胡祥杰，楚振宇，謝志迅，姜國(guó)連

0 引言

接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞是電氣化鐵路比較常見(jiàn)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(huì)導(dǎo)致線材振動(dòng)幅度加大而增大接觸網(wǎng)設(shè)備的機(jī)械損壞，常常引發(fā)弓網(wǎng)故障，導(dǎo)致電力機(jī)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(lái)，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(duì)接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞帶來(lái)的危害，是一個(gè)非常重要的課題。

鑒于我國(guó)電氣化鐵路里程長(zhǎng)，覆蓋面廣，為減少接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞事故帶來(lái)的危害，保障電氣化鐵路安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)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(qiáng)接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)、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(cè)手段和方法包括人工定期進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度大，事故隱患無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)相差較大等問(wèn)題。

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

（1）實(shí)時(shí)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(cè)接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，提高接觸網(wǎng)安全運(yùn)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(jià)昂貴且維護(hù)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(cè)技術(shù)，可防止覆冰和風(fēng)舞帶來(lái)的災(zāi)害，對(duì)提高電氣化鐵路的安全運(yùn)行可靠性具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)

1.1 架空導(dǎo)線覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電氣化接觸網(wǎng)架空導(dǎo)線覆冰主流的在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式將現(xiàn)場(chǎng)采集的圖片傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，利用導(dǎo)線固有參數(shù)（材料、截面積等）采用微積分計(jì)算方法計(jì)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(chǎng)采集采用圖像法相對(duì)比較容易，而且能夠直觀地觀察接觸網(wǎng)實(shí)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(cè)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(cè)導(dǎo)線懸掛點(diǎn)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(jìn)行計(jì)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(guò)導(dǎo)線固有的參數(shù)等效計(jì)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(cè)量位置、桿塔之間的距離會(huì)對(duì)角度測(cè)量產(chǎn)生影響，造成誤差較大，從而影響覆冰厚度的計(jì)算。該方法適用于正饋線、PW 線或回流線等獨(dú)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(cè)量桿塔下接觸網(wǎng)導(dǎo)線所帶來(lái)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(jì)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(lái)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(duì)成熟，誤差較小，國(guó)際上比較通用。

本次研究推薦采用稱重法進(jìn)行接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)。

1.2 接觸網(wǎng)導(dǎo)線覆冰厚度計(jì)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(guò)拉力傳感器測(cè)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(guò)風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面積計(jì)算得出。在計(jì)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(guò)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(jì)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(wú)覆冰時(shí)導(dǎo)線外徑；m1為無(wú)覆冰時(shí)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量；m3為覆冰后單位長(zhǎng)度導(dǎo)線質(zhì)量，可由重力傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算得到；ρi為覆冰密度。

由式（2）可計(jì)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(cè)設(shè)備組成

（1）環(huán)境及氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置。在桿塔底部安裝氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，安裝時(shí)盡量避免高速列車通過(guò)帶來(lái)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(cè)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(cè)范圍不宜過(guò)大或過(guò)小。本系統(tǒng)采用拉力傳感器監(jiān)測(cè)絕緣子垂直方向的荷載，在線監(jiān)測(cè)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(guò)通信模塊匯集到匯控柜，由匯控柜提供相應(yīng)的電源，同時(shí)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(gè)綜合數(shù)學(xué)模型，在線監(jiān)測(cè)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(cè)方案如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)方案示意圖

2 接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)

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

目前，國(guó)內(nèi)外常用的架空輸電線路風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)間進(jìn)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(wú)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(jì)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(guò)無(wú)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(yùn)行情況判斷是否需要報(bào)警。由于加速度傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)頻率較高，大量數(shù)據(jù)需要通過(guò)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，需要消耗大量流量，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。另外，安裝位置、桿塔之間的距離對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)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(diǎn)獲得被監(jiān)測(cè)設(shè)備空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，在整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)上對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。利用光纖傳感器與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性等優(yōu)點(diǎn)，使接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)具有更好的實(shí)時(shí)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(cè)主機(jī)，構(gòu)成分布式光纖傳感器在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)線載荷變化和風(fēng)力影響造成舞動(dòng)變化數(shù)據(jù)經(jīng)接觸網(wǎng)傳入光纖光柵，并通過(guò)光纖信號(hào)傳輸回監(jiān)測(cè)主機(jī)。光纖傳感器法采用波分復(fù)用技術(shù)對(duì)光柵反射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，分析導(dǎo)線載荷和風(fēng)力影響帶來(lái)的振動(dòng)影響。

