接觸網(wǎng)承力索的覆冰厚度在線監(jiān)測技術(shù)研究

韓婉嬌，劉明光，王圣昆，王 娟，王詩月

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

我國地域遼闊，氣候復(fù)雜多變，輸電線路覆冰十分嚴(yán)重。2008年年初，南方地區(qū)發(fā)生的雪凝災(zāi)害性天氣，因牽引供電系統(tǒng)覆冰崩潰，使得電氣化鐵路失去外部電源而無法正常運行，使多條電氣化鐵路主干線運輸中斷，僅京廣線南段就有136列列車晚點，超過10萬名旅客滯留在車站和鐵路沿線[1]。接觸網(wǎng)的覆冰不僅會引起輸電線覆冰舞動或斷裂現(xiàn)象，也會導(dǎo)致受電弓無法正常取流[2]，尤其是對如今不斷發(fā)展的高速鐵路而言，該問題更為突出，必須引起高度重視。

目前，被業(yè)者所熟知的覆冰模型主要有Chaine模型、Imail模型、Lenhard模型、Goodwin模型和McComber模型等[3-4]。這些模型在使用上各有其局限性，許多參數(shù)都需要進(jìn)行查表或復(fù)雜計算才能得出，不能達(dá)到覆冰實時狀態(tài)監(jiān)測的要求，因此有必要提出一種簡單高效的覆冰厚度分析方法，以便能夠及時采取防冰融冰措施。

本文首先對接觸網(wǎng)覆冰的形成條件以及物理模型進(jìn)行分析；然后用Ansys搭建接觸網(wǎng)覆冰模型，并仿真計算覆冰厚度對張力補(bǔ)償器補(bǔ)償位移的影響；研究設(shè)計實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集到的環(huán)境狀況參數(shù)及補(bǔ)償位移，對接觸網(wǎng)覆冰狀態(tài)進(jìn)行實時分析；最后將實時監(jiān)測系統(tǒng)投入使用，驗證了系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實時地傳遞所需數(shù)據(jù)，分析出覆冰厚度，為后續(xù)的防融冰工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 覆冰的形成與物理模型

1.1 覆冰形成的環(huán)境條件

根據(jù)覆冰的形成條件可以把覆冰分為雨淞、混合淞、霧淞、白霜和雪[5-6]，但由于霧淞、白霜和雪的黏著力很微弱，雨淞氣象條件持續(xù)時間比較短，在接觸網(wǎng)上發(fā)生的覆冰通常由混合淞引起的?；旌箱粮脖话阈纬稍陲L(fēng)比較大、溫度在冰點以下時，主要分兩個階段：首先形成雨淞覆冰，隨著氣象變化，然后形成霧淞[7]。

空氣的流動帶動小水滴附著在接觸線上，雨淞發(fā)生時風(fēng)速一般在3～15 m/s，附在接觸線上的水滴凝固需要氣溫低于冰點。而覆冰大多出現(xiàn)在空氣相對濕度為85%以上，相對濕度超過80%需要做好防冰準(zhǔn)備[8]。并且文獻(xiàn)[9]認(rèn)為雨淞覆冰時的氣溫為-5～-0.2 ℃，文獻(xiàn)[10]中設(shè)定接觸線防冰的溫度條件為-1.5～0 ℃。

綜上所述，本文設(shè)定相對濕度大于80%，風(fēng)速為3～15 m/s，環(huán)境溫度低于0 ℃為開始進(jìn)行覆冰狀態(tài)分析的環(huán)境條件。

1.2 覆冰的物理模型

本文將接觸網(wǎng)的物理模型簡單化來進(jìn)行分析仿真，即線索的截面分別等效為半徑不同的標(biāo)準(zhǔn)圓，且承力索與接觸線平行拉直設(shè)立。接觸網(wǎng)覆冰模型如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)覆冰模型

對于承力索覆冰而言，因其起到固定作用，工作狀況相對穩(wěn)定，可以認(rèn)為承力索所覆冰層完全包裹在承力索上且均勻覆蓋，因此將冰層橫截面等效成以承力索的圓心為圓心，小半徑為r1，大半徑為r1+d的圓環(huán)。

