接觸網(wǎng)張力在線測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

劉會平， 韓通新， 趙伯勝， 劉寅秋

(中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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鐵路供電技術(shù)

接觸網(wǎng)張力在線測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

劉會平， 韓通新， 趙伯勝， 劉寅秋

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

在分析接觸網(wǎng)張力特點基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套接觸網(wǎng)張力在線測量系統(tǒng)，采用基于無線傳輸?shù)慕M網(wǎng)方案，設(shè)計了一種問答式通訊協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)各測點對于服務(wù)器通信方式，對接觸線和承力索張力進(jìn)行實時測量，并能提供實時報警和預(yù)警信息，為掌握接觸網(wǎng)張力特性提供了一種實時測試手段，能有效的在線監(jiān)測和預(yù)防接觸網(wǎng)事故，該測量系統(tǒng)可以為接觸網(wǎng)及受電弓維修保養(yǎng)提供技術(shù)支持。

接觸網(wǎng)； 張力； 在線測量

接觸網(wǎng)是高速鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施，接觸網(wǎng)的運行參數(shù)和狀態(tài)直接影響高速列車的運行安全，在接觸網(wǎng)服役運行中，接觸網(wǎng)的張力直接影響到接觸網(wǎng)性能，進(jìn)而對弓網(wǎng)動態(tài)作用性能產(chǎn)生重要影響，接觸網(wǎng)張力隨外界氣象條件、接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償器的補(bǔ)償效率及墜砣卡滯等因素產(chǎn)生變化，容易造成接觸網(wǎng)張力過大或者過小，由此均容易引起弓網(wǎng)受流性能惡化以及弓網(wǎng)故障。

近年來隨著我國高速鐵路大面積開通，迫切需要在線路的關(guān)鍵區(qū)段對接觸網(wǎng)張力性能進(jìn)行在線測量，通過在接觸網(wǎng)上安裝張力實時獲取接觸網(wǎng)張力參數(shù)及張力特性數(shù)據(jù)，為接觸網(wǎng)和受電弓維修保養(yǎng)提供指導(dǎo)依據(jù)。目前，針對接觸網(wǎng)張力準(zhǔn)確在線監(jiān)測還沒有相應(yīng)的測試手段，因此需要研制一套能實時在線測量接觸網(wǎng)張力性能、計算接觸網(wǎng)補(bǔ)償效率的檢測系統(tǒng)，對接觸網(wǎng)特殊斷面的張力及補(bǔ)償效率進(jìn)行檢測與預(yù)警，有效的預(yù)防接觸網(wǎng)事故的發(fā)生，保證鐵路供電系統(tǒng)運行安全。

1　測量系統(tǒng)組成安裝位置

接觸網(wǎng)張力在線測量系統(tǒng)主要包括測試傳感器部分，測試數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)分析處理等部分組成。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　測量系統(tǒng)組成圖

測試系統(tǒng)的前端測試傳感器部分主要包括張力測試傳感器。測試數(shù)據(jù)采集部分主要包括數(shù)據(jù)采集主機(jī)，采集系統(tǒng)電源，數(shù)據(jù)傳輸。

接觸網(wǎng)張力測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，整個測量系統(tǒng)安裝在接觸網(wǎng)、承力索下錨位置，安裝時，終端錨固線夾線框通過一根杵環(huán)桿與絕緣子相連接，線夾框內(nèi)的杵環(huán)桿直接與下錨裝置相連接，傳感器套接于杵環(huán)桿內(nèi)，安裝在線夾框內(nèi)。系統(tǒng)電源模塊和數(shù)據(jù)采集裝置安裝在墜砣附近的接觸網(wǎng)支柱上。系統(tǒng)按照位置如圖2所示。

2　測量系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù)

