接觸網張力在線測量系統(tǒng)研究與實現*

劉會平， 韓通新， 趙伯勝， 劉寅秋

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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鐵路供電技術

接觸網張力在線測量系統(tǒng)研究與實現*

劉會平， 韓通新， 趙伯勝， 劉寅秋

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

在分析接觸網張力特點基礎上，設計了一套接觸網張力在線測量系統(tǒng)，采用基于無線傳輸的組網方案，設計了一種問答式通訊協議進行系統(tǒng)各測點對于服務器通信方式，對接觸線和承力索張力進行實時測量，并能提供實時報警和預警信息，為掌握接觸網張力特性提供了一種實時測試手段，能有效的在線監(jiān)測和預防接觸網事故，該測量系統(tǒng)可以為接觸網及受電弓維修保養(yǎng)提供技術支持。

接觸網； 張力； 在線測量

接觸網是高速鐵路的重要基礎設施，接觸網的運行參數和狀態(tài)直接影響高速列車的運行安全，在接觸網服役運行中，接觸網的張力直接影響到接觸網性能，進而對弓網動態(tài)作用性能產生重要影響，接觸網張力隨外界氣象條件、接觸網張力補償器的補償效率及墜砣卡滯等因素產生變化，容易造成接觸網張力過大或者過小，由此均容易引起弓網受流性能惡化以及弓網故障。

近年來隨著我國高速鐵路大面積開通，迫切需要在線路的關鍵區(qū)段對接觸網張力性能進行在線測量，通過在接觸網上安裝張力實時獲取接觸網張力參數及張力特性數據，為接觸網和受電弓維修保養(yǎng)提供指導依據。目前，針對接觸網張力準確在線監(jiān)測還沒有相應的測試手段，因此需要研制一套能實時在線測量接觸網張力性能、計算接觸網補償效率的檢測系統(tǒng)，對接觸網特殊斷面的張力及補償效率進行檢測與預警，有效的預防接觸網事故的發(fā)生，保證鐵路供電系統(tǒng)運行安全。

1　測量系統(tǒng)組成安裝位置

接觸網張力在線測量系統(tǒng)主要包括測試傳感器部分，測試數據采集部分，數據傳輸及數據分析處理等部分組成。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　測量系統(tǒng)組成圖

測試系統(tǒng)的前端測試傳感器部分主要包括張力測試傳感器。測試數據采集部分主要包括數據采集主機，采集系統(tǒng)電源，數據傳輸。

接觸網張力測試系統(tǒng)采用模塊化設計，整個測量系統(tǒng)安裝在接觸網、承力索下錨位置，安裝時，終端錨固線夾線框通過一根杵環(huán)桿與絕緣子相連接，線夾框內的杵環(huán)桿直接與下錨裝置相連接，傳感器套接于杵環(huán)桿內，安裝在線夾框內。系統(tǒng)電源模塊和數據采集裝置安裝在墜砣附近的接觸網支柱上。系統(tǒng)按照位置如圖2所示。

2　測量系統(tǒng)原理及關鍵技術

接觸網張力是接觸網性能的一個重要參數，張力的大小以及張力的穩(wěn)定性是影響接觸網及弓網受流性能的一個重要因素，接觸網在設計初期已經通過仿真計算設置選取了相應的參數，為保證接觸網在施工結束后依然能夠保持設計時的張力體系，需要在接觸網的特殊斷面安裝張力測試系統(tǒng)，實時檢測接觸網張力。接觸網張力對弓網受流參數的影響也是比較大的，當動車組高速通過時，由于弓網接觸力的影響將對接觸線有一個向上的抬升，該抬升量的大小直接關系到接觸網的安全，如果張力補償不到位，將直接對接觸網動態(tài)抬升量產生影響，關系到弓網安全。

2.1測量傳感器原理

由于接觸網系統(tǒng)自身特點，接觸網張力測量一直是一個比較難的技術問題，主要在于不改變接觸網結構條件下進行在線測量，而且對很多標準傳感器基本上都無法安裝，因此測量張力大多數還是停留在間接測量的方式上，通過在接觸網上使用的定位器改裝成測試傳感器，測試時更換接觸網定位器為帶有傳感器結構的特制定位器，該測試方案能夠間接的對接觸線張力進行測量，由于安裝位置和測試實施方案，該測量方法無法測量承力索張力，雖然通過此種方案能夠間接的對接觸線張力進行測量，由于不是直接測量方法，準確度較低，而且測試結果無法計算出接觸網補償裝置的補償效率。

圖2　系統(tǒng)安裝位置示意圖

本測量系統(tǒng)根據接觸網下錨裝置，采用直接方法對接觸網張力進行測量。該測試方案在不改變接觸網原來結構基礎上，通過一個特殊結構的抗壓傳感器，串聯與接觸網下錨裝置中， 能夠實時準確測量出接觸線和承力索張力，并計算出補償效率。測量項目主要包括兩個方面的內容，(1)接觸網張力，(2)接觸網補償效率。接觸網張力傳感器主要是根據接觸網張力補償裝置特點，采用抗干擾能力比較強的應變傳感器，該傳感器結構簡單，安裝方便。由于張力測量傳感器安裝在接觸網下錨裝置上，接觸網張力傳感器采用具有特殊結構和材質的傳感器，該傳感器采用貼片方式，即在傳感器內側貼應變片，用電阻應變片組成應變傳感器。該傳感器具有線性度高、重復性好的特點。

