轨道交通受流系统受电弓与接触网动态相互作用

轨道交通受流系统受电弓与接触网动态相互作用
1 范围
本标准规定了受电弓与架空接触线之间动态相互作用时匹配性能参数测量方法的输出功能和准确度要求。

本标准适用于轨道交通受流系统。

2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 21561.1—2008 轨道交通机车车辆受电弓特性和试验第1部分：干线机车车辆受电弓（IEC 60494-1：2002，IDT）
GB/T 21561.2—2008 轨道交通机车车辆受电弓特性和试验第2部分：地铁和轻轨车辆受电弓（IEC 60494-2：2002，IDT）
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。

3.1
弓头 collector head
受电弓中由框架支承的部件，它包括滑板、弓角并可以有一个悬挂装置。

[GB/T 21561.1—2008，定义3.2.3]
3.2
接触点 contact point
滑板和接触线之间的机械接触点。

3.3
弓头工作区域 working area of collector head
正常运行时，接触点在滑板上可能的横向和垂向范围。

3.4
接触力 contact force
受电弓与架空接触网作用的垂直力，是一架受电弓所有接触点的力之和。

3.5
平均接触力F m mean force
接触力的统计平均值。

3.6
静态力 static force
在受电弓升弓装置的作用下，弓头向上施加在接触线上的垂直力。

在受电弓升起的同时机车车辆是
静止的。

[GB/T 21561.1—2008，定义3.3.5]
3.7
空气动力 aerodynamic force
由于受电弓部件周围的空气流动而作用在受电弓上的附加垂向力。

3.8
准静态力 quasi-static force
特定速度下静态力和空气动力的总和。

3.9
锚段长度 tension length
接触网两个下锚固定点之间的距离。

3.10
控制区段 control section
总测量长度中的有代表性部分，其中的测量条件是可控的。

3.11
受电弓电流 pantograph current
流过受电弓的电流。

3.12
燃弧 arcs ，arcing
电流击穿滑板和接触线之间空气间隙，通常通过发射强光表现出来。

3.13
标称电流 nominal current
为车辆提供额定功率时经过一个受电弓的电流。

3.14
燃弧率 percentage of arcing ，NQ
按公式（1）计算：
100arc total
t NQ t ∑=⨯ ..................................... (1) 式中:
t arc ——持续大于5 ms 的燃弧的持续时间；
t total ——测量电流超过标称电流的30%的时间。

以百分比形式给出的结果，是车辆特定速度运行时的一种特性。

4 符号
d ：燃弧传感器和光源（滑板）之间的距离。

F applied ：施加于弓头上的接触力。

F measured ：测量出的接触力。

f i ：实际频率。

f n：最大频率。

f1：最小频率。

n：频率级数。

x：可测量到的最小燃弧的能量密度。

y：燃弧传感器和光源的校准距离。

5 基本要求
接触网和受电弓之间动态相互作用的测量用于验证受流系统的运行可靠性和运行质量。

不同受流系统的测量结果应相互比较，并验证其组成在国内各地区线路可以使用。

注：为确认仿真程序和其它测量系统，测量数据是必需的。

为检验受流系统的性能，至少应测量以下数据：
——接触力或者燃弧率；
——受电弓通过定位点时接触线的抬升。

除以上测量值之外，检测报告还应连续记录运行工况（列车速度、位置等），并应记录测量过程中的环境条件（雨、雪、温度、风、隧道等）和测试配置（依据GB/T 21561.1—2008和GB/T 21561.2—2008获得的受电弓的参数、受电弓的排列、接触网的类型等）。

这些增加的信息应确保测量的可重复性和结果的可比较性。

6 接触力测量
6.1 总则
应遵守下列准则：
——通过受电弓上的力传感器完成接触力的测量，力传感器应尽可能地接近接触点；
——接触力测量系统应测量垂直方向的力，排除其他方向的力的干扰；
——在任何测量条件下，由温度引起的力传感器的测量偏差要小于10 N（所有力传感器的总和）；
——对于带有独立滑板的受电弓，每个滑板应进行单独的测量；
——测量系统工作应不受电磁干扰影响；
——测量系统的最大误差应小于10%。

6.2 测量系统的影响
测量系统应排除能导致测量结果改变大于5%的影响因素。

注：对测量系统测量结果的失真最重要的影响是作用在测量装置上的空气动力，这种失真可以通过安装测量系统和不安装测量系统进行空气动力试验检验。

6.3 惯性力的修正
由传感器和接触点间质量产生的惯性力需要修正,在测量结果中应有说明。

注：它可以通过测量各部件的加速度来完成。

6.4 空气动力的修正
修正应考虑到空气动力对传感器和接触点之间各部件的影响。

空气动力的测量应通过空气动力试验来完成。

注1：空气动力的影响可通过现场试验测量。

空气动力实验应在接触力测量的配置（接触线高度、车辆构造、测量装置、环境条件等）下进行。

注2：空气动力试验可与现场试验同时进行。

6.5 测量系统的校准
应经过实验室测试验证测量系统对力的测量准确度。

应对配置了完整的力测量设备和所有加速度传感器、数据传输系统（自动测量记录传导、光学）和放大器的完整受电弓进行本项测试。

应在弓头上施加一定频率范围的动态激励确定所施外力与所测量的力之间的比值(受电弓和测量装置的传递函数)。

注1：如果施加一个正弦变化的力，30%静态力的振幅（峰与峰之间）会给出具有代表性的结果。

测试在以下两种状况下完成：
——外力施加在弓头中心；
——如有可能，力施加在距弓头中心线250 mm 处；或者，受力点尽可能接近该值；如使用其它值，
应在测试报告中记录下来。

