接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

胡祥杰，楚振宇，謝志迅，姜國連

0 引言

接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞是電氣化鐵路比較常見的自然災(zāi)害，多發(fā)生在每年的初冬和初春季節(jié)。接觸網(wǎng)覆冰影響面積廣、危害大、搶修難度大；接觸網(wǎng)風(fēng)舞會導(dǎo)致線材振動幅度加大而增大接觸網(wǎng)設(shè)備的機械損壞，常常引發(fā)弓網(wǎng)故障，導(dǎo)致電力機車受電弓不能正常取流，甚至造成斷線短路跳閘而中斷供電。近年來，極端氣候頻繁出現(xiàn)，接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞災(zāi)害頻現(xiàn)，如何應(yīng)對接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞帶來的危害，是一個非常重要的課題。

鑒于我國電氣化鐵路里程長，覆蓋面廣，為減少接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞事故帶來的危害，保障電氣化鐵路安全、穩(wěn)定、可靠運行，除在電氣化鐵路接觸網(wǎng)沿線加裝防風(fēng)舞設(shè)備外，還應(yīng)加強接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測、預(yù)警和診斷方法的相關(guān)研究。目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞主要的監(jiān)測手段和方法包括人工定期進行巡檢和在鐵路沿線搭建觀冰站等，這些方法存在投資成本高，勞動強度大，事故隱患無法及時發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)相差較大等問題。

研究和應(yīng)用接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）實時掌握接觸網(wǎng)沿線氣象條件；

（2）利用氣象參數(shù)分析預(yù)測接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞的發(fā)展趨勢，及時發(fā)出預(yù)警信息，提高接觸網(wǎng)安全運行水平；

（3）不受氣候及地理環(huán)境的影響，減少維修人員在惡劣天氣下上線巡檢的安全隱患；

（4）取代造價昂貴且維護困難的觀冰站。

因此，研究接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測技術(shù)，可防止覆冰和風(fēng)舞帶來的災(zāi)害，對提高電氣化鐵路的安全運行可靠性具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測

1.1 架空導(dǎo)線覆冰監(jiān)測技術(shù)比較

目前，國內(nèi)外針對電氣化接觸網(wǎng)架空導(dǎo)線覆冰主流的在線監(jiān)測技術(shù)包括圖像法、傾角-弧垂法、稱重法等。

（1）圖像法。在接觸網(wǎng)支柱上安裝在線監(jiān)測視頻裝置，拍攝采集接觸線、承力索、正饋線、PW線或回流線上的覆冰形狀圖片，利用有線或無線數(shù)據(jù)傳輸方式將現(xiàn)場采集的圖片傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測平臺，利用導(dǎo)線固有參數(shù)（材料、截面積等）采用微積分計算方法計算接觸網(wǎng)導(dǎo)線覆冰面積，再換算得到等效導(dǎo)線覆冰厚度?，F(xiàn)場采集采用圖像法相對比較容易，而且能夠直觀地觀察接觸網(wǎng)實際覆冰情況，但由于攝像頭只能觀察近處覆冰狀況，很難全線布設(shè)，因此采集信息量有限，另外在積雪較厚的季節(jié)，攝像頭有可能被冰雪覆蓋，致使視頻監(jiān)測系統(tǒng)失效。

（2）傾角-弧垂法。傾角-弧垂法是將傾角傳感器安裝在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上，監(jiān)測導(dǎo)線懸掛點或絕緣子串處傾斜角度的變化，并根據(jù)導(dǎo)線參數(shù)和環(huán)境溫度進行計算，根據(jù)原始角度形成角度差，得出導(dǎo)線受力增加量，再換算成線路覆冰的重量，通過導(dǎo)線固有的參數(shù)等效計算出接觸網(wǎng)導(dǎo)線覆冰厚度。由于傾角-弧垂法的弧垂數(shù)據(jù)需參考傾角，受環(huán)境影響較大，而且測量位置、桿塔之間的距離會對角度測量產(chǎn)生影響，造成誤差較大，從而影響覆冰厚度的計算。該方法適用于正饋線、PW 線或回流線等獨立架設(shè)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線。

