基于紅外檢測(cè)的鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵區(qū)域故障研究

于博軒，馬 成，王元貴

0 引言

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)向電力機(jī)車供電的特殊輸電線路。其由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)等部分組成。接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件。接觸懸掛通過(guò)支持裝置架設(shè)在支柱上，其作用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車。接觸網(wǎng)的連接由于受外界等各種因素的影響容易發(fā)生過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致供電中斷，引發(fā)列車停運(yùn)事故。紅外熱成像儀可以在遠(yuǎn)距離對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行溫度檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，避免事故發(fā)生。

1 接觸懸掛與線夾等零部件故障原因

1.1 接觸懸掛的故障類型及原因

（1）導(dǎo)線接頭壓接管壓力不夠，導(dǎo)線接觸面過(guò)小，引起接觸電阻過(guò)大，發(fā)熱嚴(yán)重。

（2）接觸網(wǎng)線索容量偏小，難以承受接觸網(wǎng)供電線路長(zhǎng)期的大負(fù)載運(yùn)行，進(jìn)而引起燒傷。

（3）導(dǎo)線斷股，電阻較大，引起發(fā)熱。按照規(guī)定導(dǎo)線表面允許發(fā)熱的溫度為70℃。1980年，蘇聯(lián)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議規(guī)定，從導(dǎo)線的耐熱角度，鋼芯鋁絞線可以采用150℃，但是為了防止接頭氧化進(jìn)而損壞，在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的條件下，溫度不能超過(guò)70℃。

1.2 線夾的故障原因

（1）導(dǎo)體連接部位在長(zhǎng)期遭受機(jī)械振動(dòng)、抖動(dòng)或在風(fēng)力作用下擺動(dòng)，使引流線夾、跳線線夾、耐張線夾螺絲松動(dòng)，引起發(fā)熱。

（2）線夾銅鋁接觸面過(guò)小，銅鋁本身不易結(jié)合，尤其在接觸網(wǎng)線路長(zhǎng)期大負(fù)載運(yùn)行條件下，線夾斷裂故障時(shí)有發(fā)生。

1.3 絕緣部件的故障原因

污穢高壓絕緣子在周圍環(huán)境干燥時(shí)，其表面絕緣電阻非常大，此時(shí)流過(guò)污層的泄漏電流很?。划?dāng)絕緣子污層受潮時(shí)，泄漏電流將會(huì)慢慢增大，電流流過(guò)污層時(shí)便會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致絕緣子表面的溫度升高。在濕度相同的情況下，絕緣子污穢等級(jí)不同，泄漏電流大小不同，溫度分布也隨之不同，污穢越嚴(yán)重，泄漏電流越大，溫度變化就越顯著。

（1）復(fù)合絕緣子故障特征：過(guò)熱部分的棒芯積污最為明顯，其他部分積污情況一般，遠(yuǎn)離過(guò)熱的傘裙區(qū)域較為干凈；高壓端過(guò)熱部分的傘裙老化嚴(yán)重，尤其是過(guò)熱的棒芯護(hù)套結(jié)成磚狀硬塊。過(guò)熱部分橡膠老化嚴(yán)重，易撕裂，棒芯表面粉化；過(guò)熱部分已經(jīng)喪失了憎水性，其余部分還能形成結(jié)珠。

（2）引起復(fù)合絕緣子發(fā)熱的幾種主要缺陷：當(dāng)絕緣子某處絕緣材料由于故障導(dǎo)致電阻下降到一定程度后，之前均勻分布的泄漏電流將會(huì)集中流過(guò)該處，導(dǎo)致該處的電阻損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地方，在該處出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象；當(dāng)絕緣子外護(hù)套或芯棒破損后，水分潮氣便能夠滲入其中，在破損部位產(chǎn)生局部強(qiáng)場(chǎng)，從而引發(fā)局部放電。每一個(gè)局部放電都伴隨著微小的電流脈沖或電子崩，它們打在絕緣材料上，使該局部溫度升高；金具電暈產(chǎn)生的離子打在絕緣子護(hù)套上，也會(huì)使絕緣子護(hù)套發(fā)熱。

