基于光纤传感技术的电力机车受电弓状态监测系统

张文浩，刘统玉,，石智栋，姜龙，魏玉宾，王纪强，王凤雪

(1.山东微感光电子有限公司，山东 济南250013；2.山东省光纤传感重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)



基于光纤传感技术的电力机车受电弓状态监测系统

张文浩1，刘统玉1,2，石智栋1，姜龙1，魏玉宾2，王纪强2，王凤雪1

(1.山东微感光电子有限公司，山东 济南250013；2.山东省光纤传感重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

摘要：基于光纤光栅传感技术，设计了一种电力机车受电弓状态在线监测系统，能够实时监测电力机车弓网之间的动态压力、受电弓振动状态以及受电弓滑板应力温度等。系统通过仿真、标定及测试，得出弓网动态压力监测范围在0～500 N，应变监测范围在-0.2%～0.2%。

关键词：光纤光栅；受电弓；动态压力；应变；接触网安全

十三五期间，中国铁路固定投资规模将达3.8万亿元[1]。近年来，中国高速铁路正在迅速形成线网结构，因此对轨道交通的高效安全监控需求迫切。受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，其状态直接影响列车安全及可靠运行[2]。

近年来，国内外学者对受电弓的动力学[3]、机构学[4]以及接触网关系等做了许多研究工作。目前接触网监测采用的是在地面设置固定监测点，用人工巡检的方式监测，无法实现全线路覆盖和实时监测，没有可长期化监测的理想方式[5]。在实时在线监测研究方面，目前国内外主要采用电子测温和电阻应变片进行受电弓运行监测，因受电火花、电磁场以及雷电干扰影响较大，难以实现智能化状态分析和预警。传统的电子类传感器对弓网关系的监视需要一个相当复杂的装置，对传感器进行电绝缘，以避免测量信号之间的干扰和电弧现象所产生的电磁干扰。与传统的电子传感器相比，光纤类传感器则完全不需要该复杂装置，因为其利用光信号进行信息传输，本质绝缘、不导电且不受电磁干扰，特别适用于电磁干扰大、雷击频繁等恶劣环境，能够大大降低监测系统的复杂性，且提高监测性能[6-7]。本文基于光纤光栅传感技术，设计了一种电力机车受电弓状态在线监测系统。

1系统设计

为减少弓网故障，并进一步降低受电弓监测系统的复杂性，本设计利用光纤光栅及光纤传感技术来实现对受电弓温度[8]、应力应变[9]和振动的实时在线监测，建立高铁电力接触受电弓运行状态光纤传感监测系统。该系统在受电弓上安装多参数光纤传感器，将数据实时采集至现场监控平台，然后通过远程通信将数据传输至机车监控中心等部门，可对电力机车受电弓实现实时远程监控。

电力机车受电弓运行状态光纤传感监测系统包括3个部分：光纤检测传感器部分、现场监控平台和远程监控平台，如图1所示。

图1　监测系统框图Fig.1　Block diagram of the monitoring system

系统中的检测单元安装在机车顶端的受电弓上，在线动态检测受电弓的状态，机车管理部门可通过局域网络对数据进行实施采集，并将采集数据实时发送给受电弓生产厂家，厂家可对数据进行分析，当发现参数异常时及时通知机车管理部门进行检查处理，变被动检修为主动检修，提高了效率，同时节省人力物力[10-11]。

1.1传感器设计及安装

系统中涉及到的传感器安装的前提是不破坏原本受电弓的机械结构，并尽可能减少对电力机车受电弓的受流及受力状况的影响。本文中所使用的受电弓为DSA250型高铁受电弓。

1.1.1传感器设计

光纤温度/应变传感器按照受电弓的尺寸设计，将光纤光栅附在弹性体上，并进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变变化非常敏感，当弹性体受到压力时，光纤光栅与弹性体一同发生应变，从而引起反射波长的变化，通过对反射波长的采集分析，计算得到温度、应变。文中设计的传感器具有温度补偿光栅(计算温度)和应变光栅(计算温度补偿后的应变)。

按照受电弓的尺寸设计光纤振动传感器，使得振动传感器可以贴合在受电弓滑板的侧面，振动传感器的工作原理是光纤光栅随着质量块的力的作用发生形变，不同力的大小对应光纤光栅不同的形变，从而引起反射光信号波长的快速变化[12]，反射后的光信号再次经过环形器进入解调设备，解调设备对返回的不同的波长的光信号进行处理分析，得到监测的振动数据，通过对光纤光栅快速采集，得到信号进行FFT变换，从而算出频域振幅与频率信号。然后由程序算出速度、加速度[13]和位移[14]。

DSA250型高铁受电弓弓头为悬挂结构[15]，共有4个拉簧结构使得受电弓头前后左右上下有一定的自由幅度，我们根据4个拉簧的拉力竖直方向的分量之和作为弓网之间的动态压力监测。

针对拉簧的拉力，我们设计如图2a所示的光纤传感器，利用力的传递作用以及弹性体在力的作用下引起的微小形变，选择合适的材料使其形变范围与光纤光栅可探测的形变范围接近，通过监测贴在内壁上的光纤光栅位移的变化进而计算出拉簧力的变化，综合4个拉簧垂向力之和，计算得出弓网之间的动态压力。