（3）稱重法。稱重法將原有接觸網(wǎng)導(dǎo)線上的球形掛環(huán)用拉力傳感器替換，拉力傳感器直接測量桿塔下接觸網(wǎng)導(dǎo)線所帶來的拉力，并利用接觸網(wǎng)導(dǎo)線本身參數(shù)、環(huán)境溫度、風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)，計算接觸網(wǎng)導(dǎo)線的重量，并排除由于風(fēng)力風(fēng)向及絕緣子串傾斜帶來的拉力分量，最終得出覆冰重量，再根據(jù)接觸導(dǎo)線的材質(zhì)以及截面積換算等效覆冰厚度。該技術(shù)相對成熟，誤差較小，國際上比較通用。

本次研究推薦采用稱重法進行接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測。

1.2 接觸網(wǎng)導(dǎo)線覆冰厚度計算模型

接觸網(wǎng)導(dǎo)線綜合載荷是檔距內(nèi)導(dǎo)線固有載荷、冰載荷、風(fēng)載荷、絕緣子載荷之和，據(jù)此可建立接觸網(wǎng)導(dǎo)線載荷平衡模型：

式中：QΣ為接觸網(wǎng)導(dǎo)線垂直載荷；Q0為導(dǎo)線懸掛自重載荷；QW為風(fēng)載荷；Qi為冰載荷；Qr為絕緣子載荷。

QΣ可通過拉力傳感器測量得出；Q0、Qr可由接觸網(wǎng)導(dǎo)線、絕緣子制造廠家提供；QW可通過風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面積計算得出。在計算中還要考慮導(dǎo)線受風(fēng)體形系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)以及線路導(dǎo)線風(fēng)載調(diào)整系數(shù)等影響。通過建立垂直載荷數(shù)學(xué)模型得出覆冰載荷后，再依據(jù)覆冰厚度等效模型計算出導(dǎo)線等值覆冰厚度：

式中：φ為導(dǎo)線覆冰厚度；d為無覆冰時導(dǎo)線外徑；m1為無覆冰時導(dǎo)線單位長度質(zhì)量；m3為覆冰后單位長度導(dǎo)線質(zhì)量，可由重力傳感器測得數(shù)據(jù)后進行計算得到；ρi為覆冰密度。

由式（2）可計算出等效導(dǎo)線、地線均勻覆冰厚度。

1.3 接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測設(shè)備組成

（1）環(huán)境及氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置。在桿塔底部安裝氣象和環(huán)境監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測氣象環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，安裝時盡量避免高速列車通過帶來的影響，如果條件允許，可增加降雨量傳感器、日照傳感器等。

（2）接觸網(wǎng)導(dǎo)線拉力監(jiān)測裝置。在絕緣子與桿塔之間加裝拉力傳感器，拉力傳感器的安裝應(yīng)保證安裝結(jié)構(gòu)的安全，另外其監(jiān)測范圍不宜過大或過小。本系統(tǒng)采用拉力傳感器監(jiān)測絕緣子垂直方向的荷載，在線監(jiān)測桿塔縱向張力的變化。

（3）匯控柜。將氣象數(shù)據(jù)采集裝置和桿塔拉力采集裝置采集的數(shù)據(jù)通過通信模塊匯集到匯控柜，由匯控柜提供相應(yīng)的電源，同時提供通信功能，將數(shù)據(jù)上送至控制中心。

（4）覆冰分析模塊。覆冰分析模塊根據(jù)接觸網(wǎng)導(dǎo)線綜合載荷，利用拉力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)力傳感器、絕緣子傾角傳感器等建立一個綜合數(shù)學(xué)模型，在線監(jiān)測接觸網(wǎng)導(dǎo)線的等值覆冰厚度的變化。

接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測方案如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測方案示意圖

