接觸網(wǎng)主導(dǎo)電回路溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

牛衛(wèi)東

（國(guó)家能源集團(tuán)朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

鐵路接觸網(wǎng)是鐵路正常運(yùn)行的保障，接觸網(wǎng)導(dǎo)電回路連接點(diǎn)日常運(yùn)行在高電壓和大電流的工作狀態(tài)下，運(yùn)行中存在巨大振動(dòng)造成連接觸點(diǎn)緊固件松動(dòng)，以及觸點(diǎn)的腐蝕、氧化和某些缺陷會(huì)導(dǎo)致連接觸點(diǎn)過(guò)渡阻值變大、溫度升高等問(wèn)題。溫度與過(guò)渡電阻值的惡性循環(huán)，最終會(huì)導(dǎo)致線夾處電流不能正常流通，甚至燒毀母線、觸點(diǎn)、線夾、線索等，造成停電中斷鐵路運(yùn)輸?shù)闹卮笫鹿省Ｔ诠I(yè)系統(tǒng)中，溫度是表征設(shè)備運(yùn)行正常的重要參數(shù)。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)鐵路運(yùn)輸?shù)目焖僭鲩L(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致鐵路用電負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，為了避免因設(shè)備發(fā)熱而導(dǎo)致的突發(fā)事件，溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。

構(gòu)建重載鐵路接觸網(wǎng)主導(dǎo)電回路溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況。此系統(tǒng)將溫度傳感器安裝在高壓設(shè)備上，與接收設(shè)備之間無(wú)線電氣連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化情況。無(wú)線式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸精度高、響應(yīng)速度快、操作安裝靈活、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢(shì)，且價(jià)格相對(duì)低廉，可以防止連接點(diǎn)發(fā)熱誘發(fā)故障，保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行，減少故障發(fā)生概率，同時(shí)降低維修成本。結(jié)合朔黃鐵路原平南站鐵路接觸網(wǎng)安裝及使用運(yùn)行情況，對(duì)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行分析介紹。

1 接觸網(wǎng)測(cè)溫系統(tǒng)

該無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)采取ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)，利用高壓帶電梯與傳感器等電位測(cè)量溫度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)。利用接觸網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)，不僅可以利用溫度傳感器對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行溫度測(cè)試，還能利用傳輸系統(tǒng)將溫度數(shù)值發(fā)給后臺(tái)，后臺(tái)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)比是否超出閾值，對(duì)超標(biāo)的情況進(jìn)行預(yù)警。溫度測(cè)試值通過(guò)RS485 總線傳遞給后臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集、分析處理、預(yù)警提醒等功能。圖1 為接觸網(wǎng)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理。

圖1 無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1.1 通信模塊

是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。

1.2 電源保護(hù)模塊

接線標(biāo)準(zhǔn)：輸入電源（紅+、黑-）、輸出（藍(lán)+、黑-），保證輸入電壓在要求的范圍內(nèi)，嚴(yán)禁反接。接線端子處螺絲要擰緊，否則使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象，燒壞接線端子。電源模塊電壓和電流參數(shù)情況如下：輸入電壓范圍：12～65 V；輸出電壓范圍：12～200 V；輸入電流范圍：0～15 A；輸出電流范圍：0～15 A。輸入電壓低于9.8 V 時(shí)，電源保護(hù)模塊動(dòng)作，測(cè)溫基站停止工作，進(jìn)入低電壓保護(hù)模式，電壓高于9.8 V 后恢復(fù)正常。

1.3 無(wú)線測(cè)溫主機(jī)

無(wú)線測(cè)溫主機(jī)是一款集溫度傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示、報(bào)警提示和輸出報(bào)警聲、事件記錄及數(shù)據(jù)記錄于一體的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)儀，并可修改現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線溫度傳感器的地址等參數(shù)。