對(duì)比上述3 種方法，視頻監(jiān)控法成本較高，維護(hù)工作量較大，同時(shí)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(cè)原理

通過(guò)采用光纖振動(dòng)傳感器輔以分布式溫濕度傳感器以及應(yīng)力傳感器對(duì)接觸網(wǎng)的附加線進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用帶光纖的附加線實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的風(fēng)舞及雷電振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

光纖分布式振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套長(zhǎng)距離、分布式、可精確定位的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于智能化信號(hào)處理算法，可實(shí)現(xiàn)事件精確定位、多事件同時(shí)報(bào)警、事件類型準(zhǔn)確識(shí)別、個(gè)性化分區(qū)配置、地圖展示等多個(gè)功能。該系統(tǒng)基于φ-OTDR（φ光時(shí)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(cè)一根長(zhǎng)達(dá)幾千米到幾十千米的光纖的振動(dòng)信息，之間的采樣間隔可以僅為1 m，檢測(cè)周期可達(dá)毫秒級(jí)。當(dāng)光脈沖傳播到受外界振動(dòng)信號(hào)作用的光纖段時(shí)，其瑞利散射回到探測(cè)器的光信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生變化，通過(guò)檢測(cè)散射光信號(hào)的變化就可以檢測(cè)出測(cè)量區(qū)域的振動(dòng)情況，同時(shí)通過(guò)模式識(shí)別算法即可準(zhǔn)確判斷出多種不同的振動(dòng)方式，并能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)行技術(shù)對(duì)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(jìn)行加固，防止光纖折斷。同時(shí)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(gè)，1個(gè)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(hù)等級(jí)），1 個(gè)置于計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心屏柜內(nèi)。

接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)方案如圖2 所示。

圖2 接觸網(wǎng)風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)方案示意圖

3 接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)服務(wù)器。風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)服務(wù)器包含了光纖傳感器信號(hào)解調(diào)模塊，主要根據(jù)光纖傳送的振動(dòng)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(cè)系統(tǒng)

（2）覆冰在線監(jiān)測(cè)服務(wù)器。覆冰在線監(jiān)測(cè)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)根據(jù)桿塔拉力監(jiān)測(cè)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(jī)。通信管理機(jī)分別與覆冰在線監(jiān)測(cè)服務(wù)器和風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)服務(wù)器連接，同時(shí)與上級(jí)信息系統(tǒng)連接，將實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息及時(shí)上傳至上級(jí)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行連接，并將光信號(hào)連接至風(fēng)舞監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

3.3 系統(tǒng)實(shí)施

根據(jù)上述研究研制開(kāi)發(fā)了1 套接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整套裝置（圖4）組屏安裝于崇禮鐵路小白陽(yáng)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(cè)裝置

在崇禮鐵路小白陽(yáng)牽引變電所附近上下行各取一個(gè)錨段安裝了帶光纖的PW 線和氣象參數(shù)采集裝置，通過(guò)溫濕度和應(yīng)力采集裝置實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)采用光纖振動(dòng)傳感器輔以分布式溫濕度以及應(yīng)力傳感器對(duì)接觸網(wǎng)附加線進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的風(fēng)舞、雷電、振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。裝置目前已經(jīng)投入運(yùn)行，正在積累數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

接觸網(wǎng)覆冰和風(fēng)舞在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)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(cè)覆冰發(fā)展?fàn)顩r，監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)風(fēng)舞狀態(tài)等，并可通過(guò)上述各種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)原有設(shè)計(jì)范圍或運(yùn)行設(shè)定值實(shí)現(xiàn)報(bào)警、預(yù)報(bào)警，降低覆冰和風(fēng)舞事故對(duì)接觸網(wǎng)的沖擊和損失，校核線路設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，為接觸網(wǎng)線路設(shè)計(jì)、防冰改造提供真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而為接觸網(wǎng)在惡劣環(huán)境條件下的安全運(yùn)行提供有力保障。