正常負(fù)荷絕緣子串的溫度分布差別很小，所以發(fā)現(xiàn)絕緣子串部分有較明顯溫升即應(yīng)視為缺陷。

1.4 關(guān)鍵零部件的故障原因

外部存在熱缺陷的導(dǎo)體接頭部位長(zhǎng)期裸露在大氣中，由于在其運(yùn)行過(guò)程中，長(zhǎng)年受到日曬、雨淋、風(fēng)塵結(jié)露及化學(xué)活性氣體的侵蝕，造成了連接件導(dǎo)體接觸表面嚴(yán)重銹蝕或氧化，氧化層的存在使金屬接觸面的電阻率增加了幾十倍甚至上百倍，導(dǎo)致電氣連接阻抗加大，主供電回路導(dǎo)流不暢，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行便會(huì)燒傷接觸網(wǎng)設(shè)備。

2 紅外檢測(cè)技術(shù)及裝置

紅外線是波長(zhǎng)0.78～1 000 μm的電磁波，任何高于絕對(duì)溫度零度的物體都是紅外輻射源，物體表面溫度越高，紅外線輻射的功率越大。人眼只能感受可見光，不能直接感受紅外線，但是可以借助紅外熱成像儀來(lái)觀測(cè)紅外線的能量密度分布。

紅外熱成像儀主要由紅外攝像頭和處理器 2部分組成。它基于光電效應(yīng)原理，通過(guò)掃描方式將來(lái)自目標(biāo)的紅外輻射能，逐點(diǎn)聚集在光學(xué)系統(tǒng)上的紅外光電探測(cè)器上。探測(cè)器將物體表面輻射的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，處理器再把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器里，當(dāng)獲得完整的一幀紅外圖像數(shù)據(jù)后，通過(guò)內(nèi)置的彩色顯示屏顯示出來(lái)。如圖1，圖2所示。

筆者根據(jù)沈陽(yáng)鐵路局蘇家屯火車站附近線路實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套車載接觸網(wǎng)作業(yè)車紅外巡視裝置。該裝置正是利用了任何物體都能輻射紅外能量的特點(diǎn)，通過(guò)在檢測(cè)車上安裝紅外檢測(cè)傳感裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)線路上基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化巡檢，提高巡檢效率，快速有效地發(fā)現(xiàn)故障缺陷，從而有效地指導(dǎo)供電段以及維管段對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。

圖1 鐵路輸電線路對(duì)比圖

圖2 接觸網(wǎng)線路對(duì)比圖

2.1 紅外檢測(cè)裝置功能

（1）測(cè)溫功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛、絕緣部件、線夾以及關(guān)鍵零部件等區(qū)域狀態(tài)溫度，并返回溫度值。

（2）報(bào)警功能。當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警。

（3）顯示功能。在上位機(jī)上顯示監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

（4）定位功能。所測(cè)熱圖像與實(shí)際線路設(shè)施對(duì)應(yīng)起來(lái)，方便查詢、維修。

（5）分析判斷功能。通過(guò)溫度以及相應(yīng)算法支持分析故障并判斷設(shè)備性能好壞。

（6）數(shù)據(jù)查詢保存功能。方便事后查詢數(shù)據(jù)，以提供維修依據(jù)。

2.2 紅外檢測(cè)裝置構(gòu)成

2.2.1 硬件架構(gòu)

（1）裝置構(gòu)成。裝置主要由車頂設(shè)備和車內(nèi)設(shè)備構(gòu)成。其細(xì)分為紅外傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、電源組模塊以及定位模塊5大部分。硬件架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 硬件架構(gòu)示意圖

