SS4B型电力机车PDU受电弓升降保护装置的研究

摘 要：本文阐述了受电弓在机车安全运行中的重要性，及受电弓的工作原理。针对直流机车因风压不足发生弓网故障的问题，PDU受电弓升降保护装置的系统构成、工作原理进行了具体说明，以避免发生弓网故障，提高了机车运行的效率和安全性。

关键词：工作原理；原则；试验

中图分类号：U264 文献标识码：A

0.引言

电力机车在牵引运行时机车受电弓和接触线紧密接触并需保持一定的接触力。受电弓是电力机车的重要电器元件，承担着连接、传输电力的作用，在牵引滑动时，其牵引动力是从接触网上来获取电流转换为动能的。若是受电弓或接触网存在着设备质量缺陷，不能满足安全运行的设备技术要求，就会引发弓网故障。电力机车在风压不足的情况下升起受电弓，接触压力较低时可能会发生烧断接触网线的事故，会中断行车、影响铁路运输安全。因此，为了防止该事故的发生，研究电力机车受电弓升降保护装置是非常必要的。

1. TSG15型受电弓的工作原理

现神朔铁路机务段神华号交流机车和部分直流机车安装的是TSG15型受电弓，该受电弓是一种铰接式机械构件，是由框架（底架、下臂杆、上框架、拉杆、平衡杆）、升弓装置、弓头、气路控制阀等几部分组成的空间结构。它从接触网上集电受流，并将其传送到机车内供电机使用，为电力机车的运行提供动力源。

TSG15型受电弓的升降动作主要通过空气回路进行控制。当司机在司机室中按下升弓按钮时，电磁阀得电，压缩空气通过受电弓气阀板进入气囊升弓装置后，使气囊膨胀抬升，并带动作用于下臂杆的钢丝绳，钢丝绳拉拽下臂杆使得弓头升起并与接触网接触。当受电弓弓头与接触网接触时，通过弓头上滑板从网线上集取电流，并经由受电弓框架将电流传到底架，最后由底架上的接线端将电流引入车顶装置并传输到机车变压器。

当按下降弓按钮时，电磁阀失电，切断供风，气囊升弓装置中的气体开始被排出，受电弓靠自重下降，最后弓头保持在受电弓底架的两个橡胶止挡上，切断了接触网与机车之间的电力源供应。当受电弓滑板磨耗到限或由于刮弓折断时，滑板内气腔漏气，ADD装置将动作，迅速降弓，实现自动保护功能。

机车压缩空气通过电控阀控制，经受电弓气阀板上的过滤器进入升弓节流阀，再经精密调压阀整流后（整流后气压380kPa～400kPa）进入安全阀、降弓节流阀然后进入受电弓气囊，使受电弓升弓。

2.系统设计原则

为实现良好的弓网关系，确保铁路运输安全，需为神朔铁路机务段研制开发一套电力机车受电弓升降保护装置，以实现对机车升弓回路的自动监控。系统采用传感器检测机车升弓回路风压，通过控制器的逻辑判断实现压缩机的启停及受电弓的自动降弓，从而避免了受电弓与接触网之间因接触压力不足造成拉弧而产生接触网硬点甚至烧断接触网的事故，因此设计原则如下：

对机车升弓回路风压信号进行实时监控，并在必要时给出报警或自动降弓信号；少改动机车结构，操作简单化；具有抗干扰保护措施；本装置故障时，具有装置故障切除保护功能，不影响机车正常使用。

3. PDU受电弓升降保护装置组成及主要功能

PDU受电弓升降保护装置，是一种专门用于机车的可编程逻辑控制装置，可实时监测机车升弓回路风压，根据风压限值，执行受电弓升降动作，保障受电弓的安全升降，避免烧损接触网等风险。

3.1 PDU受电弓升降保护装置组成

如图1所示，PDU受电弓升降保护装置由压力传感器、控制器组成，具备独立升降弓保护功能，同时也可以配合LCU实现具体功能。在机车制动柜内的控制风管上加装压力传感器，传感器由模拟量控制器供电，控制器采集到传感器的420mA电流信号后，对其进行AD转换、滤波后，根据压力值和控制逻辑生成110V的控制信号，该信号可以给LCU或自行根据压力开关信号控制机车上其他相关设备。