在受电弓相应工作高度进行测试。

在平均接触力等于静态力时进行本项测试。

如果受电弓接触力随速度的增加而增加，应在最大准静态力时完成本项测试。

所施外力与测量力的测量的频率应以0.5 Hz 的频率间隔逐步增加直到20 Hz ，但在共振频率处减小频率间隔。

接近共振频率的频率间隔应详细说明。

注2：传递函数是一个连续函数，在共振频率处变化较大，所以在共振频率附近减小频率间隔是必要的。

传递函数的精确度计算见公式（2）： 111111()1100%()n measured i i i n applied F f f f f F -+=⎛⎫⎛⎫ ⎪---⨯ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭
∑ ......................... (2) 受电弓抬升力检测系统的传递函数精确度在频率不超过10 Hz 、且没经过修正的情况下应大于80%。

此精确度是对测量系统的强制性要求。

对于弓网动态相互作用的测量应用，在频率不超过20 Hz 时，其测量系统的传递函数的准确度应大于90%（与6.1保持一致）。

为了达到要求，可通过滤波器进行修正。

6.6 测量参数
时间采样时，采样频率应大于200 Hz ；距离采样时，采样点间隔应小于0.40 m 。

接触力应进行截止频率为20 Hz 的低通滤波。

测量范围应至少为：
——对交流受电弓：0 N ～500 N ；
——对直流受电弓：0 N ～700 N 。

6.7 测量结果
在控制区段内进行的测量应进行评价。

为了计算统计值，控制区段不应小于一个锚段。

对于一个控制区段，应至少计算以下统计值：
——平均值(F m )；
——最大值；
——最小值；
——标准偏差 (σ)；
——接触力的柱状图或概率曲线。

7 位移测量
7.1 一般要求
测量系统应排除任何可能导致测量的位移结果改变大于3%的影响因素。

7.2 定位点抬升
测量系统误差应小于5 mm 。

7.3 接触点的垂向位移
接触点的垂向位移的测量与受电弓底架相关。

测量系统的准确度应小于10 mm。

7.4 接触网上其他位移的测量
测量系统的准确度应优于10%的振幅测量值或不大于10 mm（两者准确度取较高准确度）。

8 燃弧的测量
8.1 总体要求
对于用来检测燃弧的探测仪，其灵敏度要达到由铜材料辐射出的光波长。

对于铜和铜合金接触线，使用的波长范围应是220 nm～225 nm或323 nm～329 nm。

注1：这两个波长范围涵盖了固定的铜发射率。

测量系统对波长大于330 nm的可见光不应敏感。

探测仪应：
——尽可能地接近受电弓以获取足够高的灵敏度；
——尽可能地接近机车纵轴以获取足够高的灵敏度；
——根据车辆的行驶方向安装于受电弓的后侧；
——对准相对于行驶方向最后的滑板；
——在弓头的整个工作区域的角度范围内灵敏，误差小于10%；
——对燃弧的起始和终止的响应时间小于100 μs；
——具有检测极限，取决于可检测的最小燃弧能量。

注2：极限值的变化取决于测量装置与燃弧产生处两者之间的距离。

探测仪放置实例的侧视图见图1。

最大工作高度
正常工作高度
最小工作高度
角度测量仪
车行方向
图1 探测仪安装位置
8.2 燃弧检测系统的校准
在相关光谱范围内的能量密度下，对探测仪进行校准。

灵敏度曲线是能量密度（μW/cm²）对探测仪电压（V）的响应曲线，该曲线通过测量探测仪相输出得到。

应规定最小燃弧能量密度(x)。

示例：在5 m处，该值应是：
——（160±16）μW/cm²（在AC 25 kV 的架空接触网下）；
——（12.50±1.25）μW/cm²（在DC 1.5 kV 的架空接触网下）。

8.3 操作距离的调整
如果在测量时，传感器和光源的距离与校准距离(y )不同，应调整探测器。

调整如下：
——依照1/d ²的规则，确定出这个距离下能探测到的最小燃弧的能量密度；
——使用校准值来确定这个信号的能量密度水平；
——继而通过公式（3）确定新的能量密度极限与新的距离(d )的关系。

2
2d y d x x y
...................................... (3) 注：燃弧被看作点源，从而能量密度与1/d ²成正比，见图1。

8.4 测量值
系统应至少测量：
——各燃弧持续时间；
——测试期间列车运行速度；
——受电弓取流。

应记录燃弧沿着架空接触网的位置（公里标）。

8.5 测量值表示
测量值的表示应在一个控制区段内来进行。

当燃弧持续时间大于规定的持续时间时应进行数据输出。

注：持续时间决定于所要研究的问题，常规值是5 ms 。

受电弓取流低于受电弓标称电流的30％时的测量数据部分，应忽略。

对于一个控制区段，应至少提供下列数值：
——列车运行速度；
——燃弧数目；
——燃弧持续时间总和；
——最大燃弧持续时间；
——每个列车、每个受电弓上受电弓取流大于标称电流的30%的总的时间；
——控制区段总的运行时间；
——燃弧率。

注1：另一个可行的判定标准是每公里内受电弓电流比受电弓标称电流大30%的燃弧数目。

注2：控制区段的长度不应小于10 km ，并且检测时运行速度应保持恒定，运行速度允许误差在±2.5 km/h 以内。

注3：为得到有代表性的接触网测量结果，大于30%受电弓标称电流的总持续时间，不应小于经过一个锚段的检测运
行时间。

在该持续时间内，不应有减小电流的分段干扰，并且运行速度应保持恒定。