（2）地標(biāo)里程檢測(cè)設(shè)備。在維修作業(yè)車上，地標(biāo)參考信息來(lái)自作業(yè)車TAX箱；如TAX箱不開放，需要增加里程檢測(cè)設(shè)備，采用檢測(cè)車成熟應(yīng)用的里程檢測(cè)設(shè)備。其利用速度傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)定位，方法是：首先將每一條線路，每一個(gè)車站或區(qū)間，每一個(gè)電桿的編號(hào)及電桿之間的距離存入數(shù)據(jù)庫(kù)，速度傳感器是一種光電旋轉(zhuǎn)編碼器，將它配置于作業(yè)車上，和車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一周輸出200個(gè)脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)器專門用來(lái)計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值除以 200，再乘以車輪直徑，再乘π，即可得到車行走的距離，將該距離值和數(shù)據(jù)庫(kù)中2根相鄰電桿之間的距離值對(duì)照，從而確定對(duì)應(yīng)的電桿編號(hào)。由于車輪蛇形運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)所造成的累計(jì)誤差，其定位的誤差隨行車?yán)锍淘黾佣龃蟆?/p>

（3）圖像存儲(chǔ)設(shè)備。采用定制視頻服務(wù)器以及工控機(jī)內(nèi)防震硬盤，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果（包括熱圖像和報(bào)表等）的大容量存儲(chǔ)。

（4）電源模塊。選擇高性能、低功耗的UPS電源模塊，給紅外檢測(cè)裝置和工控機(jī)供電，保證外出檢測(cè)時(shí)間。

2.2.2 軟件功能

（1）軟件功能實(shí)現(xiàn)框圖，如圖4所示。

圖4 軟件功能實(shí)現(xiàn)框圖

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置：

a.提供實(shí)時(shí)顯示界面，實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物體的等溫色帶?？梢栽O(shè)置不同溫度下所顯示色帶的顏色深淺；b.實(shí)時(shí)顯示選定區(qū)域的溫度曲線，量化選定區(qū)域的溫度；c.通過(guò)設(shè)定閾值的方式進(jìn)行故障判斷，得出故障的數(shù)據(jù)，并可以對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；d.把整個(gè)監(jiān)控的過(guò)程以視頻的方式存儲(chǔ)，以便用戶查看；e.對(duì)采集到的速度進(jìn)行積分處理從而計(jì)算出列車的里程，實(shí)現(xiàn)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)和鐵路上的公里標(biāo)、桿號(hào)等對(duì)應(yīng)；f.把檢測(cè)過(guò)程中測(cè)到的數(shù)據(jù)整理，歸納，以報(bào)表形式打印。

（3）回放再現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程：

a.在整個(gè)重現(xiàn)的過(guò)程中可以查看被測(cè)區(qū)域的任意點(diǎn)的溫度，也可以對(duì)監(jiān)控點(diǎn)和環(huán)境點(diǎn)進(jìn)行比較從而找出故障；b.打開檢測(cè)時(shí)被認(rèn)為是故障點(diǎn)時(shí)保存的數(shù)據(jù)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

該裝置利用紅外傳感模塊無(wú)需接觸就能探測(cè)到物體輻射的紅外能量的大小，獲得體現(xiàn)物體溫度的矩陣，從而得到以灰度值高低來(lái)表征溫度高低的二維灰度圖像，并對(duì)污穢絕緣子進(jìn)行拍攝，獲得熱圖像，得到體現(xiàn)污穢絕緣子表面溫度高低的熱像圖，從而判斷故障所在。紅外檢測(cè)初步效果圖如圖5所示。

圖5 紅外檢測(cè)初步效果圖

紅外檢測(cè)具有遠(yuǎn)距離、快速準(zhǔn)確、靈敏度高、圖像直觀、不受電磁干擾、測(cè)量范圍廣、不停電、不接觸、不解體等特點(diǎn)，給鐵路系統(tǒng)接觸網(wǎng)日常維護(hù)保養(yǎng)提供了一種先進(jìn)手段，因此其在鐵路系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3 環(huán)境因素對(duì)紅外檢測(cè)的影響及處理措施

（1）太陽(yáng)和背景輻射的影響及對(duì)策。室外進(jìn)行紅外檢測(cè)，紅外輻射包括：目標(biāo)的紅外輻射，其他輻射源對(duì)目標(biāo)的輻射使目標(biāo)本身溫度產(chǎn)生變化，其他輻射源的輻射通過(guò)目標(biāo)反射進(jìn)入儀表，背景輻射直接進(jìn)入儀表。

