接觸網主導電回路溫度遠程監測系統的應用

牛衛東

（國家能源集團朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

鐵路接觸網是鐵路正常運行的保障，接觸網導電回路連接點日常運行在高電壓和大電流的工作狀態下，運行中存在巨大振動造成連接觸點緊固件松動，以及觸點的腐蝕、氧化和某些缺陷會導致連接觸點過渡阻值變大、溫度升高等問題。溫度與過渡電阻值的惡性循環，最終會導致線夾處電流不能正常流通，甚至燒毀母線、觸點、線夾、線索等，造成停電中斷鐵路運輸的重大事故。在工業系統中，溫度是表征設備運行正常的重要參數。經濟的高速發展帶來鐵路運輸的快速增長，進而導致鐵路用電負荷不斷增長，為了避免因設備發熱而導致的突發事件，溫度的自動監測已經成為安全生產的重要技術手段。

構建重載鐵路接觸網主導電回路溫度遠程監控系統，可以對溫度進行實時監控，避免出現溫度過高的情況。此系統將溫度傳感器安裝在高壓設備上，與接收設備之間無線電氣連接，實時監測溫度變化情況。無線式溫度監測系統具有低功耗、數據無線傳輸精度高、響應速度快、操作安裝靈活、組網方便等優勢，且價格相對低廉，可以防止連接點發熱誘發故障，保證高壓設備安全運行，減少故障發生概率，同時降低維修成本。結合朔黃鐵路原平南站鐵路接觸網安裝及使用運行情況，對溫度遠程監控進行分析介紹。

1 接觸網測溫系統

該無線測溫系統采取ZigBee 組網技術，利用高壓帶電梯與傳感器等電位測量溫度，實現遠距離遙測。利用接觸網測試系統，不僅可以利用溫度傳感器對目標位置進行溫度測試，還能利用傳輸系統將溫度數值發給后臺，后臺對接收的數據進行分析處理，對比是否超出閾值，對超標的情況進行預警。溫度測試值通過RS485 總線傳遞給后臺計算機監控系統，對數據進行遠程采集、分析處理、預警提醒等功能。圖1 為接觸網測溫系統結構組成及工作原理。

圖1 無線溫度監測系統原理

1.1 通信模塊

是專門用于將串口數據轉換為IP 數據，通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。

1.2 電源保護模塊

接線標準：輸入電源（紅+、黑-）、輸出（藍+、黑-），保證輸入電壓在要求的范圍內，嚴禁反接。接線端子處螺絲要擰緊，否則使用過程中會出現打火現象，燒壞接線端子。電源模塊電壓和電流參數情況如下：輸入電壓范圍：12～65 V；輸出電壓范圍：12～200 V；輸入電流范圍：0～15 A；輸出電流范圍：0～15 A。輸入電壓低于9.8 V 時，電源保護模塊動作，測溫基站停止工作，進入低電壓保護模式，電壓高于9.8 V 后恢復正常。

1.3 無線測溫主機

無線測溫主機是一款集溫度傳感器工作狀態監測、現場溫度顯示、報警提示和輸出報警聲、事件記錄及數據記錄于一體的現場溫度監測儀，并可修改現場無線溫度傳感器的地址等參數。

溫度報警主要分為兩種：溫度高限報警和溫度下限報警。其中溫度高限報警主要是監測點傳感器監測溫度超出溫度的上限閾值，測試會發出報警預告，需要復位后報警才能停止，或溫度下降到設定范圍內報警也會消失。溫度下限報警是指監測點的傳感器監測的溫度低于溫度下限閾值，發出報警預警，與高限報警一樣需要復位才能停止報警，或溫度上升至設定范圍后報警消失。

報警時間的記錄：系統發生報警后，如果在設定時間內（一般10～15 min）報警未能復位或自動消除，此時系統自動記錄此次報警事件，記錄的時間和溫度以當前數值為準。通過報警記錄，可以分析一段時間內的報警類型及報警頻次、周期，對高頻次的報警進行系統巡檢，及時發現存在的隱患，確保系統運行安全。同時，利用報警記錄臺賬，還能對特定點的溫度運行情況進行分析，對關鍵點是否存在溫度異常情況進行判斷。

2 監測系統常用的通信方案及相關技術

2.1 測量模塊

本模塊可以對溫度、距離進行測量，可以實現對-25～+200 ℃溫度區間范圍進行測量，且可以實現100～160 m 距離的測量。溫度的測量精度可以實現±1 ℃。測量設備主體尺寸為29 mm×31 mm×21 mm，測量模塊的工作單元為感應取電，采取捆綁安裝方式。

