接觸網覆冰和風舞在線監測系統研究及應用

胡祥杰，楚振宇，謝志迅，姜國連

0 引言

接觸網覆冰和風舞是電氣化鐵路比較常見的自然災害，多發生在每年的初冬和初春季節。接觸網覆冰影響面積廣、危害大、搶修難度大；接觸網風舞會導致線材振動幅度加大而增大接觸網設備的機械損壞，常常引發弓網故障，導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，接觸網覆冰和風舞災害頻現，如何應對接觸網覆冰和風舞帶來的危害，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，為減少接觸網覆冰和風舞事故帶來的危害，保障電氣化鐵路安全、穩定、可靠運行，除在電氣化鐵路接觸網沿線加裝防風舞設備外，還應加強接觸網覆冰和風舞在線監測、預警和診斷方法的相關研究。目前，電氣化鐵路接觸網覆冰和風舞主要的監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現，監測結果與現場實際數據相差較大等問題。

研究和應用接觸網覆冰和風舞在線監測系統應能夠實現以下目標：

（1）實時掌握接觸網沿線氣象條件；

（2）利用氣象參數分析預測接觸網覆冰和風舞的發展趨勢，及時發出預警信息，提高接觸網安全運行水平；

（3）不受氣候及地理環境的影響，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，研究接觸網覆冰和風舞在線監測技術，可防止覆冰和風舞帶來的災害，對提高電氣化鐵路的安全運行可靠性具有重要意義。

1 接觸網覆冰在線監測

1.1 架空導線覆冰監測技術比較

目前，國內外針對電氣化接觸網架空導線覆冰主流的在線監測技術包括圖像法、傾角-弧垂法、稱重法等。

（1）圖像法。在接觸網支柱上安裝在線監測視頻裝置，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，利用有線或無線數據傳輸方式將現場采集的圖片傳輸到接觸網覆冰在線監測平臺，利用導線固有參數（材料、截面積等）采用微積分計算方法計算接觸網導線覆冰面積，再換算得到等效導線覆冰厚度。現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，因此采集信息量有限，另外在積雪較厚的季節，攝像頭有可能被冰雪覆蓋，致使視頻監測系統失效。

（2）傾角-弧垂法。傾角-弧垂法是將傾角傳感器安裝在接觸網導線上，監測導線懸掛點或絕緣子串處傾斜角度的變化，并根據導線參數和環境溫度進行計算，根據原始角度形成角度差，得出導線受力增加量，再換算成線路覆冰的重量，通過導線固有的參數等效計算出接觸網導線覆冰厚度。由于傾角-弧垂法的弧垂數據需參考傾角，受環境影響較大，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的接觸網導線。

（3）稱重法。稱重法將原有接觸網導線上的球形掛環用拉力傳感器替換，拉力傳感器直接測量桿塔下接觸網導線所帶來的拉力，并利用接觸網導線本身參數、環境溫度、風速風向等參數，計算接觸網導線的重量，并排除由于風力風向及絕緣子串傾斜帶來的拉力分量，最終得出覆冰重量，再根據接觸導線的材質以及截面積換算等效覆冰厚度。該技術相對成熟，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覆冰在線監測。

1.2 接觸網導線覆冰厚度計算模型

接觸網導線綜合載荷是檔距內導線固有載荷、冰載荷、風載荷、絕緣子載荷之和，據此可建立接觸網導線載荷平衡模型：

式中：QΣ為接觸網導線垂直載荷；Q0為導線懸掛自重載荷；QW為風載荷；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可由接觸網導線、絕緣子制造廠家提供；QW可通過風速傳感器、風向傳感器和接觸網導線截面積計算得出。在計算中還要考慮導線受風體形系數、風壓不均勻系數以及線路導線風載調整系數等影響。通過建立垂直載荷數學模型得出覆冰載荷后，再依據覆冰厚度等效模型計算出導線等值覆冰厚度：

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

由式（2）可計算出等效導線、地線均勻覆冰厚度。

1.3 接觸網覆冰在線監測設備組成

（1）環境及氣象數據監測裝置。在桿塔底部安裝氣象和環境監測裝置，實時監測氣象環境的溫度、濕度、風速、風向等，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）接觸網導線拉力監測裝置。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保證安裝結構的安全，另外其監測范圍不宜過大或過小。本系統采用拉力傳感器監測絕緣子垂直方向的荷載，在線監測桿塔縱向張力的變化。

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

（4）覆冰分析模塊。覆冰分析模塊根據接觸網導線綜合載荷，利用拉力傳感器、環境溫濕度傳感器、風向風力傳感器、絕緣子傾角傳感器等建立一個綜合數學模型，在線監測接觸網導線的等值覆冰厚度的變化。