3.2 装置内部组成

PDU受电弓升降保护装置主要由AD采集模块、数字量输入模块、数字量输出模块、主控制器模块构成，可以实现管道压力监测，机车DC110V信号控制信号采集。

PDU装置是一种可编程逻辑器件，通过微控制器芯片实现自动化控制功能，同时驱动LED显示模块显示风缸压力值以及实现数据记录功能。AD采集模块是PDU受电弓升降保护装置的关键部件，采集来自压力变送器的电流模拟量信号，并将其转换成控制器芯片可以处理的数字量信号。

PDU装置设计了4路AD采集通道，其中1路用于风缸压力检测，其余3路预留。另外，采集来自机车的控制信号，包括压缩机板件开关信号、劈相机完成信号等，并通过6路数字量输出通道输出DC110V电平信号驱动受电弓电控阀、压缩机接触器、主断路器等负载，完成独立升降弓保护功能。为了实现该装置的隔离功能，第一路输出通道设计为独立电源通道。当PDU面板上的转换开关处在隔离位时，第一路通道输出由外部电源独立控制，不受PDU影响，同时关断其他通道电源，实现该装置的隔离。此时除了风压显示外，该装置不对外执行任何控制功能。

3.3 工作原理

PDU受电弓升降保护装置监测机车升弓回路风压，当风压低于440kPa时司机室给升弓命令，受电弓无法升起，当风压值大于440kPa时，受电弓则会升起，避免因压力不足，受电弓没有完全升起，处在与电网悬浮状态的前提下，机车起动负载后，导致电网强“拉弧”烧断接触网、损坏受电弓的风险。

当机车在运行中，受电弓处在升起状态，PDU监测升弓回路风压低于440kPa，装置优先执行跳主断，再降弓，避免机车带全负载降弓导致“拉弧放炮”或接触压力不足存在烧损接触网或受电弓的风险。

在劈相机起来后，压缩机指令不受司机室开关控制，默认为起动状态，进行补风，总风缸大于900kPa时停止压缩机，避免因人为忘记给压缩机指令，从而导致总风缸压力下降，机车受电弓带全载降弓、烧损接触网等风险。

PDU受电弓升降保护装置实时监测并数字显示受电弓气路压力，给乘务人员提供参考，当PDU面板上的转换开关处在隔离位时，除风压力显示外，装置其他功能均被隔离，不会影响机车运行。

PDU具有故障日志记录功能，实时记录输入、输出通道状态及管道气压值，给故障分析带来参考依据。

3.4 应用说明

PDU装置安装在制动机柜中，装置上数码显示管显示的是受电弓气压回路压力值（单位：kPa）。机车正常运行中，PDU装置上的转换开关应处在“自动”档，当发生以下情况时司机需将转换开关转到“隔离”位。一是当受电弓升不起时，司机可以去制动柜观察PDU装置数码管的显示：若未显示故障代码，数值大于450（kPa）还不能升起受电弓，则可尝试将转换开关从“自动“转到“隔离”位，再尝试升弓动作。二是当PDU装置出现以下故障代码时，可尝试将转换开关转到隔离位再尝试升弓：①压力传感器故障，故障码E-01；②主断分通道故障，故障码E-02；③压缩机自起通道故障，故障码E-03；④AD采样通道故障，故障码E-04。

3.5 装置试验

通过对辅助缸风压进行控制，当PDU显示气压回路小于440kPa时，通过司机室给升弓命令，受电弓无法升起，通过辅助压缩机进行打风，当PDU监测的风压值大于440kPa时，受电弓则会升起。机车进行欠压隔离后，在受电弓升起并且主断合上的状态下通过对辅助缸风压进行控制，当PDU显示受电弓气压回路小于440kPa时，PDU将执行跳主断，再降弓动作。受电弓升起，合主断，起劈相机，在压缩机开关不闭合的前提下，压缩机自动起动，进行补风。

结语

受电弓是机车的重要电器元件，担任着电能传输的使命，其重要性毋庸置疑。依靠科技进步与创新，不断解决制约重载技术发展的瓶颈问题，研究重载机车各部分装置，保证重载运输安全，是时展的需要。本文对受电弓的工作原理、SS4B直流机车PDU受电弓升降保护装置的系统构成、工作原理进行了详细的阐述。该装置2015年8月在SS4B型89#机车上装车试用，运用至今，该装置运用可靠，提高了机车运行的效率和安全性。

参考文献

[1]张平生.机车受电弓常见故障原因分析及处理[J].电力机车技术，2001（4）：55-56.

[2]莫坚. SS9改进型机车受电弓及主断路器控制电路的改进设计[J].机车电传动，2007（3）：71-73.