溫度報(bào)警主要分為兩種：溫度高限報(bào)警和溫度下限報(bào)警。其中溫度高限報(bào)警主要是監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)溫度超出溫度的上限閾值，測(cè)試會(huì)發(fā)出報(bào)警預(yù)告，需要復(fù)位后報(bào)警才能停止，或溫度下降到設(shè)定范圍內(nèi)報(bào)警也會(huì)消失。溫度下限報(bào)警是指監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器監(jiān)測(cè)的溫度低于溫度下限閾值，發(fā)出報(bào)警預(yù)警，與高限報(bào)警一樣需要復(fù)位才能停止報(bào)警，或溫度上升至設(shè)定范圍后報(bào)警消失。

報(bào)警時(shí)間的記錄：系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警后，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（一般10～15 min）報(bào)警未能復(fù)位或自動(dòng)消除，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄此次報(bào)警事件，記錄的時(shí)間和溫度以當(dāng)前數(shù)值為準(zhǔn)。通過(guò)報(bào)警記錄，可以分析一段時(shí)間內(nèi)的報(bào)警類型及報(bào)警頻次、周期，對(duì)高頻次的報(bào)警進(jìn)行系統(tǒng)巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的隱患，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。同時(shí)，利用報(bào)警記錄臺(tái)賬，還能對(duì)特定點(diǎn)的溫度運(yùn)行情況進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)是否存在溫度異常情況進(jìn)行判斷。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的通信方案及相關(guān)技術(shù)

2.1 測(cè)量模塊

本模塊可以對(duì)溫度、距離進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)-25～+200 ℃溫度區(qū)間范圍進(jìn)行測(cè)量，且可以實(shí)現(xiàn)100～160 m 距離的測(cè)量。溫度的測(cè)量精度可以實(shí)現(xiàn)±1 ℃。測(cè)量設(shè)備主體尺寸為29 mm×31 mm×21 mm，測(cè)量模塊的工作單元為感應(yīng)取電，采取捆綁安裝方式。

2.2 無(wú)線溫度檢測(cè)儀

溫度檢測(cè)儀無(wú)線傳感器通信接口為一組RS485，采取Modbus 規(guī)約，無(wú)線溫度檢測(cè)儀對(duì)超過(guò)90 ℃或低于-20 ℃的溫度測(cè)量值進(jìn)行報(bào)警提醒，且對(duì)超過(guò)60 ℃或低于-10 ℃的溫度測(cè)量值進(jìn)行警告提醒，以提醒運(yùn)行人員關(guān)注溫度異常變化。

2.3 無(wú)線通信

無(wú)線通信模塊采取2 個(gè)RS232 和1 個(gè)RS485 接口，內(nèi)置15 kVESD 保護(hù)。采取的標(biāo)準(zhǔn)及頻段為EGSM900/GSM1800MHz，適宜的工作溫度區(qū)間為-35～+75 ℃。采取ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，此技術(shù)具有多種可選的頻率，可以提供不同的數(shù)據(jù)傳輸速率選擇，適應(yīng)導(dǎo)線溫度有時(shí)變化較快有時(shí)較為穩(wěn)定的情況；數(shù)據(jù)傳輸量小，無(wú)線模塊處于休眠狀態(tài)時(shí)耗電量小，節(jié)省能量并且電池的壽命也會(huì)隨著延長(zhǎng)；時(shí)間延遲短，狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需要幾十毫秒便能完成；網(wǎng)絡(luò)容量比較大且組網(wǎng)方式便捷，設(shè)備可以自由地加入和退出網(wǎng)絡(luò)，適合大面積的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.4 不間斷電源

（1）電池。電池參數(shù)：容量12 V/8 A·h；放電電壓和放電電流分別為11.1～12.6 V 和0～2 A；電池使用JST-VHR-2P 正向插頭UL1007/24#線引線；輸出保護(hù)電壓9.5 V。

（2）太陽(yáng)能板。太陽(yáng)能板的最大功率為30 W，其峰值電壓和電流分別為17.28 V、1.74 A；設(shè)備的最佳工作溫度為-40～+85 ℃。

