接触网覆冰和风舞在线监测系统研究及应用

胡祥杰，楚振宇，谢志迅，姜国连

0 引言

接触网覆冰和风舞是电气化铁路比较常见的自然灾害，多发生在每年的初冬和初春季节。接触网覆冰影响面积广、危害大、抢修难度大；接触网风舞会导致线材振动幅度加大而增大接触网设备的机械损坏，常常引发弓网故障，导致电力机车受电弓不能正常取流，甚至造成断线短路跳闸而中断供电。近年来，极端气候频繁出现，接触网覆冰和风舞灾害频现，如何应对接触网覆冰和风舞带来的危害，是一个非常重要的课题。

鉴于我国电气化铁路里程长，覆盖面广，为减少接触网覆冰和风舞事故带来的危害，保障电气化铁路安全、稳定、可靠运行，除在电气化铁路接触网沿线加装防风舞设备外，还应加强接触网覆冰和风舞在线监测、预警和诊断方法的相关研究。目前，电气化铁路接触网覆冰和风舞主要的监测手段和方法包括人工定期进行巡检和在铁路沿线搭建观冰站等，这些方法存在投资成本高，劳动强度大，事故隐患无法及时发现，监测结果与现场实际数据相差较大等问题。

研究和应用接触网覆冰和风舞在线监测系统应能够实现以下目标：

（1）实时掌握接触网沿线气象条件；

（2）利用气象参数分析预测接触网覆冰和风舞的发展趋势，及时发出预警信息，提高接触网安全运行水平；

（3）不受气候及地理环境的影响，减少维修人员在恶劣天气下上线巡检的安全隐患；

（4）取代造价昂贵且维护困难的观冰站。

因此，研究接触网覆冰和风舞在线监测技术，可防止覆冰和风舞带来的灾害，对提高电气化铁路的安全运行可靠性具有重要意义。

1 接触网覆冰在线监测

1.1 架空导线覆冰监测技术比较

目前，国内外针对电气化接触网架空导线覆冰主流的在线监测技术包括图像法、倾角-弧垂法、称重法等。

（1）图像法。在接触网支柱上安装在线监测视频装置，拍摄采集接触线、承力索、正馈线、PW线或回流线上的覆冰形状图片，利用有线或无线数据传输方式将现场采集的图片传输到接触网覆冰在线监测平台，利用导线固有参数（材料、截面积等）采用微积分计算方法计算接触网导线覆冰面积，再换算得到等效导线覆冰厚度。现场采集采用图像法相对比较容易，而且能够直观地观察接触网实际覆冰情况，但由于摄像头只能观察近处覆冰状况，很难全线布设，因此采集信息量有限，另外在积雪较厚的季节，摄像头有可能被冰雪覆盖，致使视频监测系统失效。

（2）倾角-弧垂法。倾角-弧垂法是将倾角传感器安装在接触网导线上，监测导线悬挂点或绝缘子串处倾斜角度的变化，并根据导线参数和环境温度进行计算，根据原始角度形成角度差，得出导线受力增加量，再换算成线路覆冰的重量，通过导线固有的参数等效计算出接触网导线覆冰厚度。由于倾角-弧垂法的弧垂数据需参考倾角，受环境影响较大，而且测量位置、杆塔之间的距离会对角度测量产生影响，造成误差较大，从而影响覆冰厚度的计算。该方法适用于正馈线、PW 线或回流线等独立架设的接触网导线。

（3）称重法。称重法将原有接触网导线上的球形挂环用拉力传感器替换，拉力传感器直接测量杆塔下接触网导线所带来的拉力，并利用接触网导线本身参数、环境温度、风速风向等参数，计算接触网导线的重量，并排除由于风力风向及绝缘子串倾斜带来的拉力分量，最终得出覆冰重量，再根据接触导线的材质以及截面积换算等效覆冰厚度。该技术相对成熟，误差较小，国际上比较通用。

