio transmission ；inspection accuracy
LI Xiangdong 1，XIE Zhi 2，QI Zhiqiang 3，ZHOU Wei 1，LIU Chunhao 1，FU Qiang 1
内作（1. Infrastructure Inspection Research Institute ，China Academy of Railway
Sciences Corporation Limited ，Beijing 100081，China ；
2. China Railway Construction Electrification Bureau Group Co Ltd ，Beijing 100043，China ；
3. Haikou Comprehensive Maintenance Depot ，Hainan Railway Co Ltd ，Haikou Hainan 570312，China ）