3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝及使用情況

3.1 設(shè)備的安裝

（1）測(cè)溫模塊安裝要求：測(cè)溫模塊安裝于電連接線夾中間，緊密貼合線卡，用螺絲將卡帶緊牢靠且使用密封膠澆筑螺絲絲扣防止螺絲脫落，保證測(cè)溫探頭準(zhǔn)確測(cè)得線卡實(shí)際溫度。

（2）測(cè)溫基站及太陽(yáng)能板安裝要求：室外使用基站安裝高度應(yīng)接近測(cè)溫模塊在同一水平線，基站信號(hào)接收天線與測(cè)溫模塊應(yīng)面對(duì)相向安裝，以確保監(jiān)測(cè)信號(hào)的傳輸穩(wěn)定可靠性。太陽(yáng)能板安裝在鐵塔上應(yīng)方向朝南，正常氣候條件下確保日照時(shí)長(zhǎng)在8 h 以上。

3.2 使用效果

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和后臺(tái)的傳送數(shù)據(jù)相差均小于1 ℃，監(jiān)測(cè)效果良好，能夠滿足使用要求。

表1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)情況

4 接觸網(wǎng)過(guò)熱保護(hù)方案

接觸網(wǎng)過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)主要包括溫度傳感器和氣象采集裝置、數(shù)據(jù)采集終端以及保護(hù)裝置。前端設(shè)備主要測(cè)量各種參數(shù)數(shù)據(jù)，其中，氣象數(shù)據(jù)采集裝置主要包含環(huán)境溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、太陽(yáng)輻射傳感器和濕度傳感器，分別記錄環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和空氣濕度等影響導(dǎo)線溫升的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處，將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理后反饋到保護(hù)裝置，在保護(hù)裝置內(nèi)完成邏輯判斷過(guò)程，當(dāng)溫度過(guò)高達(dá)到告警值時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，當(dāng)溫度持續(xù)升高達(dá)到跳閘值時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)，斷路器動(dòng)作。

目前，隨著重載鐵路運(yùn)量及列車噸位持續(xù)增加，朔黃線運(yùn)量顯著增加和行調(diào)排發(fā)積壓車，將造成接觸網(wǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷電流的熱積累將導(dǎo)致接觸網(wǎng)導(dǎo)線溫度過(guò)高，導(dǎo)致導(dǎo)線載流能力變差、機(jī)械強(qiáng)度下降、降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)斷線事故，嚴(yán)重危害高速列車的安全運(yùn)行。通過(guò)本系統(tǒng)，可以設(shè)置溫度報(bào)警的數(shù)值，在監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到一定閾值后及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，避免安全事故發(fā)生。

近年來(lái)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，采取物聯(lián)技術(shù)與主導(dǎo)電回路溫度監(jiān)測(cè)相結(jié)合，可以按照一定的協(xié)議，將傳感器與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行信息的傳遞和通信，依靠互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、跟蹤、定位和管理的目的。利用物聯(lián)技術(shù)構(gòu)建的智能系統(tǒng)，不僅對(duì)主導(dǎo)電回路溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以對(duì)全站的電氣設(shè)備、電容器等的運(yùn)行溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并為全站的運(yùn)行狀態(tài)維修提供信息化的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語(yǔ)

主導(dǎo)電回路日常運(yùn)行在高電壓和大電流的工作狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，其中溫升問(wèn)題最為關(guān)鍵。如果溫升存在惡性循環(huán)的情況，會(huì)對(duì)鐵路安全運(yùn)行造成極大威脅。采取接觸點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可以實(shí)時(shí)掌握溫度的實(shí)際變化情況，以提高運(yùn)行安全性。無(wú)線式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、精度高、響應(yīng)速度快、操作安裝靈活、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，可以得出此系統(tǒng)對(duì)于接觸點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有良好的適用性。