高速铁路接触网智能附加导线系统研究

邓 洪，刘永红，古晓东



高速铁路接触网智能附加导线系统研究

邓 洪，刘永红，古晓东

提出高速铁路接触网智能附加导线系统架构、设置方案、导线架设方案以及光纤监测设备布置方案，结合运营单位的维护要求，提出可行的监测系统功能需求，实现实时监测、实时评价、实时预警和精确定位，并利用监测数据为进一步提升附加导线的设计质量奠定基础。

接触网；附加导线；智能

0 引言

接触网附加导线指接触网中除接触悬挂以外的架空导线，包括供电线、加强线、正馈线、保护线、回流线、架空地线及避雷线等。对于高速铁路，供电线及其附属架空地线一般在田野地带架设，其余附加导线则利用接触网支柱悬挂。由于附加导线系统采用架空方式架设，工作环境恶劣，实际运行中遇有大风或覆冰等特殊工况时易发生故障，影响接触网系统正常运行。田野地带供电线日常维护依靠人工巡视，支柱上附加导线虽有动检车巡检，但也无法实现对附加导线系统运行状态的实时监控，对附加导线在大风天气下的振动、载流后的温升缺乏实际监测数据，不利于提高运行可靠性和维护效率。现有故障保护系统对附加导线故障精确定位、故障分析等也存在进一步提高的空间。

为解决上述问题，研究建立接触网智能附加导线系统，利用分布式光纤监测技术，实现对附加导线振动、温升等各种运行状态的实时监控，智能识别雷击、舞动、覆冰等各种工况，解决加强线故障定位困难，实现附加导线故障精确定位和实时报警，保障接触网系统的安全运行和提升运维效率。同时，通过对附加导线运行状态数据的积累分析，可为优化架空导线选型、张力配置等设计方案优化提供数据支撑。

1 系统方案设计

基于分布式光纤的接触网智能附加导线系统由光纤复合架空导线和监测系统2部分组成，附加导线采用光纤复合架空导线，监测系统采用光纤监测系统。其主要功能如下。

（1）工况判断：根据对附加导线运行状态的实时监测，自动识别雷击、舞动、覆冰等工况类型；

（2）故障定位：对附加导线故障点进行精确定位，误差不超过50 m，且具备即时报警功能；

（3）历史数据分析：对附加导线的温度、应力、断线情况进行实时监测，具备数据记录和历史数据分析功能，为接触网设计方案优化提供支撑。

光纤传感的灵敏度较高，能实现对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光、声、电流和应变等多种物理量的测量，并且适用于多种工况，可用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其他恶劣环境。附加导线在线监测方案原理是通过光纤复合架空导线与监测系统连接，监测系统通过对光纤信号的监控，监测附加导线的运行状态。

智能附加导线系统架构如图1所示。

监测设备与综合数据处理中心可集成为一套设备，为节约占地及便于维护，监测设备可设置在所内。进行雷击监测时，单套监测系统监测范围不宜超过50 km；进行覆冰、短路、振动监测时，单套监测系统监测范围不宜超过100 km。根据附加导线具体类型，监测设备可采用不同设置方式，满足各种附加导线的监测要求。在满足监测要求的前提下，为了更好的节约投资成本，可使用绝缘接头盒通过串联方式接入供电线监测设备。以典型AT供电方式的牵引变电所为例，其监测系统设置方案如图2所示。

图1 智能附加导线系统架构

图2 AT牵引变电所附加导线监测系统设置示意图

线路上AF线、PW线等附加导线也可使用绝缘接头盒通过串联方式接入监测设备，典型示意图如图3。对于一条线路，可在沿线所内设置监测设备，以满足全线AF线、PW线的监测需求。

监测系统可输入附加导线相应的接触网平面布置数据，包括接触网支柱里程、杆号等信息。当附加导线发生故障时，通过光纤故障测距即可实现故障点精确定位。

图3 典型AF线、PW线监测系统设置示意图

2 光纤复合架空导线架设方案

2.1 导线规格

光纤复合架空导线由光纤单元和绞线组成，典型结构如图4所示。

图4 典型光纤复合架空导线结构示意图

光纤复合架空导线外层由绞线组成，内层由不锈钢管和光纤组成。在确定适用于接触网架空附加导线的光纤复合架空导线规格时应考虑以下因素：

（1）机械性能。确定光纤复合架空导线规格型号时应考虑其重量、抗拉强度需满足设计张力、弛度以及支柱容量的需要。同时，从耐疲劳、防腐等方面，光纤复合架空导线应具有良好的服役性能且寿命不低于常规附加导线。施工安装前，应根据光纤复合架空导线的性能参数和运行工况制定相应的安装曲线并依此严格施工。

（2）电气特性。光纤复合架空导线的截面和材质应根据不同类型导线满足相应的载流或泄流需要，对载流量要求高的附加导线，可选择铝截面较大的光纤复合架空导线。

（3）监测要求。为实现监测功能，光纤复合架空导线内置光纤应满足线路各种工况下正常的监测要求，尤其是对于T线、AF线等载流后温升较大的附加导线，光纤复合架空导线应选用耐高温的特种光纤。