防止其他輻射源對(duì)目標(biāo)的輻射使目標(biāo)本身溫度產(chǎn)生變化的對(duì)策，是準(zhǔn)確合理選擇環(huán)境溫度參照體并用其溫度代替環(huán)境溫度，消除目標(biāo)反射帶來(lái)的影響。

防止其他輻射源的輻射通過(guò)目標(biāo)反射進(jìn)入儀表的方法，是在高反射的目標(biāo)表面涂覆無(wú)光黑漆，或者改變角度以避開反射的最佳檢測(cè)方式。

防止背景輻射直接進(jìn)入儀表的對(duì)策是選擇空間分辨率足夠高的紅外測(cè)溫儀器。

室外檢測(cè)無(wú)需在不見陽(yáng)光的情況下進(jìn)行，但是必須保證其測(cè)試時(shí)不是陽(yáng)光最強(qiáng)烈的中午，且測(cè)試角度不能正對(duì)陽(yáng)光，不能有強(qiáng)光反射到儀器上，在夜間進(jìn)行檢測(cè)效果更好。

（2）氣象的影響及對(duì)策。防止氣象條件帶來(lái)的影響，可采取的對(duì)策是選擇無(wú)霧、無(wú)雨的天氣進(jìn)行檢測(cè)。而且風(fēng)速小于0.1 m/s或等于0.05 m/s的天氣作定量測(cè)定，最大風(fēng)力不能超過(guò)三級(jí)。否則要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)速修正。

（3）大氣衰減的影響及對(duì)策。減少大氣衰減的影響，采取的對(duì)策是盡量安排在干燥清潔的季節(jié)檢測(cè)，要求相對(duì)濕度不大于85%。檢測(cè)距離很近時(shí)，可適當(dāng)放寬要求。在不影響安全的條件下，應(yīng)盡量縮短檢測(cè)距離。

（4）發(fā)射率的影響及對(duì)策。克服發(fā)射率影響的對(duì)策是從儀表說(shuō)明書中查找目標(biāo)物體的發(fā)射率，正確設(shè)置。對(duì)于溫度較高的目標(biāo)，可以采取噴漆的方法，例如將發(fā)射率為 0.97的丙烯酸樹脂均勻地噴涂在被測(cè)物體表面。然后通過(guò)調(diào)整紅外熱成像儀的發(fā)射率，直到?jīng)]有噴漆的表面溫度與噴漆表面溫度相同或接近，此時(shí)的發(fā)射率即為目標(biāo)物體正確的發(fā)射率。由于剛噴漆完的目標(biāo)無(wú)法擦拭干凈，所以最好在噴漆5 min后，再進(jìn)行測(cè)試。常見物體的發(fā)射率參見表1。

表1 常見物體的發(fā)射率一覽表

（5）環(huán)境溫度的影響及對(duì)策。為減少環(huán)境溫度影響，選擇在日出前或日落后3 h之內(nèi)開展檢測(cè)，避免太陽(yáng)輻射的影響，保障環(huán)境溫度的穩(wěn)定，或者選擇好環(huán)境溫度參照體，將它代替環(huán)境溫度參與相對(duì)溫差計(jì)算。

（6）距離的影響。輸電線路桿塔較高，一般選用7°或12°鏡頭基本能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。通常12°鏡頭的有效距離為 20～30 m，7°鏡頭的有效距離應(yīng)控制在40 m內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電氣化鐵路接觸網(wǎng)線路故障類型種類繁多，造成的原因也各不相同。在對(duì)故障進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)對(duì)故障類型及故障原因進(jìn)行總結(jié)，充分考慮線路上發(fā)生局部過(guò)熱甚至燒傷的現(xiàn)狀，從而更準(zhǔn)確地判斷線路故障情況；另外通過(guò)借助紅外檢測(cè)等高科技技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了紅外檢測(cè)設(shè)備，為接觸網(wǎng)線路故障檢測(cè)提供了新的可靠的方法；最后分析了環(huán)境對(duì)紅外檢測(cè)的影響并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供了保障。

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