接觸網(wǎng)張力是接觸網(wǎng)性能的一個重要參數(shù)，張力的大小以及張力的穩(wěn)定性是影響接觸網(wǎng)及弓網(wǎng)受流性能的一個重要因素，接觸網(wǎng)在設(shè)計初期已經(jīng)通過仿真計算設(shè)置選取了相應(yīng)的參數(shù)，為保證接觸網(wǎng)在施工結(jié)束后依然能夠保持設(shè)計時的張力體系，需要在接觸網(wǎng)的特殊斷面安裝張力測試系統(tǒng)，實時檢測接觸網(wǎng)張力。接觸網(wǎng)張力對弓網(wǎng)受流參數(shù)的影響也是比較大的，當(dāng)動車組高速通過時，由于弓網(wǎng)接觸力的影響將對接觸線有一個向上的抬升，該抬升量的大小直接關(guān)系到接觸網(wǎng)的安全，如果張力補(bǔ)償不到位，將直接對接觸網(wǎng)動態(tài)抬升量產(chǎn)生影響，關(guān)系到弓網(wǎng)安全。

2.1測量傳感器原理

由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)自身特點，接觸網(wǎng)張力測量一直是一個比較難的技術(shù)問題，主要在于不改變接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行在線測量，而且對很多標(biāo)準(zhǔn)傳感器基本上都無法安裝，因此測量張力大多數(shù)還是停留在間接測量的方式上，通過在接觸網(wǎng)上使用的定位器改裝成測試傳感器，測試時更換接觸網(wǎng)定位器為帶有傳感器結(jié)構(gòu)的特制定位器，該測試方案能夠間接的對接觸線張力進(jìn)行測量，由于安裝位置和測試實施方案，該測量方法無法測量承力索張力，雖然通過此種方案能夠間接的對接觸線張力進(jìn)行測量，由于不是直接測量方法，準(zhǔn)確度較低，而且測試結(jié)果無法計算出接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效率。

圖2　系統(tǒng)安裝位置示意圖

本測量系統(tǒng)根據(jù)接觸網(wǎng)下錨裝置，采用直接方法對接觸網(wǎng)張力進(jìn)行測量。該測試方案在不改變接觸網(wǎng)原來結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過一個特殊結(jié)構(gòu)的抗壓傳感器，串聯(lián)與接觸網(wǎng)下錨裝置中， 能夠?qū)崟r準(zhǔn)確測量出接觸線和承力索張力，并計算出補(bǔ)償效率。測量項目主要包括兩個方面的內(nèi)容，(1)接觸網(wǎng)張力，(2)接觸網(wǎng)補(bǔ)償效率。接觸網(wǎng)張力傳感器主要是根據(jù)接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置特點，采用抗干擾能力比較強(qiáng)的應(yīng)變傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。由于張力測量傳感器安裝在接觸網(wǎng)下錨裝置上，接觸網(wǎng)張力傳感器采用具有特殊結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的傳感器，該傳感器采用貼片方式，即在傳感器內(nèi)側(cè)貼應(yīng)變片，用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變傳感器。該傳感器具有線性度高、重復(fù)性好的特點。

2.2遠(yuǎn)程測量技術(shù)研究

接觸網(wǎng)張力測量系統(tǒng)測試的參數(shù)位于接觸網(wǎng)特殊斷面，為使測量信號通過無線通信傳輸至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，需要在接觸網(wǎng)測量處對各測量信號進(jìn)行調(diào)理、采集、傳輸。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括(1)系統(tǒng)電源供應(yīng)，(2)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計，(3)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計。由于該系統(tǒng)安裝在接觸網(wǎng)上，而且屬于多點多類型同步測量，因此整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)問題是一個比較類測量傳感器提供合適電壓等級的電源。測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊采用嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要特點為結(jié)構(gòu)簡單，體積小，容量大，易于操作，主要包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等。數(shù)據(jù)采集處理流程如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集處理流程圖

測量技術(shù)的另外一個關(guān)鍵部分在于系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計[1]，由于該系統(tǒng)布置在接觸網(wǎng)區(qū)域，處于25 kV電壓等級周圍，尤其是列車通過時，受電弓在滑動過程中與接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電火花引起的電磁干擾，極易干擾測量系統(tǒng)的正常工作，本測量系統(tǒng)采用特殊的接地方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，同時采集模塊采用低通濾波器和數(shù)字濾波方式，對于高壓環(huán)境下的電磁輻射，系統(tǒng)采用增加信號調(diào)理電路的入口設(shè)計了峰值限幅電路。多種方式共同抑制電磁干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3數(shù)據(jù)傳輸通道及接口協(xié)議研究

