基于PMT电压一次积分值的城轨弓网电弧检测系统

于晓英， 苏宏升

(1. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

随着我国经济快速发展及城市化建设进程的加快，各大中城市的轨道交通建设规模也在不断扩大，2018年，国办发〔2018〕52号[1]中指出，新时期要进一步推动城市轨道交通建设、运营模式创新，增强可持续发展能力，坚守安全发展底线，把安全作为发展城市轨道交通的生命线。作为铁路最重要的三大关系之一，弓网关系由于直接关系到列车运行的效率及安全而越来越受到业界研究人员的重视，弓网离线率是衡量弓网关系好坏的重要指标之一，而燃弧发生次数及持续时间又可以直接反应弓网离线率[2]。因此，找到适当的方法实现对弓网燃弧定时、定量、定位的实时检测可以直接得出弓网离线率、衡量弓网关系的好坏，从而为城市轨道交通弓网配合设计、维修维护、绝缘配合设计等工作提供一定的理论依据，增强弓网受流的稳定性，提高城市轨道交通安全系数，推动我国城市轨道交通建设稳步发展。

电弧现象是一个电场、磁场、气流场、温度场等多物理场之间相互耦合变化的复杂过程[3]。目前，关于电弧的研究成果主要集中在开关电弧领域[4]。弓网电弧与开关电弧最大的区别在于其发生在开阔的室外环境下，且弓网接触点随列车运行高速移动，电弧两极处于切向高速滑动和法向频繁振动状态，受气流等外界因素的影响较大，加之电弧的发生具有一定的随机性，因此对弓网电弧的研究具有一定的难度。

2012年，我国正式实施《高速铁路供电安全检测监测系统(6C系统)总体技术规范》[5]，6C系统的主要目的是对高速铁路牵引供电系统进行全方位、全覆盖的综合检测监测，其检测对象包括弓网电弧[6]。

针对电弧的电磁特征、热特征、声特征及力特征先后出现了电学检测法、热学检测法、声学检测法以及压力检测法等，但均存在误检、漏检率较高的弊端[7]。近年来又出现了光学检测法，日本和意大利分别以电弧中200～240 nm和175～195 nm波段紫外光作为特征信号检测弓网电弧[8]，但将检测系统的光电传感器部分安装于车顶，距接触线较近，会受到严重的电磁干扰。西南交通大学马成[9]基于燃弧能量的数学模型，提出了基于能量的紫外法弓网电弧检测系统，实现了对弓网电弧的定性检测。然而，现有的弓网燃弧检测系统只能检测出电弧现象，却不能准确量化燃弧强度。基于此，本文设计了一种基于光电倍增管(Photomultiplier tube,PMT)电压一次积分值的紫外法城轨弓网电弧检测系统。该系统能够收集弧光中处于日盲区的275～285 nm波段紫外光信号，并将其转换成相应的电信号输出显示，通过PMT输出电信号数值变化来衡量弓网电弧的强弱，同时结合定位及测速数据统计出区段内的燃弧次数、燃弧率、燃弧持续时间、燃弧强度、燃弧位置等信息。在兰州轨道交通1号线的应用试验表明:该系统能够避免外界光线的影响有效检测出燃弧现象，且不受列车运行方向的影响。

1 紫外法电弧检测原理

1.1 日盲检测原理

太阳光中10～400 nm波段被称为紫外线[10]。其中近紫外(300～400 nm)能够到达地球表面，而真空紫外(10～200 nm)和中紫外(200～300 nm)在传输过程中被大气中的氧离子及平流层中的臭氧强烈吸收，因此，10～300 nm的紫外波段在近地面几乎不存在，该波段被称为“日盲区”[11]。

弓网电弧是接触线与受电弓滑动接触时，切线方向高速运动，法线方向相对缓慢运动且位移很小条件下的自由放电现象。电弧发生过程中，弓网接触材料的电子或离子被激发造成能级跃迁，特定材料的电子或离子由高能级跃迁到低能级过程中，将伴随特定波长的光产生[12]。电弧光谱中存在300 nm以下、处于日盲区的紫外部分，如果将日盲紫外波段作为电弧检测的特征量，则可通过系统是否采集到该波段的光判断是否发生了弓网电弧现象并避免太阳光的影响。由于电弧的光强与其放电电流强度具有很强的正相关性[13]，如果电弧光谱在日盲区存在一个波段随弧光的强弱同向变化，则该波段可反应电弧放电的强弱。