對于接觸線而言，因其會受到列車受電弓的摩擦，使得其覆冰呈現(xiàn)不均勻的狀態(tài)，其上方覆冰較厚，而其下方有少量的覆冰，故接觸線的覆冰橫截面可以等效成內(nèi)半徑為r2，外直徑為2r2+d的月牙形狀。

2 覆冰厚度的仿真與分析

2.1 接觸網(wǎng)仿真模型建立[11]

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為方便研究，利用Ansys建立簡化的接觸網(wǎng)有限元模型，以12跨簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)為研究對象。接觸網(wǎng)單跨長度為50 m，單跨吊弦為10個，具體仿真模型參數(shù)如表1所示，建立的仿真模型如圖2所示。

表1 接觸網(wǎng)仿真模型參數(shù)

圖2 12跨接觸網(wǎng)有限元仿真模型

模型搭建完成后，在進(jìn)行覆冰仿真前需設(shè)定邊界條件，為得到承力索與接觸線順線路方向的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，并且考慮到重力對接觸網(wǎng)的影響，設(shè)置如下邊界條件：

(1)對全部支柱與地面之間施加全約束；

(2)對接觸網(wǎng)一端的定位裝置與接觸線和承力索的連接節(jié)點分別施加全約束，其余定位裝置連接節(jié)點釋放Y方向的自由度；

(3)對整個系統(tǒng)施加Z軸負(fù)方向的重力，重力加速度設(shè)為9.8 m/s2；

(4)為模擬張力補(bǔ)償裝置，在接觸網(wǎng)的另一端，即接觸線補(bǔ)償側(cè)施加恒定的17 kN張力，承力索補(bǔ)償側(cè)施加恒定的15 kN張力。

2.2 冰荷載的計算

冰荷載即覆冰作用到輸電線路上的力，通過上一節(jié)對接觸網(wǎng)覆冰的物理模型分析，接觸線的冰荷載可由式(1)求得。由于承力索的張力變化不僅與自身的覆冰情況有關(guān)，還與接觸線的覆冰有關(guān)，所以在研究承力索的覆冰厚度對b值的影響時，需要考慮承力索和接觸線上的覆冰情況，假設(shè)承力索與接觸線的覆冰厚度相同，承力索的冰荷載可由式(2)求得。

(1)

(2)

式中，ρ為冰密度，kg/m3；d為覆冰厚度，m；r1為承力索半徑，m；r2為接觸線半徑，m；h為兩節(jié)點間的距離，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3 覆冰厚度仿真分析

為了得到連續(xù)的變化曲線，本文假設(shè)每秒增加1 mm覆冰厚度，即用時間t/1 000代替式(1)和式(2)中的d。仿真分析分為三步，首先對設(shè)置好邊界條件的模型進(jìn)行仿真，得到接觸網(wǎng)的初始工作狀態(tài)，然后在此基礎(chǔ)上對模型中的接觸線和承力索分別施加隨時間變化的冰荷載，忽略支持裝置和吊弦上的覆冰，仿真后得到接觸網(wǎng)覆冰后的工作狀態(tài)，最后用第二步補(bǔ)償側(cè)Y方向上的變化量減去第一步的變化量即可得到覆冰導(dǎo)致補(bǔ)償位移[12]。

圖3和圖4分別為承力索和接觸線在不同覆冰厚度下的補(bǔ)償位移變化曲線；表2中列出了在覆冰厚度為5、10、15、20 mm和25 mm時承力索和接觸線的補(bǔ)償位移量。

圖3 承力索補(bǔ)償位移隨覆冰厚度的變化曲線

圖4 接觸線補(bǔ)償位移隨覆冰厚度的變化曲線

表2 不同覆冰厚度下承力索與接觸線的補(bǔ)償位移量

由仿真結(jié)果得到如下結(jié)論：

(1)由于覆冰物理形態(tài)的不同，在相同覆冰厚度的情況下，承力索b值的變化比接觸線的變化更為明顯，因此，為了更加精確地計算補(bǔ)償位移，選擇承力索補(bǔ)償器的墜砣到地面的距離作為測量對象；