2.2 無線溫度檢測儀

溫度檢測儀無線傳感器通信接口為一組RS485，采取Modbus 規約，無線溫度檢測儀對超過90 ℃或低于-20 ℃的溫度測量值進行報警提醒，且對超過60 ℃或低于-10 ℃的溫度測量值進行警告提醒，以提醒運行人員關注溫度異常變化。

2.3 無線通信

無線通信模塊采取2 個RS232 和1 個RS485 接口，內置15 kVESD 保護。采取的標準及頻段為EGSM900/GSM1800MHz，適宜的工作溫度區間為-35～+75 ℃。采取ZigBee 無線網絡進行通信，此技術具有多種可選的頻率，可以提供不同的數據傳輸速率選擇，適應導線溫度有時變化較快有時較為穩定的情況；數據傳輸量小，無線模塊處于休眠狀態時耗電量小，節省能量并且電池的壽命也會隨著延長；時間延遲短，狀態轉換只需要幾十毫秒便能完成；網絡容量比較大且組網方式便捷，設備可以自由地加入和退出網絡，適合大面積的網絡覆蓋。

2.4 不間斷電源

（1）電池。電池參數：容量12 V/8 A·h；放電電壓和放電電流分別為11.1～12.6 V 和0～2 A；電池使用JST-VHR-2P 正向插頭UL1007/24#線引線；輸出保護電壓9.5 V。

（2）太陽能板。太陽能板的最大功率為30 W，其峰值電壓和電流分別為17.28 V、1.74 A；設備的最佳工作溫度為-40～+85 ℃。

3 現場設備安裝及使用情況

3.1 設備的安裝

（1）測溫模塊安裝要求：測溫模塊安裝于電連接線夾中間，緊密貼合線卡，用螺絲將卡帶緊牢靠且使用密封膠澆筑螺絲絲扣防止螺絲脫落，保證測溫探頭準確測得線卡實際溫度。

（2）測溫基站及太陽能板安裝要求：室外使用基站安裝高度應接近測溫模塊在同一水平線，基站信號接收天線與測溫模塊應面對相向安裝，以確保監測信號的傳輸穩定可靠性。太陽能板安裝在鐵塔上應方向朝南，正常氣候條件下確保日照時長在8 h 以上。

3.2 使用效果

測試結果見表1，可以看出現場數據和后臺的傳送數據相差均小于1 ℃，監測效果良好，能夠滿足使用要求。

表1 數據監測情況

4 接觸網過熱保護方案

接觸網過熱保護系統主要包括溫度傳感器和氣象采集裝置、數據采集終端以及保護裝置。前端設備主要測量各種參數數據，其中，氣象數據采集裝置主要包含環境溫度傳感器、風速傳感器、太陽輻射傳感器和濕度傳感器，分別記錄環境溫度、風速、太陽輻射強度和空氣濕度等影響導線溫升的數據，然后通過無線傳輸到數據采集處，將數據進行打包處理后反饋到保護裝置，在保護裝置內完成邏輯判斷過程，當溫度過高達到告警值時發出告警信號，當溫度持續升高達到跳閘值時發出跳閘信號，斷路器動作。

目前，隨著重載鐵路運量及列車噸位持續增加，朔黃線運量顯著增加和行調排發積壓車，將造成接觸網導線長時間處于超負荷運行狀態。長時間大負荷電流的熱積累將導致接觸網導線溫度過高，導致導線載流能力變差、機械強度下降、降低接觸網系統的可靠性，嚴重情況下甚至會出現斷線事故，嚴重危害高速列車的安全運行。通過本系統，可以設置溫度報警的數值，在監測溫度達到一定閾值后及時進行報警提醒，避免安全事故發生。

近年來，隨著5G、物聯網技術的高速發展，采取物聯技術與主導電回路溫度監測相結合，可以按照一定的協議，將傳感器與互聯網聯系起來，進行信息的傳遞和通信，依靠互聯技術，實現智能識別、跟蹤、定位和管理的目的。利用物聯技術構建的智能系統，不僅對主導電回路溫度進行監測，同時還可以對全站的電氣設備、電容器等的運行溫度進行在線監測，并為全站的運行狀態維修提供信息化的數據支持。

5 結語

主導電回路日常運行在高電壓和大電流的工作狀態下，會出現一系列的問題，其中溫升問題最為關鍵。如果溫升存在惡性循環的情況，會對鐵路安全運行造成極大威脅。采取接觸點溫度實時監控技術，可以實時掌握溫度的實際變化情況，以提高運行安全性。無線式溫度監測系統具有低功耗、數據無線傳輸、精度高、響應速度快、操作安裝靈活、組網方便等優勢，通過溫度遠程監測系統的實際運行數據分析，可以得出此系統對于接觸點的溫度實時監測具有良好的適用性。