合理选择日盲区特征波段作为紫外法弓网电弧检测的特征量可以大大提高燃弧检测的精度。电弧的光谱分布具有一定的规律性，实验室中，利用AVANTES光谱仪获得电弧光谱分布见图1。

由图1可以看出，处于日盲区且辐射强度相对值最高的波段为275～285 nm，该波段的辐射强度相对值在整个电弧光谱中占比稳定，可以反应电弧强度的大小[14]，同时，该检测波段满足国际标准IEC 62487—2017[15]中关于燃弧检测波段范围的要求。因此，275～285 nm波段可作为特征检测量反应城轨弓网燃弧的强弱。

1.2 PMT电压一次积分值检测原理

本系统采用的光电转换元件为PMT，PMT能够将其阴极接收到的紫外光信号转换为相应的电脉冲信号并通过阳极输出。PMT由光电阴极、聚焦电极、二次发射倍增极(D1～D8)和阳极四部分构成，其工作原理见图2。

PMT的阴极K受到紫外光的照射后会发射出光电子，光电子经极间电场加速聚焦，高速轰击倍增极D。倍增极在高速电子的轰击下产生二次电子发射，使电子的数目增大若干倍。经过多个倍增极后电子数目急剧增加，最后被阳极收集形成阳极电流。PMT的等效输出电路见图3，图中U为阳极输出电压，R和C分别代表等效电阻和等效电容。

由于光信号在空气中的传播具有衰减性，电弧释放的光能量EL与PMT阴极K接收到的光能量ES满足以下关系[16]

ES=μe-kρLEL

( 1 )

式中:μ为PMT的吸收系数;k为空气吸收系数;L为信号接收点与弓网电弧发生点之间的距离;ρ为空气密度。

同时，PMT接收到的电弧紫外光能量满足下列关系[17]

( 2 )

式中：PS(t)为PMT接收到的电弧光功率；G为电流增益；Sd为光阴极灵敏度；u(t)为PMT阳极输出电压；u′(t)为阳极输出电压的微分值；τ=RC。

联立式( 1 )、式( 2 )可得

( 3 )

电弧放电光能量EL与其视在放电量Q之间满足以下关系[18]

( 4 )

式中：η为电弧发光效率；ui为电弧起始放电电压峰值。

联立式( 3 )、式( 4 )可得

( 5 )

( 6 )

由式( 6 )可以看出，电弧发生时，PMT阳极输出电压的一次积分值与电弧的放电量呈线性正比关系，因此，本系统通过检测PMT阳极输出电压的一次积分值来衡量电弧放电量大小的方法是合理的。

2 检测系统整体结构

本文设计的弓网电弧检测系统主要由三大部分组成，见图4。包括安装于车顶的弧光采集系统，安装于车内控制室的紫外光电转换模块及数据处理模块。

发生电弧时，弧光中仅275～285 nm波段的紫外光信号能够通过弧光采集系统并成像在其末端的光纤端面上，紫外光纤将该光信号输送至光电转换模块，转换为电信号后送入数据处理模块，同时利用定位及测速系统获取检测点机车运行的基础数据，定位电弧发生点，存储记录相关电弧数据。

2.1 弧光采集系统

能否最大程度地收集有效光信号并将其传送至光电传感器模块对整个电弧检测系统至关重要，弧光采集系统设计的关键在于：

(1) 能够收集电弧光中275～285 nm特征波段紫外光信号，同时阻止其他波段光信号进入弧光采集系统。

(2) 能够将收集到的特征光信号，无损失地传送至光电转换模块进行处理。

考虑到以上要求，设计弧光采集系统结构见图5。

镜头以25°倾角安装在车顶支座上，且该安装角度可调。镜头前端上方的遮光罩可以有效避免太阳光直射镜头。为了确保弧光中275～285 nm波段紫外光能够顺利通过光学镜头同时阻止其他波段光的干扰，在镜头前端加装一块透过中心波长为280 nm、带宽为10 nm的窄带滤光片。同时，为了减少玻璃元件表面反射造成光损失，使中心波长的透过率尽量高，在成像镜头及保护窗口玻璃表面加275～285 nm增透膜，镀膜后光学元件的透过率可达99%。

由于机车车顶上需要布置受电弓支架、空调机组等设备，为了保证弧光采集系统具有足够的安装空间且视野不被遮挡，综合考虑后，将该弧光采集系统应安装于距弓网接触点水平距离3 m位置处，由于城轨弓网接触点与车顶间的垂直距离很小，因此，本弧光采集系统的光学参数也按照物距3 m进行设计。

