高铁接触网锚段终端关键参数监测技术研究_谭平.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家自然科学基金项目(51677171，51577166，51827810);国家重点研发计划项目(2018YFB0606000);工业控制技术国家重点实验室资助(ICT2022B29);朔黄铁路发展有限公司科研项目(SHTL202013)收稿日期:20220801高铁接触网锚段终端关键参数监测技术研究谭平1，邱良杰1，丁进1，林建2，李增勤3，黄文君4(1浙江科技学院自动化与电气工程学院，浙江杭州310023;2中铁高铁电气装备股份有限公司，陕西宝鸡721013;3中铁电气工业有限公司，河北保定071025;4浙江大学控制科学与工程学院，浙江杭州310027)摘要:接触网工作状态的实时在线感知可通过监测各个锚段，特别是各锚段终端补偿装置与杵环杆关键参数而实现。文中研制了一种接触网锚段终端关键参数实时监测装置，通过传感器获取线索张力和补偿装置 b 值，利用无线通信模组传输监测数据至云端进行存储、统计和分析，能够监测接触线或承力索断线和棘轮卡滞等故障，并能实现故障预警。该装置已运用于杭深高铁线路，实时在线监测锚段内线索张力和补偿装置 b 值的变化趋势，实现了接触网状态实时感知，并为接触网的运营状态评估和检修提供重要依据。关键词:接触网;实时监测;故障预警;电桥电路中图分类号:U226文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02011506Study on Monitoring Technology of Key Parametersof High-speed ailway Catenary Anchor Segment TerminalTAN Ping1，QIU Liang-jie1，DING Jin1，LIN Jian2，LI Zeng-qin3，HUANG Wen-jun4(1School of Automation and Electrical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China;2China ailway High-Speed Electrification Equipment Corporation Limited，Baoji 721013，China;3China ailway Electrical Industry Corporation Limited，Baoding 071025，China;4College of Control Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)Abstract:The real-time online perception of catenary operation state can be realized by monitoring each anchor segment，es-pecially the key parameters of the compensation device and the ball-end eye-end rod at the end of each anchor segmentA real-time monitoring device for key parameters of catenary anchor segment terminal was developedIt obtained the wire tension and theb-value of the compensation device through sensors，and used the wireless communication module to transmit the monitoring datato the cloud for storage，statistics and analysisThe device monitored contact wire or messenger wire break fault as well as ratchetclamping stagnation fault and provided fault warningThe monitoring device has been applied to the Hangzhou-Shenzhen high-speed railway to monitor trends of wire tension and the b-value of the compensation device in the anchor segment in real timeItrealizes the real-time perception of catenary status，and provides an important basis for the operation status evaluation and mainte-nance of catenaryKeywords:catenary;real-time monitoring;fault warning;bridge circuit0引言截至到 2021 年底，我国高速铁路投产新线达2 168 km，全国高铁营业里程达 4 万 km1。接触网是沿铁路上空架设为列车提供牵引电力的输电线路，由于长期工作在户外环境中，接触网易受强风、雨雪等外界因素影响，是整个牵引供电系统中较薄弱的部分24。接触网一旦发生故障，列车将不能正常受流运行，进而严重影响铁路运输。