(2)覆冰厚度達(dá)到5 mm以上時，冰荷載對承力索b值變化的影響較為明顯，因考慮到距離傳感器的測量精度，當(dāng)環(huán)境條件可能形成覆冰且覆冰厚度未達(dá)到5 mm時，采取防冰措施，當(dāng)覆冰厚度在5 mm以上時啟動融冰措施。

根據(jù)上述結(jié)論，用Matlab軟件對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并擬合覆冰厚度d與承力索b值變化量的關(guān)系函數(shù)，通過對數(shù)據(jù)的多種方式擬合，對比各次擬合的最大相對誤差，確定其關(guān)系式為

Δb=0.094 9d2+0.441 6d-1.270 4，6 mm≤d≤40 mm

(3)

對接觸網(wǎng)覆冰進(jìn)行了小比例模擬試驗，表3將計算值與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

表3 仿真與試驗的承力索補(bǔ)償位移對比

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 覆冰狀態(tài)分析流程

3.1.1 軟件流程

上位機(jī)軟件對接觸網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，當(dāng)環(huán)境條件達(dá)到覆冰條件時，對接觸網(wǎng)覆冰狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終指導(dǎo)防融冰措施的實施，具體流程如圖5所示。

圖5 覆冰在線監(jiān)測流程

3.1.2 實際覆冰厚度的計算原理

本文提出一種通過補(bǔ)償器承力索b值變化量來計算覆冰厚度的方法，在計算過程中，除了需要考慮覆冰對b值變化量的影響，風(fēng)速和溫度所帶來的影響是不能被忽視的。所以，想要更加準(zhǔn)確地計算覆冰引起的補(bǔ)償位移，需要在總的變化量中去除風(fēng)和溫度的影響。

文獻(xiàn)[13]研究了風(fēng)速及風(fēng)向?qū)ρa(bǔ)償位移的影響，分析得出風(fēng)致位移由線索橫向偏移和垂向偏移相互耦合而成，并給出了單跨接觸網(wǎng)下補(bǔ)償位移的近似計算方法。

承力索不同位置風(fēng)致橫向偏移

(4)

式中，pJ為承力索受到的風(fēng)荷載；J為承力索張力，N；l為跨距，m；pc0可由式(5)計算得到

(5)

其中，pK為接觸線受到的風(fēng)荷載；λ0為跨中吊弦的長度，m；gK為接觸線單位長度的重力負(fù)載；K為接觸線張力，N。

pK和pJ可由式(6)計算得到

p=0.625q·C·(2r)·l·v2sinθ

(6)

其中，q為風(fēng)速不均勻系數(shù)；C為風(fēng)負(fù)載體形系數(shù)；r為線索半徑；v為風(fēng)速；θ為風(fēng)向與線索之間的夾角。

承力索不同位置風(fēng)致垂向偏移

(7)

其中，gJ為接觸線單位長度的重力負(fù)載。

承力索補(bǔ)償位移

(8)

其中，bxm和bzm分別為風(fēng)荷載作用下承力索的最大橫向偏移值和最大垂向偏移值，分別通過式(4)和(7)中取x=1/2計算得到；F0為承力索的初始弛度。

文獻(xiàn)[14]給出了補(bǔ)償裝置b值隨溫度變化的關(guān)系式

btemp(T)=bmin+n·L·α·(Tmax-T)

(9)

式中，bmin為設(shè)計時規(guī)定的最小b值，mm；n為補(bǔ)償滑輪傳動系數(shù)；L為錨段內(nèi)中心錨結(jié)至補(bǔ)償器間距離，m；α為線索的線膨脹系數(shù)；Tmax為設(shè)計時采用的最高溫度，℃。

