基于接触网成像技术的绝缘子故障检测方法

韦三

摘要：目前，科学技术的发展迅速，电力系统的发展也突飞猛进。刚性接触网是传统柔性接触网的下一代产品，其可靠的性能在当前的隧道运行中有着很重要的作用。在隧道运行过程中由于运行时间过长或是其他一些故障的出现容易造成刚性接触网的故障，为了更好地保证接触网在隧道运行中发挥作用，减少不必要的经济损失，需要对其在运行时可能出现的故障进行分析并作出精准快速的解决方案。

关键词：接触网成像技术;绝缘子;故障检测方法

引言

自2008年京津城际开通以来，中国高速铁路进入快速发展期。2018年底，全国铁路运营里程达到13.1万km，规模居世界第二;其中高铁2.9万km，位居世界第一;全国铁路完成年旅客发送量33.7亿人次。接触网是高速铁路牵引供电系统的重要组成部分，是电力机车获取电能的关键设备之一。目前全国铁路电气化率已达67%，位居世界第一位。接触网设备沿铁路线露天设置，工作环境恶劣且无备用，一旦发生设备故障将中断行车，甚至严重影响电气化铁路运输安全。因此，在电气化铁路的运营过程中，通过各种检测手段及时发现各类接触网设备隐患是极其重要的一项工作。

1故障指示型防雷防断线绝缘子的工作原理

故障指示型防雷防断线绝缘子将绝缘子、避雷器和故障指示器三者的功能有机结合，独创性地采用柱式结构及内置间隙设计，在正常电压下，能够起到普通绝缘子的作用;當有雷击过电压来袭时，若过电压的幅值危及系统运行安全，绝缘子内部的间隙就会瞬间导通，将过电压通过非线性电阻片泄入大地，从而起到避雷器的作用。此外，一旦出现绝缘子内部击穿、设备损坏的情况，故障指示元件就会提示故障点。

2绝缘子检测现状

在高速铁路开通以前，接触网检测手段相对单一，只能对接触网几何参数进行检测，针对接触网零部件“缺、松、脱、断，以及绝缘部件闪络、破损”等问题的检测技术较为缺乏。接触网悬挂状态检测监测装置（以下简称“4C装置”）是对接触网关键零部件以及其悬挂状态进行成像检测的车载检测系统，通常安装在检测车上，通过车顶高清成像设备，对接触网各关键零部件进行成像检测。绝缘子是接触网支持装置中的关键设备，其主要作用是保持接触网接触悬挂及支持装置对地的电气绝缘，由于接触网设备露天设置且无备用的工作特性，如其绝缘性能下降或发生破损、断裂，将引起接触网跳闸或改变接触网支持装置的物理稳定性，严重时甚至可能造成接触网断线。因此对绝缘子的性能状态进行检测，是防范接触网故障的重要手段。绝缘子常见故障有：附着异物、破损缺片、闪络放电等，对上述故障，过去主要依赖人工巡视检查，在4C装置推广运用后，主要依靠人工对4C装置的成像检测图片数据进行分析，判断是否存在故障。该方式虽然在一定程度上降低了劳动强度，但效率依然较低。近年来，随着机器视觉、神经网络等技术的快速发展，不少学者提出了基于机器视觉的接触网绝缘子故障智能识别方法。如西南交通大学机械工程学院提出基于纹理特征和可能性均值聚类的异常检测方法，检测接触网绝缘子脏污程度。本文针对接触网绝缘子附着异物、破损缺片、闪络放电3种典型故障，采用方向梯度直方图（HistogramofOrientedGradient，HOG）特征对绝缘子进行定位，通过缺陷绝缘子外形特征识别判别绝缘子状态，进而完成绝缘子破损等形态缺陷的检测。