本次研究推荐采用称重法进行接触网覆冰在线监测。

1.2 接触网导线覆冰厚度计算模型

接触网导线综合载荷是档距内导线固有载荷、冰载荷、风载荷、绝缘子载荷之和，据此可建立接触网导线载荷平衡模型：

式中：QΣ为接触网导线垂直载荷；Q0为导线悬挂自重载荷；QW为风载荷；Qi为冰载荷；Qr为绝缘子载荷。

QΣ可通过拉力传感器测量得出；Q0、Qr可由接触网导线、绝缘子制造厂家提供；QW可通过风速传感器、风向传感器和接触网导线截面积计算得出。在计算中还要考虑导线受风体形系数、风压不均匀系数以及线路导线风载调整系数等影响。通过建立垂直载荷数学模型得出覆冰载荷后，再依据覆冰厚度等效模型计算出导线等值覆冰厚度：

式中：φ为导线覆冰厚度；d为无覆冰时导线外径；m1为无覆冰时导线单位长度质量；m3为覆冰后单位长度导线质量，可由重力传感器测得数据后进行计算得到；ρi为覆冰密度。

由式（2）可计算出等效导线、地线均匀覆冰厚度。

1.3 接触网覆冰在线监测设备组成

（1）环境及气象数据监测装置。在杆塔底部安装气象和环境监测装置，实时监测气象环境的温度、湿度、风速、风向等，安装时尽量避免高速列车通过带来的影响，如果条件允许，可增加降雨量传感器、日照传感器等。

（2）接触网导线拉力监测装置。在绝缘子与杆塔之间加装拉力传感器，拉力传感器的安装应保证安装结构的安全，另外其监测范围不宜过大或过小。本系统采用拉力传感器监测绝缘子垂直方向的荷载，在线监测杆塔纵向张力的变化。

（3）汇控柜。将气象数据采集装置和杆塔拉力采集装置采集的数据通过通信模块汇集到汇控柜，由汇控柜提供相应的电源，同时提供通信功能，将数据上送至控制中心。

（4）覆冰分析模块。覆冰分析模块根据接触网导线综合载荷，利用拉力传感器、环境温湿度传感器、风向风力传感器、绝缘子倾角传感器等建立一个综合数学模型，在线监测接触网导线的等值覆冰厚度的变化。

接触网覆冰在线监测方案如图1 所示。

图1 接触网覆冰在线监测方案示意图

2 接触网风舞在线监测

2.1 架空导线风舞在线监测技术比较

目前，国内外常用的架空输电线路风舞在线监测技术主要包括视频监控法、加速传感器法、光纤传感器法等。

（1）视频监控法。在接触网线路杆塔（接触网支柱）上安装摄像头，根据实时监测接触网导线坐标方向和安装摄像头以后初始导线坐标方向之间的平移数据，并根据时间进行拟合，利用相关算法推导风舞旋转角度。该方法涉及数字视频压缩技术、无线通信数据传输技术、新能源及低功耗应用技术。

（2）加速度传感器法。在接触网上安装加速度传感器，根据加速度和位移的关系计算出导线风舞的振幅数据，并将采集到的数据通过无线传输方式传送至数据监控中心，由专家分析模块给出接触网风舞数据，根据运行情况判断是否需要报警。由于加速度传感器数据信号频率较高，大量数据需要通过无线实时传输，需要消耗大量流量，因此无法实现实时传输。另外，安装位置、杆塔之间的距离对数据信号的影响也较大。

（3）光纤传感器法。分布式光纤传感器可利用空间网络的特点获得被监测设备空间分布状态和随时间变化的信息，在整个光纤网络上对接触网导线进行连续测量。利用光纤传感器与光纤遥测技术的内在相容性等优点，使接触网风舞在线监测具有更好的实时性、在线性、可靠性和稳定性。在牵引网线材（目前主要是PW 线或回流线）内安装光纤，并将光纤传感器连接到监测主机，构成分布式光纤传感器在线监测网络，导线载荷变化和风力影响造成舞动变化数据经接触网传入光纤光栅，并通过光纤信号传输回监测主机。光纤传感器法采用波分复用技术对光栅反射信号进行解调，分析导线载荷和风力影响带来的振动影响。