2.2遠程測量技術研究

接觸網張力測量系統(tǒng)測試的參數位于接觸網特殊斷面，為使測量信號通過無線通信傳輸至地面數據服務器，需要在接觸網測量處對各測量信號進行調理、采集、傳輸。其關鍵技術主要包括(1)系統(tǒng)電源供應，(2)測量系統(tǒng)數據采集模塊設計，(3)系統(tǒng)電磁兼容設計。由于該系統(tǒng)安裝在接觸網上，而且屬于多點多類型同步測量，因此整個系統(tǒng)的電源供應問題是一個比較類測量傳感器提供合適電壓等級的電源。測量系統(tǒng)數據采集模塊采用嵌入式數據采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要特點為結構簡單，體積小，容量大，易于操作，主要包括信號調理、數據采集和數據處理等。數據采集處理流程如圖3所示。

圖3　數據采集處理流程圖

測量技術的另外一個關鍵部分在于系統(tǒng)的電磁兼容設計[1]，由于該系統(tǒng)布置在接觸網區(qū)域，處于25 kV電壓等級周圍，尤其是列車通過時，受電弓在滑動過程中與接觸網產生的電火花引起的電磁干擾，極易干擾測量系統(tǒng)的正常工作，本測量系統(tǒng)采用特殊的接地方式，增強了系統(tǒng)抗干擾能力，同時采集模塊采用低通濾波器和數字濾波方式，對于高壓環(huán)境下的電磁輻射，系統(tǒng)采用增加信號調理電路的入口設計了峰值限幅電路。多種方式共同抑制電磁干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3數據傳輸通道及接口協議研究

由于接觸網張力性能在線測量系統(tǒng)測試數據量不大，對實時數據的傳輸頻率要求不高，因此，數據傳輸通道采用無線網絡傳輸方式，該方式具有網絡速度快、工作穩(wěn)定、費用相對低廉等特點。各測點與服務器之間的接口協議是該系統(tǒng)實現的關鍵技術之一，該系統(tǒng)自定義了一套通訊協議，該協議采用問答式通訊方式，通信協議規(guī)定了各測點與服務器之間的通信功能、報文格式、報文類型和傳輸規(guī)則。協議內容主要包括對采集系統(tǒng)的系統(tǒng)設置(采樣頻率、濾波參數、系統(tǒng)時鐘)，對測點信息的查詢、掃描、數據召喚、系統(tǒng)診斷等。

測量系統(tǒng)采用客戶、服務器體系，因此系統(tǒng)中各測點的數據源均可為服務器方提供數據，按照設計的通信協議，各測點的巡檢數據、異常數據和事件數據也均可作為客戶請求數據。只有客戶發(fā)出請求服務器才向測點請求部分數據，這樣可以減少網絡通訊數據量，提高整個系統(tǒng)性能。系統(tǒng)具有多重安全保護策略，除為每位操作人員分配不同的操作權限外，還可限定其操作范圍(安全區(qū)域)。系統(tǒng)設計從各方面嚴格考慮了應用對象的實時性要求，采用既具有實時性又具備關系型數據庫特點的實時數據庫。系統(tǒng)數據處理支持基于時間和基于異常兩種方式，基于時間處理方式的時間間隔可以任意設定，最小可以到1 s；基于異常處理方式主要指某些重要數據發(fā)生變化時或某一事件發(fā)生時，系統(tǒng)能及時響應，并快速進行處理。通過接口協議，可在線修改各種配置，保證系統(tǒng)實時連續(xù)運行。

3　測試系統(tǒng)應用

系統(tǒng)能夠解決接觸網張力性能等參數的在線實時測量問題，為接觸網張力及補償效率等參數測量提供了一種測試技術手段，系統(tǒng)采用基于無限數據網絡的多點分布式遠程測量技術，可以實時在線測量多個斷面接觸網張力在分析接觸網張力特點基礎上，設計開發(fā)了一套接觸網張力性能，圖4為該系統(tǒng)實時在線測量的接觸網張力性能數據波形。

4　結束語

在分析接觸網張力特點基礎上，設計開發(fā)了一套接觸網張力在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對接觸網張力性能進行在線測量，并能夠計算出補償效率，對超限及故障數據能夠提供實時報警和預警信息，有效預防接觸網事故。

[1]文小鷹, 趙伯勝, 韓通新. 基于ADμC812的接觸網地面測量系統(tǒng)的研制[D].中國電氣化鐵路兩萬公里學術會議論文集,2005.

[2]王首頂. IEC 60870-5系列協議應用指南[M].北京：中國電力出版社,2008.

Research and Realization of On-line Measurement System of Catenary Tension

LIU Huiping, HAN Tongxin, ZHAO Bosheng, LIU Yinqiu

(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Based on analyzing the characteristics of catenary tension, the author designs an on-line measurement system, which uses wireless transmission networking. A quiz-type communication protocol is designed for each measuring point system communicating to server. This system can measure the tension performance of catenary in special section in real time, and provide real-time alarm and warning information. This system provides a real-time technical means to master the catenary tension performance, and effectively online monitor and prevent catenary accidents, and provide technical support for maintenance of catenary and pantograph.

catenary; tension; online measurement

1008-7842 (2016) 01-0049-03

??)男，副研究員(

2015-09-22)

U225.7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.12

*國家863計劃(2011AA11A102)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2013B001-A-2，2014J005-A)