2.2 光纤复合架空导线的安装方案

相比普通的铝包钢芯铝绞线，光纤复合架空导线的架设施工需注意防止光纤单元的永久损伤，避免影响光纤性能。架设施工中，应着重考虑光纤复合架空导线的扭转、微弯、线夹外的局部径向压力及对光纤的污染等因素，具体可采取以下措施：

（1）防振。为了加强光纤复合架空导线的防振性能，其下锚处可采用预绞丝式耐张线夹，其悬挂点处则采用预绞丝悬垂线夹。对于大跨度或局部大风区段，为了进一步加强防振性能，保护光纤复合架空导线本体，可考虑加装防振锤。防振锤安装在每根支柱的耐张、悬垂金具两侧，配置数量和悬挂点位置根据线路情况而定。

（2）防扭转。放线应采用双绞盘的张力放线机防止导线扭转。施工架线时需在走板和紧线夹处加装平衡锤、防扭器，并采用特殊的双槽滑轮。

（3）防微弯与应力。为防止和减少光纤复合架空导线的微弯与应力，架线过程中不允许产生锐角且放线滑轮直径应为导线直径的25倍以上，一般不得小于500 mm；为避免损伤光纤复合架空导线表面，滑轮的内侧应设置尼龙或橡胶衬垫。

（4）放线张力的控制。为保证架线质量，架设应采用带张力释放装置的液压张力放线机和牵引机，放线速度不应超过0.5 m/s。

（5）防止光纤污染。为保证光纤复合架空导线的耐电磁老化、抗外力损伤及防水等性能，一般采用帽式带金属外壳的架空通信光缆接头盒，施工架设中应注意将端头进行封装。在光纤复合架空导线运抵现场架设前、架设完毕进行光纤接续及全线施工结束后，都应在现场及时进行光纤复合架空导线的光纤衰耗验收测试。开通验收前应进行全程光纤测试，包括线路长度、光纤衰耗特性、接续衰耗等，提供测试报告，为系统开通验收做准备。

3 监测设备安装方案

典型监测设备构成如图5所示。

监测设备与附加导线单端连接即可实现对附加导线的监测。设备主要包括设备屏柜、监测设备主机、监测设备从机、电源插排、4G无线路由器、电源导线、光纤跳线、4G无线通信天线等。由于光纤具有抗电磁干扰特性，可与其它电缆同沟敷设，再与监测系统连接。

图5 典型监测设备构成

4 监测系统功能

为满足运营维护要求，附加导线监测系统应具备以下功能：

（1）断线故障报警。为及时排除故障，缩小事故范围，需对附加导线断线故障进行实时报警并精确定位。

（2）无人值守。为节约人力成本，提高维护效率，监测系统可通过内置通讯模块实现无人值守。结合运营单位管理模式，通过网页客户端、手机APP等形式，及时将故障信息告知运维人员。

（3）运行状态监测。以往架空导线设计时，一般依靠理论公式计算安装曲线，计算用到的环境风速、导线最高温度、弛度等数据与实际运行工况有一定出入。通过监测系统可积累架空导线在高温、覆冰、大风等各种工况下的海量运行数据，分析其运行状态，更好地掌握架空导线的工作规律，为今后进一步提升设计质量奠定基础。

5 结语

当前智能铁路已经成为铁路发展的必然方向，作为接触网系统中较为薄弱的附加导线系统，由于普遍采用绞线结构，具备采用光纤复合架空导线替代的基础条件。通过光纤复合架空导线实现实时监测、实时评价、实时预警功能，对现有所内保护方式将起到革命性的变化。构建基于光纤复合架空导线的高速铁路接触网智能附加导线系统对提升设备运行品质，保障接触网系统安全运营及提高维修效率具有重要作用。同时，通过积累架空附加导线大量的运行数据，为进一步掌握架空导线运行机理、提升架空导线的设计质量奠定了基础。

目前光纤复合架空导线在国内电力系统已经有大量应用，在铁路系统的广深港、大西客专等避雷线项目中得到初步应用，现场反馈效果良好。通过不断地研究总结，积累经验，光纤复合架空导线在接触网架空附加导线领域将有广阔的应用前景。

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The paper puts forward the system structure, setting scheme and contact wire erection scheme for intelligent additional wires as well as the arrangement scheme for optical fiber monitoring equipment for overhead contact line of high speed railways, with connection to the maintenance by the operational company, puts forward feasible monitoring system functional requirements, realization of real time monitoring, real time assessment, real time warning and accurate locating, and further improve design quality, laying a foundation for improving design quality of additional wires by applying of monitoring data.

Overhead contact line; additional wire; intelligent

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.012

U225.4

A

1007-936X(2018)06-0051-03

2018-07-06

邓 洪.中国铁路设计集团有限公司，高级工程师；

刘永红.中国铁路总公司工程管理中心，提高待遇高级工程师；

古晓东.中国铁路设计集团有限公司，工程师。