2 接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測

2.1 架空導(dǎo)線風(fēng)舞在線監(jiān)測技術(shù)比較

目前，國內(nèi)外常用的架空輸電線路風(fēng)舞在線監(jiān)測技術(shù)主要包括視頻監(jiān)控法、加速傳感器法、光纖傳感器法等。

（1）視頻監(jiān)控法。在接觸網(wǎng)線路桿塔（接觸網(wǎng)支柱）上安裝攝像頭，根據(jù)實時監(jiān)測接觸網(wǎng)導(dǎo)線坐標(biāo)方向和安裝攝像頭以后初始導(dǎo)線坐標(biāo)方向之間的平移數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間進行擬合，利用相關(guān)算法推導(dǎo)風(fēng)舞旋轉(zhuǎn)角度。該方法涉及數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、無線通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、新能源及低功耗應(yīng)用技術(shù)。

（2）加速度傳感器法。在接觸網(wǎng)上安裝加速度傳感器，根據(jù)加速度和位移的關(guān)系計算出導(dǎo)線風(fēng)舞的振幅數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，由專家分析模塊給出接觸網(wǎng)風(fēng)舞數(shù)據(jù)，根據(jù)運行情況判斷是否需要報警。由于加速度傳感器數(shù)據(jù)信號頻率較高，大量數(shù)據(jù)需要通過無線實時傳輸，需要消耗大量流量，因此無法實現(xiàn)實時傳輸。另外，安裝位置、桿塔之間的距離對數(shù)據(jù)信號的影響也較大。

（3）光纖傳感器法。分布式光纖傳感器可利用空間網(wǎng)絡(luò)的特點獲得被監(jiān)測設(shè)備空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息，在整個光纖網(wǎng)絡(luò)上對接觸網(wǎng)導(dǎo)線進行連續(xù)測量。利用光纖傳感器與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性等優(yōu)點，使接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測具有更好的實時性、在線性、可靠性和穩(wěn)定性。在牽引網(wǎng)線材（目前主要是PW 線或回流線）內(nèi)安裝光纖，并將光纖傳感器連接到監(jiān)測主機，構(gòu)成分布式光纖傳感器在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)線載荷變化和風(fēng)力影響造成舞動變化數(shù)據(jù)經(jīng)接觸網(wǎng)傳入光纖光柵，并通過光纖信號傳輸回監(jiān)測主機。光纖傳感器法采用波分復(fù)用技術(shù)對光柵反射信號進行解調(diào)，分析導(dǎo)線載荷和風(fēng)力影響帶來的振動影響。

對比上述3 種方法，視頻監(jiān)控法成本較高，維護工作量較大，同時受到氣候的影響，例如攝像頭被冰雪覆蓋等；而加速度傳感器的安裝位置選擇困難，不能很好地表現(xiàn)出接觸網(wǎng)風(fēng)舞的全面情況。本次研究推薦采用沿接觸網(wǎng)線材設(shè)置光纖的光纖傳感器法。

2.2 監(jiān)測原理

通過采用光纖振動傳感器輔以分布式溫濕度傳感器以及應(yīng)力傳感器對接觸網(wǎng)的附加線進行狀態(tài)監(jiān)測，采用帶光纖的附加線實現(xiàn)對接觸網(wǎng)的風(fēng)舞及雷電振動信號的監(jiān)測和識別。

光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)是一套長距離、分布式、可精確定位的振動監(jiān)測系統(tǒng)，基于智能化信號處理算法，可實現(xiàn)事件精確定位、多事件同時報警、事件類型準(zhǔn)確識別、個性化分區(qū)配置、地圖展示等多個功能。該系統(tǒng)基于φ-OTDR（φ光時域反射儀）原理，利用高相干度背向瑞利散射光的干涉現(xiàn)象，以通信光纖光纜作為傳感和分析設(shè)備，可以檢測一根長達(dá)幾千米到幾十千米的光纖的振動信息，之間的采樣間隔可以僅為1 m，檢測周期可達(dá)毫秒級。當(dāng)光脈沖傳播到受外界振動信號作用的光纖段時，其瑞利散射回到探測器的光信號也會產(chǎn)生變化，通過檢測散射光信號的變化就可以檢測出測量區(qū)域的振動情況，同時通過模式識別算法即可準(zhǔn)確判斷出多種不同的振動方式，并能實現(xiàn)多點同時監(jiān)測和精確定位。