1.1.2传感器安装

光纤温度/应变、振动传感器采取高温导电胶在受电弓侧面进行粘接，然后光纤延受电弓导气管走线，经过绝缘光纤贯通器将光纤引至位于电力机车内部的解调仪中进行数据采集与分析。如图2b所示。后续可借助受电弓本身螺纹结构进行改进处理。

图2　受电弓光纤传感器结构及传感器安装图Fig.2　Structures of the pantograph sensors and their installation photos

图3　受电弓状态监测系统软件图Fig.3　Software interface of the pantograph status monitoring system

1.2系统功能

本系统软件由C#代码编写，主要实现以下功能：

(1)实时监测机车受电弓振动、温度和应力状态，利用监测到的各参数进行理论建模，建立受电弓-接触网动态模型及失效模式研究；

Spatial pattern of environmental efficiency and its influencing factors

(2)可在线实时运行过程中采集和记录监测点位的各项参数情况，一台光纤光栅解调仪可最多监测192个监测点(包含温度、应变、压力和振动)；

(3)针对软件底层操作者设定一级报警、二级报警数值，监测参数超过警戒值时可发出自定义的报警信号，如现场声光报警、远程声光报警以及手机短信报警等；

(4)软件为windows程序标准中文界面，实时数据记录可通过曲线表示，按照参数设定可实现任意时刻的数据保存间隔，并可实时提取某时刻的监测数据；

(5)具备日报表、月报表和年报表等数据输出、打印功能，运行数据报表可直接输出为excel等格式或者直接打印；

(6)数据不但可在机车中以及监测中心实时显示，而且可在任意一台有访问权限并联网的电脑中实现web发布；

(7)系统软件采取模块化软件，可选择任意部件组合，并提供各种协议，满足不同数据传输需要，监测主机设置不同硬件扩展接口便于使用。

图3为程序界面。

2标定及测量数据

系统中的各类光纤传感器采用标准设备进行标定，如光纤应变传感器采用等强度梁进行标定、光纤温度传感器采用制冷恒温水箱进行标定、光纤压力(拉力)传感器使用标准拉力计进行标定、光纤振动传感器采用标准振动测试台(包括振动台4808、分析仪3560C、功放2719，丹麦B&K公司)进行标定。所有传感器均在数控温湿度环境实验箱中进行长期性老化实验。标定数据如图4所示。

如图4a所示，光纤应变传感器测量范围在0～0.2%，光纤光栅波长变化值呈线性变化，y=0.003 258x-0.008 882,R2=0.999 9946 9线性度较好。图4b在0～500 N范围内(受电弓检测参数要求)增加测试点数，光纤动态压力传感器在0～1 000 N的全程范围内，光纤光栅波长变化也成线性y=-224.4x+3 154.7,R2=0.999 9；图4c显示了光纤温度传感器监测-20 ℃(使用酒精)变化到110 ℃过程中光纤光栅波长的变化曲线，线性度较好y=85.468x-133 213；图4d为光纤振动传感器频率响应曲线，在0～160 Hz的范围内，频响曲线较平缓，满足使用要求y=0.000 121 2x3+0.002 920 01x2-0.190 525 67x+12.826 788 18,R2=0.989 379 08(R2>0.98)。

图4　应变、压力、温度传感器标定数据和振动传感器频响曲线Fig.4　Calibration data of stress, pressure, temperature sensors and frequency response curve of the vibration sensor

根据测试结果，各项检测参数可达到的指标详见表1。

表1　光纤受电弓状态监测指标参数

从标定及检测数据可以看出，各种传感器线性度较好，基本满足系统监测功能需求。另外考虑到在野外现场环境中，受电弓外界的温度可达到-40 ℃，由于恒温水箱温度的限制，需要进一步测试低温下光纤温度传感器的性能。

3结论

本系统设计简单，监测性能高，装置大大简化。可用同一套系统对受电弓温度、应变以及振动等多参数进行实时在线监测，灵敏度高，稳定性好。该设计实现了对受电弓工作状态的不间断实时在线监测，并以此为依据建立了受电弓-接触网动态模型进行运行故障预警。基于光纤传感技术的电力机车受电弓状态监测系统还需要通过长期数据采集，建立不同受电弓的数据库，运用大数据分析，形成自诊断型的受电弓安全预警系统。未来还可以与定点高清摄像头组合应用,利用故障图像检测法进行分析[16-17]，形成更直观的受电弓监测系统。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.011

收稿日期：2015-03-24

基金项目：中小企业发展专项资金(对欧合作部分)(SQ2013Z0C600005)

作者简介：张文浩(1987-)，男，硕士，研究方向为光纤传感。Email：zwh@iss-ms.com

中图分类号：TN247

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)03-0060-05

Optic fiber sensing technology based status monitoring system for locomotive pantograph

ZHANG Wen-hao1, LIU Tongyu1,2, SHI Zhi-dong1,JIANG Long1,WEI yu-bin2,WANG Ji-qiang2,WANG Feng-xue1

(1.Shandong Micro-Sensor Photonics Co. Ltd., Jinan 250013, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology, Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶Based on fiber Bragg grating sensing technology, we designed an online monitoring system for the pantograph of an electric locomotive. It could monitor real-time dynamic pressure, vibration state, slide stress and temperature of the pantograph. Through simulation, calibration and testing, we acquired monitoring range of dynamic pressure of 0～500 N, and monitoring scope of micro-strain of-0.2%～0.2%.

Key words∶ fiber Bragg grating; pantograph; dynamic pressure; strain; catenary safety

【光纤与光子传感技术】