利用在線監(jiān)測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)，將實際測量到的b值減去根據(jù)式(9)計算得出的此時溫度下對應(yīng)的b值，再去除根據(jù)式(8)得出的風(fēng)致位移，即可得到僅由覆冰導(dǎo)致的補(bǔ)償位移，最后由式(3)可反推得到覆冰厚度。

3.2 數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計

本文在Visual Studio 2010環(huán)境下，采用C#語言完成覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用軟件的開發(fā)，并利用SQL Server 2008對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫中表是存儲數(shù)據(jù)的地方，是建立數(shù)據(jù)庫的核心部分，管理好表也就管理好了數(shù)據(jù)庫[15]。根據(jù)系統(tǒng)中涉及到的實體數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了用戶信息表staff_info，終端信息表terminal_info和監(jiān)控數(shù)據(jù)表data_monitor，數(shù)據(jù)表具體內(nèi)容及關(guān)系如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

3.2.2 客戶端界面及功能

數(shù)據(jù)中心軟件主要包括登錄，實時監(jiān)控，設(shè)置，數(shù)據(jù)管理，歷史數(shù)據(jù)查看與分析和打印選項6個界面。

用戶在登陸界面選擇身份，輸入相應(yīng)用戶名和密碼進(jìn)行登陸，不同用戶僅能查看其權(quán)限下的監(jiān)控終端數(shù)據(jù)，在該界面也可以進(jìn)行密碼修改操作。

實時監(jiān)控界面讀取并顯示實時的監(jiān)測信息，計算覆冰厚度，及時給出覆冰報警。當(dāng)其他終端監(jiān)測到有覆冰時，界面也會給予提示，使相關(guān)單位可以及時采取防覆冰措施。

設(shè)置界面包括監(jiān)控終端基本設(shè)置和登陸人員設(shè)置，可以通過ADO.NET對terminal_info和staff_info表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加與修改操作，以便對登錄者和監(jiān)控終端進(jìn)行擴(kuò)充與管理。

數(shù)據(jù)管理界面只有管理員才有權(quán)限進(jìn)入，通過VS2010中的DataGridView表格控件來操作所選日期的數(shù)據(jù)，也可利用excel實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出。

歷史數(shù)據(jù)查看與分析界面針對所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)以及計算得到的覆冰厚度分別進(jìn)行曲線的繪制，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫和line函數(shù)來實現(xiàn)。

打印選項界面會針對所選擇的內(nèi)容和終端編號，以報告的形式完成打印，通過調(diào)用print函數(shù)來實現(xiàn)，打印報告中可包含相應(yīng)的報警內(nèi)容和曲線。

4 監(jiān)控裝置調(diào)試與運行

將監(jiān)控終端在湖南省某供電段接觸網(wǎng)進(jìn)行安裝，現(xiàn)場安裝效果如圖7所示，安裝后對監(jiān)控終端進(jìn)行運行調(diào)試，可以看到現(xiàn)場人機(jī)交互模塊能夠很好地接收到傳感器測得的信息。在數(shù)據(jù)中心對監(jiān)控軟件進(jìn)行調(diào)試，如圖8所示，軟件能夠穩(wěn)定運行，實時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算覆冰厚度，在接觸網(wǎng)防覆冰應(yīng)用中取得了很好的效果。

圖7 監(jiān)控終端安裝效果

圖8 覆冰在線監(jiān)測中心軟件界面

5 結(jié)論

(1)接觸網(wǎng)的覆冰主要由混合淞引起，當(dāng)達(dá)到一定的環(huán)境條件，接觸網(wǎng)可能會發(fā)生覆冰，且由于列車經(jīng)過，接觸線與承力索的覆冰形態(tài)不同。

(2)隨著覆冰厚度的增加，接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償位移不斷增大；在相同的覆冰厚度下，承力索補(bǔ)償位移較為明顯，可以根據(jù)其補(bǔ)償位移來分析覆冰厚度。

(3)經(jīng)過一段時間的應(yīng)用，驗證了覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地分析接觸網(wǎng)覆冰狀態(tài)，且系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。

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