2.3 設(shè)備組成

（1）光纖傳感器。與導(dǎo)線生產(chǎn)廠家進行技術(shù)對接，將光纖傳感器預(yù)埋于PW 線內(nèi)，并在導(dǎo)線內(nèi)將光纖使用鋼線進行加固，防止光纖折斷。同時在兩端預(yù)留一些導(dǎo)線，以便于光纖熔接。

（2）光纖熔接盒。光纖熔接盒共有2 個，1個置于電氣化鐵路軌道旁線纜槽內(nèi)（要求具備放置室外IP65 防護等級），1 個置于計算機監(jiān)控中心屏柜內(nèi)。

接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測方案如圖2 所示。

圖2 接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測方案示意圖

3 接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述分析，接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）風(fēng)舞在線監(jiān)測服務(wù)器。風(fēng)舞在線監(jiān)測服務(wù)器包含了光纖傳感器信號解調(diào)模塊，主要根據(jù)光纖傳送的振動數(shù)據(jù)以及氣象信息數(shù)據(jù)分析接觸網(wǎng)風(fēng)舞狀態(tài)。

圖3 接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)

（2）覆冰在線監(jiān)測服務(wù)器。覆冰在線監(jiān)測服務(wù)器主要負(fù)責(zé)根據(jù)桿塔拉力監(jiān)測以及氣象信息數(shù)據(jù)分析接觸網(wǎng)覆冰狀態(tài)。

（3）通信管理機。通信管理機分別與覆冰在線監(jiān)測服務(wù)器和風(fēng)舞在線監(jiān)測服務(wù)器連接，同時與上級信息系統(tǒng)連接，將實時狀態(tài)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息及時上傳至上級信息系統(tǒng)。

（4）光纖熔接盒。光纖熔接盒主要負(fù)責(zé)與接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)進行連接，并將光信號連接至風(fēng)舞監(jiān)測服務(wù)器。

3.3 系統(tǒng)實施

根據(jù)上述研究研制開發(fā)了1 套接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)，整套裝置（圖4）組屏安裝于崇禮鐵路小白陽牽引變電所控制室內(nèi)。

圖4 接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞綜合在線監(jiān)測裝置

在崇禮鐵路小白陽牽引變電所附近上下行各取一個錨段安裝了帶光纖的PW 線和氣象參數(shù)采集裝置，通過溫濕度和應(yīng)力采集裝置實現(xiàn)接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測，通過采用光纖振動傳感器輔以分布式溫濕度以及應(yīng)力傳感器對接觸網(wǎng)附加線進行狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)接觸網(wǎng)的風(fēng)舞、雷電、振動信號的監(jiān)測和識別。裝置目前已經(jīng)投入運行，正在積累數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)實時采集的氣象條件、環(huán)境溫濕度變化、導(dǎo)線拉力情況分析接觸網(wǎng)線路覆冰狀況，預(yù)測覆冰發(fā)展?fàn)顩r，監(jiān)測接觸網(wǎng)風(fēng)舞狀態(tài)等，并可通過上述各種數(shù)據(jù)對應(yīng)原有設(shè)計范圍或運行設(shè)定值實現(xiàn)報警、預(yù)報警，降低覆冰和風(fēng)舞事故對接觸網(wǎng)的沖擊和損失，校核線路設(shè)計參數(shù)的合理性，為接觸網(wǎng)線路設(shè)計、防冰改造提供真實的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而為接觸網(wǎng)在惡劣環(huán)境條件下的安全運行提供有力保障。