2018 年，津秦高铁线路某处，接触网承力索因长期电蚀灼伤而发生断线故障，中断供电时间近 110 min，该线上多辆列车受到影响;2018 年，由于极端高温天气和施工安装问题，京哈高速线某处承力索驰度过大，中心锚结绳低于导线面，引发了列车的刮弓故障，多处吊弦折断。上述事故的发生都是缺乏对接触网锚段的线索和补偿装置关键参数的实时监测。完善接触网工作状态的实时感知监测，对列车稳定运行具有重要意义56。现阶段，国内高铁运营维护人员主要在夜间天窗116Instrument Technique and SensorFeb2023时间，通过人工检修和维修车检修的方式对接触网进行检测7，但其检测周期主要受天窗时间影响，不易检测出渐变性的潜在隐患和突发故障。国内一些研究学者对接触网状态监测的研究取得了一定成果。刘光栋等8 研制了一套接触网补偿装置在线监测系统，使用激光传感器和无线 GPS 网络对接触网滑轮补偿装置坠砣底部至地面的距离值(b 值)进行了实时监测，通过对其波动变化规律来判断是否出现故障。占栋等9 采用了线阵摄像机，结合深度学习和图像处理技术，通过检测坠砣位置的变化来判断张力补偿装置是否异常。在不同的补偿装置结构下，上述监测效果会受到一定影响，其设备的维护成本也会增大。接触网锚段终端是重要受力部位，对接触悬挂的安全性能起到至关重要的作用，其工作状态关乎整个接触网系统的运营安全。为了实时感知监测接触网的工作状态，本文设计了一套接触网锚段终端关键参数监测装置，通过力学传感器检测出接触线和承力索的张力大小，以及测距传感器检测出补偿装置 b 值，实现了接触网锚段终端关键参数的监测，结合无线 GPS 传感网络与数据平台通信，实现断线和卡滞故障监测与预警，为接触网工作状态评估和检修提供参考。1锚段终端关键参数监测方案接触网补偿装置通常安装在锚段两端，与接触线或承力索串接，用于改善接触悬挂弹性。在温度、风力等外界因素发生变化时，补偿装置能确保接触线、承力索的张力和驰度保持在设定的技术要求范围内。补偿装置有滑轮、棘轮、弹簧等形式，国内大多数线路采用棘轮补偿装置。其线索一侧与确定质量的钢质坠砣组相连接，另一侧通过环杆与接触线或承力索相连。当线索上的力值发生变化时，正常状态下棘轮补偿装置就会根据张力的变化情况调节坠砣上升或者下降，从而使线索上的张力重新平衡，达到补偿张力的效果。当断线故障发生时，棘轮装置由于其断线制动功能，b 值的变化幅值受限，而此时由于线索失去了拉力，线索张力值会在短时间内大幅度下降。当卡滞故障发生时，线索上的张力不能被补偿，张力会急剧增大，而 b 值变化幅度不大。因此结合张力和 b 值的变化趋势能够判断出断线和卡滞故障。根据棘轮装置的工作原理，本文设计了接触网锚段终端关键参数监测装置，监测线索张力和补偿装置b 值。其安装示意图如图 1 所示，在连接棘轮装置平衡轮与接触线、承力索绝缘子的杵环杆上安装张力传感器，可以在避免改变接触网结构的情况下，检测出线索的张力值，确保线索的驰度;在坠砣处安装测距传感器检测出 b 值，通过位移值来判断棘轮装置的补偿状况。对锚段内这两类关键参数的监测，避免了单一变量监测的漏洞，通过分析数据和变化规律，能更全面地了解锚段内接触线、承力索和棘轮补偿装置的工作状况，为故障预警提供了较准确的依据。图 1锚段终端关键参数监测示意图2监测装置的实现接触网锚段终端关键参数监测装置主要用于监测接触线、承力索的张力值和补偿装置坠砣 b 值。其总体结构框图如图2 所示，主要包含供电电源、传感电路、主控单元和通信模组 4 个部分。图 2接触网锚段终端监测装置结构图主控单元是监测装置的核心部分，采用 32 位AM 嵌入式微处理器，用于输入信号的处理和运算，通过无线通信模组与后台数据中心通信，实现接触网锚段终端关键参数的监测。处理器内置多种低功耗模式，配合大容量的电池能长期稳定工作，能够适应现场的安装与维护的需求。由于接触网锚段监测环境复杂，监测设备不能从接触网取电，需要独立电源供电。为了监测设备能尽可能长时间稳定工作，电源部分采用锂亚电池供电，电池选用标称电压为 36 V、标称容量为1 200、19 000第 2 期谭平等:高铁接触网锚段终端关键参数监测技术研究117mAh 的锂亚电池，分别为张力、测距监测设备供电。依靠其较低的自放电特性，该电池具有较好的寿命和可靠性。为了使主控芯片获得稳定的输入电压，电源电路部分接入了低压差线性稳压器，其具有低功耗、高精度和高纹波抑制等特点，能够减少噪声的干扰，确保输出稳定的电压供给主控单元。力学传感器主要器件为箔式应变片，这种应变片采用全封闭结构，尺寸精密，具有散热性好、横向效应小、疲劳寿命长等优点，适用于接触网线索张力的长期监测。将应变片搭入惠斯登电桥电路中，实现对力值的检测。其具体参数如表 1 所示。表 1箔式应变片参数表主要技术指标参数典型电阻值/350对平均电阻值公差/%01灵敏系数200220应变极限/%20疲劳寿命/M1使用温度范围/3080位移传感器采用超声波收发装置。超声波装置参数见表 2。相比于激光和红外传感器，该设备兼具低成本和功耗较低的优点，有较长的工作寿命，对监测环境的要求较低，能够适应户外接触网设备现场复杂多变的工作环境，通过非接触方式检测出坠砣至地面的距离，来判断棘轮装置的补偿状态。表 2超声波装置参数表主要技术指标参数工作电压/V355工作频率/kHz40最远量程/m4测量角度/75分辨率/mm13关键技术研究31张力检测设计在力值检测方面，电阻应变片以其体积小、易安装、线性度好等优点而被广泛应用于各种应变检测场所。应变片的工作原理是将弹性元件受到的力值变化转换为应变片的电阻变化10。从应变片的基底引线搭建电桥电路，便能得到易于分析的电信号。在单臂、双臂和全桥3 种电桥电路中，全桥电桥可以消除温度等误差引起的共模干扰，消除电桥的非线性误差，有较高的灵敏度11。用于检测接触网线索张力的弹性元件为连接棘轮补偿装置和线索的杵环杆，将箔式应变片粘贴在杵环杆外壁应力分布较均匀的中间部分，对称布置组成八电阻的全桥检测电路，其贴片和布置示意图如图 3所示。其中 1