常用的光学成像系统结构有反射式和透射式2种。由于该弧光采集系统安装于车顶，视场大且口径小，采集波长范围较窄，比较后采用透射式结构。设计透射式成像系统结构见图6。

为了使弧光采集系统能够将收集到的特征光信号有效地传送至光电转换模块，必须保证物面上任何一个点通过成像系统后都可以形成一个很小的像点，尤其是物面边缘对应的像点尺寸应小于弧光采集系统末端的光纤端面尺寸2.5 mm，这样才能使尽可能多的弧光耦合进光纤。根据以上要求，设计该弧光采集系统的光学参数见表1。

表1 弧光采集系统基本光学参数

针对表1的设计参数，在MATLAB中进行仿真，得到物面尺寸为φ400 mm的电弧通过该光学采集系统后的成像点列图,结果见图7。

图7中OBJ 0 mm指的是物面中心所成的像点尺寸，OBJ 200 mm与OBJ-200 mm指的是物面边缘所成像点尺寸，由图7可以看出，该光学系统的成像接近衍射极限。物面边缘所成的像点尺寸大小为±1.242 mm，小于光纤端面的尺寸2.5 mm。因此，按表1参数设计的弧光采集系统可以将电弧完全成像在光纤端面上，进而由光纤传输至车内控制室。

2.2 紫外光电转换模块

紫外光电转换模块的任务是将光纤传输来的特征波段紫外光信号转换为能反应电弧强度的电信号并输出至下一级，该模块设计的关键在于：

(1) 能够将光信号转换为电信号，采用的光电转换元件对275～285 nm波段光信号敏感且在该波段范围内响应曲线接近线性。

(2) 由于PMT直接输出的电信号非常微弱，容易受到工作环境中噪声信号的干扰，直接作为检测信号会导致检测结果不准确，应采取相应措施甄别、提取有效信号。

(3) 模块应有计数功能，能够对PMT阳极输出信号的脉冲数进行计数，从而确定电弧发生的次数。

由前文分析可知，紫外检测法要求光电转换元件在检测波段内具有近似线性的响应曲线，同时考虑到传感器的量子效率(量子效率是指光电效应中在某特定波长上每秒钟产生光子数与入射量子数之比)应尽量高，综合考虑后，选用R9880U-210型PMT。该型号PMT的量子效率在入射光波长分布在275～285 nm时线性度好，同时具有质量轻、机械强度高、阴极灵敏度及增益高等优点。经该型号的PMT输出的电信号可以线性反应入射紫外光的强弱。

为了解决PMT输出的电信号微弱、易受干扰的问题，模块中设计低噪声前置放大器，将夹杂噪声的微弱电信号放大。为了滤除环境中低幅度和高幅度脉冲噪声、提高信噪比，设计比较器和甄别器，通过合理选择甄别器的第一和第二甄别电平，剔除倍增极系统的热电子噪声脉冲和放大器噪声脉冲等低幅度噪声脉冲以及正离子和宇宙射线造成的气体荧光高幅度噪声脉冲，从而提高检测结果的信噪比。

为了实现电弧计数，在甄别器之后设计脉冲计数单元，用于记录甄别器输出的TTL电平信号。模块设计总体框图见图8。

2.3 数据采集及处理模块

数据采集及处理模块完成的主要任务是采集光电传感器模块传输来的电弧信息，结合列车定位系统、测速系统数据对燃弧信息进行处理。

为了实现数据快速采集，该系统采用基于USB总线的阿尔泰2812数据采集卡，该采集卡可直接与计算机的USB接口相连，插拔方便。数据处理部分采用抗干扰能力强的工业级嵌入式计算机实现。经传感器模块处理后的信号被传送至上位机综合处理系统，通过相应的算法进行分析，计算燃弧率、燃弧时间、燃弧强度等弓网评价参数，并结合接触网其他监测信息，精准定位电弧发生地点，最后形成报表及测试报告输出。系统界面采用易操作的Windows风格，在界面上可以实时播放、显示原始数据图像或选择查看历史信息。数据处理软件框图见图9。

3 系统应用

该燃弧检测系统安装于兰州轨道交通1号线第13列电动客车，目前已顺利装车使用并随车进行了多次燃弧检测试验，设备运行正常，由兰州市轨道交通有限公司运营分公司车辆部于2018年2月6日开具了设备运行良好证明。