接觸網覆冰在線監測方案如圖1 所示。

圖1 接觸網覆冰在線監測方案示意圖

2 接觸網風舞在線監測

2.1 架空導線風舞在線監測技術比較

目前，國內外常用的架空輸電線路風舞在線監測技術主要包括視頻監控法、加速傳感器法、光纖傳感器法等。

（1）視頻監控法。在接觸網線路桿塔（接觸網支柱）上安裝攝像頭，根據實時監測接觸網導線坐標方向和安裝攝像頭以后初始導線坐標方向之間的平移數據，并根據時間進行擬合，利用相關算法推導風舞旋轉角度。該方法涉及數字視頻壓縮技術、無線通信數據傳輸技術、新能源及低功耗應用技術。

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

（3）光纖傳感器法。分布式光纖傳感器可利用空間網絡的特點獲得被監測設備空間分布狀態和隨時間變化的信息，在整個光纖網絡上對接觸網導線進行連續測量。利用光纖傳感器與光纖遙測技術的內在相容性等優點，使接觸網風舞在線監測具有更好的實時性、在線性、可靠性和穩定性。在牽引網線材（目前主要是PW 線或回流線）內安裝光纖，并將光纖傳感器連接到監測主機，構成分布式光纖傳感器在線監測網絡，導線載荷變化和風力影響造成舞動變化數據經接觸網傳入光纖光柵，并通過光纖信號傳輸回監測主機。光纖傳感器法采用波分復用技術對光柵反射信號進行解調，分析導線載荷和風力影響帶來的振動影響。

對比上述3 種方法，視頻監控法成本較高，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，不能很好地表現出接觸網風舞的全面情況。本次研究推薦采用沿接觸網線材設置光纖的光纖傳感器法。

2.2 監測原理

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力傳感器對接觸網的附加線進行狀態監測，采用帶光纖的附加線實現對接觸網的風舞及雷電振動信號的監測和識別。

光纖分布式振動監測系統是一套長距離、分布式、可精確定位的振動監測系統，基于智能化信號處理算法，可實現事件精確定位、多事件同時報警、事件類型準確識別、個性化分區配置、地圖展示等多個功能。該系統基于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象，以通信光纖光纜作為傳感和分析設備，可以檢測一根長達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，檢測周期可達毫秒級。當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生變化，通過檢測散射光信號的變化就可以檢測出測量區域的振動情況，同時通過模式識別算法即可準確判斷出多種不同的振動方式，并能實現多點同時監測和精確定位。

2.3 設備組成

（1）光纖傳感器。與導線生產廠家進行技術對接，將光纖傳感器預埋于PW 線內，并在導線內將光纖使用鋼線進行加固，防止光纖折斷。同時在兩端預留一些導線，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（要求具備放置室外IP65 防護等級），1 個置于計算機監控中心屏柜內。

接觸網風舞在線監測方案如圖2 所示。

圖2 接觸網風舞在線監測方案示意圖

3 接觸網覆冰和風舞在線監測系統

3.1 系統架構

根據上述分析，接觸網覆冰和風舞在線監測系統的系統架構如圖3 所示。

3.2 系統構成

（1）風舞在線監測服務器。風舞在線監測服務器包含了光纖傳感器信號解調模塊，主要根據光纖傳送的振動數據以及氣象信息數據分析接觸網風舞狀態。

圖3 接觸網覆冰和風舞綜合在線監測系統

（2）覆冰在線監測服務器。覆冰在線監測服務器主要負責根據桿塔拉力監測以及氣象信息數據分析接觸網覆冰狀態。

（3）通信管理機。通信管理機分別與覆冰在線監測服務器和風舞在線監測服務器連接，同時與上級信息系統連接，將實時狀態數據和預警信息及時上傳至上級信息系統。

（4）光纖熔接盒。光纖熔接盒主要負責與接觸網風舞在線監測系統進行連接，并將光信號連接至風舞監測服務器。

3.3 系統實施

根據上述研究研制開發了1 套接觸網覆冰和風舞在線監測系統，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。

圖4 接觸網覆冰和風舞綜合在線監測裝置

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 線和氣象參數采集裝置，通過溫濕度和應力采集裝置實現接觸網覆冰在線監測，通過采用光纖振動傳感器輔以分布式溫濕度以及應力傳感器對接觸網附加線進行狀態監測，實現接觸網的風舞、雷電、振動信號的監測和識別。裝置目前已經投入運行，正在積累數據。

4 結語

接觸網覆冰和風舞在線監測系統可以根據實時采集的氣象條件、環境溫濕度變化、導線拉力情況分析接觸網線路覆冰狀況，預測覆冰發展狀況，監測接觸網風舞狀態等，并可通過上述各種數據對應原有設計范圍或運行設定值實現報警、預報警，降低覆冰和風舞事故對接觸網的沖擊和損失，校核線路設計參數的合理性，為接觸網線路設計、防冰改造提供真實的現場數據，從而為接觸網在惡劣環境條件下的安全運行提供有力保障。