由于接觸網(wǎng)張力性能在線測量系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)量不大，對實時數(shù)據(jù)的傳輸頻率要求不高，因此，數(shù)據(jù)傳輸通道采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，該方式具有網(wǎng)絡(luò)速度快、工作穩(wěn)定、費用相對低廉等特點。各測點與服務(wù)器之間的接口協(xié)議是該系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，該系統(tǒng)自定義了一套通訊協(xié)議，該協(xié)議采用問答式通訊方式，通信協(xié)議規(guī)定了各測點與服務(wù)器之間的通信功能、報文格式、報文類型和傳輸規(guī)則。協(xié)議內(nèi)容主要包括對采集系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)置(采樣頻率、濾波參數(shù)、系統(tǒng)時鐘)，對測點信息的查詢、掃描、數(shù)據(jù)召喚、系統(tǒng)診斷等。

測量系統(tǒng)采用客戶、服務(wù)器體系，因此系統(tǒng)中各測點的數(shù)據(jù)源均可為服務(wù)器方提供數(shù)據(jù)，按照設(shè)計的通信協(xié)議，各測點的巡檢數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)也均可作為客戶請求數(shù)據(jù)。只有客戶發(fā)出請求服務(wù)器才向測點請求部分?jǐn)?shù)據(jù)，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)量，提高整個系統(tǒng)性能。系統(tǒng)具有多重安全保護(hù)策略，除為每位操作人員分配不同的操作權(quán)限外，還可限定其操作范圍(安全區(qū)域)。系統(tǒng)設(shè)計從各方面嚴(yán)格考慮了應(yīng)用對象的實時性要求，采用既具有實時性又具備關(guān)系型數(shù)據(jù)庫特點的實時數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理支持基于時間和基于異常兩種方式，基于時間處理方式的時間間隔可以任意設(shè)定，最小可以到1 s；基于異常處理方式主要指某些重要數(shù)據(jù)發(fā)生變化時或某一事件發(fā)生時，系統(tǒng)能及時響應(yīng)，并快速進(jìn)行處理。通過接口協(xié)議，可在線修改各種配置，保證系統(tǒng)實時連續(xù)運行。

3　測試系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)能夠解決接觸網(wǎng)張力性能等參數(shù)的在線實時測量問題，為接觸網(wǎng)張力及補(bǔ)償效率等參數(shù)測量提供了一種測試技術(shù)手段，系統(tǒng)采用基于無限數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的多點分布式遠(yuǎn)程測量技術(shù)，可以實時在線測量多個斷面接觸網(wǎng)張力在分析接觸網(wǎng)張力特點基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一套接觸網(wǎng)張力性能，圖4為該系統(tǒng)實時在線測量的接觸網(wǎng)張力性能數(shù)據(jù)波形。

4　結(jié)束語

在分析接觸網(wǎng)張力特點基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一套接觸網(wǎng)張力在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對接觸網(wǎng)張力性能進(jìn)行在線測量，并能夠計算出補(bǔ)償效率，對超限及故障數(shù)據(jù)能夠提供實時報警和預(yù)警信息，有效預(yù)防接觸網(wǎng)事故。

[1]文小鷹, 趙伯勝, 韓通新. 基于ADμC812的接觸網(wǎng)地面測量系統(tǒng)的研制[D].中國電氣化鐵路兩萬公里學(xué)術(shù)會議論文集,2005.

[2]王首頂. IEC 60870-5系列協(xié)議應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社,2008.

Research and Realization of On-line Measurement System of Catenary Tension

LIU Huiping, HAN Tongxin, ZHAO Bosheng, LIU Yinqiu

(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Based on analyzing the characteristics of catenary tension, the author designs an on-line measurement system, which uses wireless transmission networking. A quiz-type communication protocol is designed for each measuring point system communicating to server. This system can measure the tension performance of catenary in special section in real time, and provide real-time alarm and warning information. This system provides a real-time technical means to master the catenary tension performance, and effectively online monitor and prevent catenary accidents, and provide technical support for maintenance of catenary and pantograph.

catenary; tension; online measurement

1008-7842 (2016) 01-0049-03

??)男，副研究員(

2015-09-22)

U225.7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.12

*國家863計劃(2011AA11A102)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2013B001-A-2，2014J005-A)