3.1 全线燃弧率检测

为了验证该燃弧检测系统能够避开阳光的影响有效地检测出弓网电弧现象，于2019年上半年某日白天和夜晚在兰州轨道交通1号线进行了模拟线路开通后运行条件的全线燃弧检测试验。试验条件见表2。

表2 燃弧检测试验条件

试验当天兰州市日中时间为13：10：47，日落时间为19：20：08。所选择的白天试验时间处于当天紫外线最强时段，而夜晚试验时段完全不会受到太阳光影响。对于检测系统，若在基本相同的试验条件下，能够获得一致程度较高的试验结果，则可以证明，检测系统有较高的可靠性。由于不同时间进行的燃弧检测试验，列车速度、环境温度、气流影响等均是不可复制的过程，加之燃弧现象本身也具有一定的随机性，2次检测结果不可能完全一致，但是只要2次试验结果的燃弧率检测结果相似度较高，能够说明该燃弧检测系统可以不受列车运行方向及太阳光的影响，有效地检测出弓网电弧现象。

燃弧率NQ的定义为[19]

( 7 )

式中:ti为被测区段中电弧持续时间超过1 ms的第i个电弧的持续时间(小于1 ms的燃弧放电对弓网的影响可以忽略不计)；tt表示该区段的总测量时间，即列车在该区段的总运行时间。

兰州轨道交通1号线共24个车站，其中一期20个车站，提取以上2次试验中一期全线19个区间的燃弧率检测数据结果见图10。

从图10中可以看出，2次试验中，各区段检测的燃弧率走势基本相同。说明该系统无论是在白天还是夜晚均可以有效检测出燃弧现象且不会受列车运行方向的影响。

3.2 特殊区段燃弧数据分析

从图10可以看出，2次试验中，燃弧率最大的区段分别为第4区段——兰州海关站到马滩站(海关—马滩)和第14区段——兰州大学站到东方红广场站(兰大—广场)，选取两区段在以上2次燃弧检测试验中的数据结果进行分析。试验中，列车在两区段的运行情况及燃弧总体情况见表3。

表3 两区段列车运行及燃弧情况

2次试验中，两区段检测到的燃弧数据结果分别列于表4、表5，为了方便对比，表5中的燃弧数据按倒序(即与表4电弧发生顺序一致)排列。

表4 试验一(白天、上行)检测电弧数据结果

表5 试验二(夜晚、下行)检测电弧数据结果

通过表4、表5的对比发现，虽然2次试验在不同时间段执行，列车运行方向、平均速度和最高速度均不同，但发生燃弧的位置基本一致，试验一中检测到的燃弧现象都能在试验二相应位置处找到。由于试验二中列车的平均速度和最大瞬时速度略高，马滩-海关区段的燃弧次数、燃弧强度及燃弧持续时间也略高于试验一检测结果。而广场—兰大区段的燃弧检测结果与试验一基本持平。说明本文设计的光学镜头即使在一天中紫外线最强的时段，也能有效地检测出弓网电弧现象，可以有效避免275～285 nm波段以外自然光的干扰。

2次试验中光子探头采集到的光子数与PMT阳极输出的电信号关系见图11。

4 结论

本文利用弓网电弧光谱中紫外部分的日盲特性，设计并研制了一种基于PMT阳极输出电压一次积分值的紫外法城轨弓网电弧检测系统。其弧光采集系统能够收集电弧光谱中处于日盲区的275～285 nm波段的紫外光信号并将其传输至光电转换模块，同时阻止该波段以外的光进入镜头。光电转换模块将光信号转换成电信号并经过放大、比较、甄别后输出计数，结合定位、测速系统的基础数据，对燃弧信息进行处理并输出显示。一天中不同时间段在兰州轨道交通1号线进行的2次燃弧检测试验结果表明，该系统能够不受自然光线及列车运行方向的影响，有效检测出弓网燃弧现象并线性反应燃弧的强弱。

虽然本试验进行时，兰州轨道交通1号线尚未正式开通运营，但列车已经模拟开通后的运行模式进行了长期的试运行，且2次试验时，列车在各区间的运行速度、持续时间，车站停靠时间也与正式开通后基本一致。区别只是列车的载重不同，但这并不会影响该系统对燃弧现象的有效检测。因此即使针对不同区间的燃弧检测结果与正式运行后会稍有差别，仍然可以在一定程度上反应出其弓网匹配合理性。该系统的设计为今后弓网系统的信息融合、网络化诊断，提供了一定技术依据，为本领域的进一步研究奠定了基础。