对比上述3 种方法，视频监控法成本较高，维护工作量较大，同时受到气候的影响，例如摄像头被冰雪覆盖等；而加速度传感器的安装位置选择困难，不能很好地表现出接触网风舞的全面情况。本次研究推荐采用沿接触网线材设置光纤的光纤传感器法。

2.2 监测原理

通过采用光纤振动传感器辅以分布式温湿度传感器以及应力传感器对接触网的附加线进行状态监测，采用带光纤的附加线实现对接触网的风舞及雷电振动信号的监测和识别。

光纤分布式振动监测系统是一套长距离、分布式、可精确定位的振动监测系统，基于智能化信号处理算法，可实现事件精确定位、多事件同时报警、事件类型准确识别、个性化分区配置、地图展示等多个功能。该系统基于φ-OTDR（φ光时域反射仪）原理，利用高相干度背向瑞利散射光的干涉现象，以通信光纤光缆作为传感和分析设备，可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动信息，之间的采样间隔可以仅为1 m，检测周期可达毫秒级。当光脉冲传播到受外界振动信号作用的光纤段时，其瑞利散射回到探测器的光信号也会产生变化，通过检测散射光信号的变化就可以检测出测量区域的振动情况，同时通过模式识别算法即可准确判断出多种不同的振动方式，并能实现多点同时监测和精确定位。

2.3 设备组成

（1）光纤传感器。与导线生产厂家进行技术对接，将光纤传感器预埋于PW 线内，并在导线内将光纤使用钢线进行加固，防止光纤折断。同时在两端预留一些导线，以便于光纤熔接。

（2）光纤熔接盒。光纤熔接盒共有2 个，1个置于电气化铁路轨道旁线缆槽内（要求具备放置室外IP65 防护等级），1 个置于计算机监控中心屏柜内。

接触网风舞在线监测方案如图2 所示。

图2 接触网风舞在线监测方案示意图

3 接触网覆冰和风舞在线监测系统

3.1 系统架构

根据上述分析，接触网覆冰和风舞在线监测系统的系统架构如图3 所示。

3.2 系统构成

（1）风舞在线监测服务器。风舞在线监测服务器包含了光纤传感器信号解调模块，主要根据光纤传送的振动数据以及气象信息数据分析接触网风舞状态。

图3 接触网覆冰和风舞综合在线监测系统

（2）覆冰在线监测服务器。覆冰在线监测服务器主要负责根据杆塔拉力监测以及气象信息数据分析接触网覆冰状态。

（3）通信管理机。通信管理机分别与覆冰在线监测服务器和风舞在线监测服务器连接，同时与上级信息系统连接，将实时状态数据和预警信息及时上传至上级信息系统。

（4）光纤熔接盒。光纤熔接盒主要负责与接触网风舞在线监测系统进行连接，并将光信号连接至风舞监测服务器。

3.3 系统实施

根据上述研究研制开发了1 套接触网覆冰和风舞在线监测系统，整套装置（图4）组屏安装于崇礼铁路小白阳牵引变电所控制室内。

图4 接触网覆冰和风舞综合在线监测装置

在崇礼铁路小白阳牵引变电所附近上下行各取一个锚段安装了带光纤的PW 线和气象参数采集装置，通过温湿度和应力采集装置实现接触网覆冰在线监测，通过采用光纤振动传感器辅以分布式温湿度以及应力传感器对接触网附加线进行状态监测，实现接触网的风舞、雷电、振动信号的监测和识别。装置目前已经投入运行，正在积累数据。

4 结语

接触网覆冰和风舞在线监测系统可以根据实时采集的气象条件、环境温湿度变化、导线拉力情况分析接触网线路覆冰状况，预测覆冰发展状况，监测接触网风舞状态等，并可通过上述各种数据对应原有设计范围或运行设定值实现报警、预报警，降低覆冰和风舞事故对接触网的冲击和损失，校核线路设计参数的合理性，为接触网线路设计、防冰改造提供真实的现场数据，从而为接触网在恶劣环境条件下的安全运行提供有力保障。