3高压绝缘子在线检测系统的设计

3.1对不易判明的故障的处理步骤

有时会发生故障原因不易判明的情况，这时检修员要从小范围开始搜寻。首先在接触网区查找范围内进行检查，对变电所、分区所、AT所等的上网馈线和装卸线进行检查，如果有需要可以扩大查找范围。有时在发现损坏时不能对绝缘子闪络、击穿、分段绝缘器击穿进行明确判断，这时工作人员要按照一定的查找顺序进行排查：①首先要走访故障测试装置的技术人员确定故障大致发生的地点。②检查接触网工作区域中是否存在闪络痕迹和电路烧伤痕迹，查看火花间隙是否有击穿的状况。③采用分段试送电的方法进行逐一排查最终确定故障点。

3.2在线检测系统结构及功能

在线检测系统由电塔;高压绝缘子;电流传感器（每个绝缘子连接一个电流传感器），用于检测绝缘子的电流将之转为f;GPS模块，用于数据处理中心接受数据;防雷击系统;软件UART;电源系统（主要用太阳能电池，蓄电池备用）;GPRS模块，用于发送数据;C8051F010、RS485、数据采集系统，采集温度、湿度、测量风速;主要可划分为电塔、数据采集、数据传输、数据分析4个模块。电流传感器装在电塔的接地线的探头中，用于采集漏电脉冲或电晕脉冲，由于绝缘子刚发生故障时，漏电脉冲或电晕脉冲都很小，不仅不能接入电路，而且会被其他电流（如正常的电力载波和泄漏电流）所干扰，所以探头中要安装放大漏电脉冲或电晕脉冲信号的放大器，数据分析模块中也要设置过滤脉冲信号的程序，为了采集到尽量多的漏电脉冲或电晕脉冲信号，放大器的频率范围要设置在20～40MHz，过滤脉冲信号的程序要设置512K空间，并选择20MHz的频率。数据传输部分，在线检测系统采用的是GPS与GPRS系统，与其他的有线和无线传输系统相比，GPS与GPRS系统成本低廉、工作量小，由于野外信号不稳，所以系统采用了在线检测系统采用了双系统模式，根据网络信号的覆盖度和强度自动变换GPRS或SMS模式。

3.3弓网接触力评估

弓网接触力是反映受电弓滑板与接触线之间机械作用关系的物理量。弓网接触力过大会加剧滑板与接触线磨耗，过小则会造成弓网间接触不良，引起接触电阻增大、接触点过热，甚至造成弓网燃弧。采用静态抬升力为100N和新滑板的受电弓对正线全线进行弓网接触力检测，统计间隔为8m。分析发现，弓网接触力的波动与速度关系较大，随着速度的增加弓网接触力波动不断加剧。统计表明，全线除部分关节因调整不到位出现弓网接触力波动较大外，其余区段未发现弓网接触力平均值超限和标准偏差超限。

3.4分段式送电方法的注意事项

所谓分段式送电就是利用隔离开关将变电所馈线的送电范围进行分段，依据放电弧光的情况和开关的动作情况来进行故障点的判断。在使用该种方法之前首先要根据列车编组进行划分，并且要排查供电臂内是否存在易燃易爆物品，如果有要进行处理。在进行工作时要充分与现场工作人员配合，要严防操作外人员由于接近操作点而发生触电的现象。在测试时还要根据现场实际情况对故障点的误差范围进行估计。具体操作方法如下：①首先将变电所内馈线开关后进行送电，之后检查送电的情况，如果能够顺利送电则可以排除该部分故障，如果无法送电则需要进一步判断，一般这种情况说明除电网线路没有故障，要想恢复运营可以采用跨区供电的方法。②将线路上的网隔离进行开关如果能够送电说明馈线电缆无故障，如果无法送电则说明触网本体可能发生故障。

结语

针对绝缘子常见的破损缺片、闪络放电、附着异物3种故障分别设计了故障智能识别算法。实践证明，本文采用的方法检测准确率较高，具有一定的工程意义，可为接触网故障智能识别分析方法提供技术参考。

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