基于紅外檢測的鐵路接觸網關鍵區域故障研究

于博軒，馬 成，王元貴

0 引言

接觸網是沿鐵路線上空架設向電力機車供電的特殊輸電線路。其由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎等部分組成。接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件。接觸懸掛通過支持裝置架設在支柱上，其作用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車。接觸網的連接由于受外界等各種因素的影響容易發生過熱，嚴重時會導致供電中斷，引發列車停運事故。紅外熱成像儀可以在遠距離對接觸網進行溫度檢測，及時發現隱患，避免事故發生。

1 接觸懸掛與線夾等零部件故障原因

1.1 接觸懸掛的故障類型及原因

（1）導線接頭壓接管壓力不夠，導線接觸面過小，引起接觸電阻過大，發熱嚴重。

（2）接觸網線索容量偏小，難以承受接觸網供電線路長期的大負載運行，進而引起燒傷。

（3）導線斷股，電阻較大，引起發熱。按照規定導線表面允許發熱的溫度為70℃。1980年，蘇聯國際大電網會議規定，從導線的耐熱角度，鋼芯鋁絞線可以采用150℃，但是為了防止接頭氧化進而損壞，在連續長時間運行的條件下，溫度不能超過70℃。

1.2 線夾的故障原因

（1）導體連接部位在長期遭受機械振動、抖動或在風力作用下擺動，使引流線夾、跳線線夾、耐張線夾螺絲松動，引起發熱。

（2）線夾銅鋁接觸面過小，銅鋁本身不易結合，尤其在接觸網線路長期大負載運行條件下，線夾斷裂故障時有發生。

1.3 絕緣部件的故障原因

污穢高壓絕緣子在周圍環境干燥時，其表面絕緣電阻非常大，此時流過污層的泄漏電流很小；當絕緣子污層受潮時，泄漏電流將會慢慢增大，電流流過污層時便會產生焦耳熱，導致絕緣子表面的溫度升高。在濕度相同的情況下，絕緣子污穢等級不同，泄漏電流大小不同，溫度分布也隨之不同，污穢越嚴重，泄漏電流越大，溫度變化就越顯著。

（1）復合絕緣子故障特征：過熱部分的棒芯積污最為明顯，其他部分積污情況一般，遠離過熱的傘裙區域較為干凈；高壓端過熱部分的傘裙老化嚴重，尤其是過熱的棒芯護套結成磚狀硬塊。過熱部分橡膠老化嚴重，易撕裂，棒芯表面粉化；過熱部分已經喪失了憎水性，其余部分還能形成結珠。

（2）引起復合絕緣子發熱的幾種主要缺陷：當絕緣子某處絕緣材料由于故障導致電阻下降到一定程度后，之前均勻分布的泄漏電流將會集中流過該處，導致該處的電阻損耗遠遠大于其他地方，在該處出現局部過熱現象；當絕緣子外護套或芯棒破損后，水分潮氣便能夠滲入其中，在破損部位產生局部強場，從而引發局部放電。每一個局部放電都伴隨著微小的電流脈沖或電子崩，它們打在絕緣材料上，使該局部溫度升高；金具電暈產生的離子打在絕緣子護套上，也會使絕緣子護套發熱。

正常負荷絕緣子串的溫度分布差別很小，所以發現絕緣子串部分有較明顯溫升即應視為缺陷。

1.4 關鍵零部件的故障原因

外部存在熱缺陷的導體接頭部位長期裸露在大氣中，由于在其運行過程中，長年受到日曬、雨淋、風塵結露及化學活性氣體的侵蝕，造成了連接件導體接觸表面嚴重銹蝕或氧化，氧化層的存在使金屬接觸面的電阻率增加了幾十倍甚至上百倍，導致電氣連接阻抗加大，主供電回路導流不暢，長時間運行便會燒傷接觸網設備。

2 紅外檢測技術及裝置

紅外線是波長0.78～1 000 μm的電磁波，任何高于絕對溫度零度的物體都是紅外輻射源，物體表面溫度越高，紅外線輻射的功率越大。人眼只能感受可見光，不能直接感受紅外線，但是可以借助紅外熱成像儀來觀測紅外線的能量密度分布。

紅外熱成像儀主要由紅外攝像頭和處理器 2部分組成。它基于光電效應原理，通過掃描方式將來自目標的紅外輻射能，逐點聚集在光學系統上的紅外光電探測器上。探測器將物體表面輻射的紅外能量轉換成電信號，處理器再把電信號轉化成數字信號并存儲在幀存儲器里，當獲得完整的一幀紅外圖像數據后，通過內置的彩色顯示屏顯示出來。如圖1，圖2所示。

筆者根據沈陽鐵路局蘇家屯火車站附近線路實際情況，設計了一套車載接觸網作業車紅外巡視裝置。該裝置正是利用了任何物體都能輻射紅外能量的特點，通過在檢測車上安裝紅外檢測傳感裝置，實現對接觸網線路上基礎設施自動化巡檢，提高巡檢效率，快速有效地發現故障缺陷，從而有效地指導供電段以及維管段對基礎設施進行維護。

圖1 鐵路輸電線路對比圖

圖2 接觸網線路對比圖

2.1 紅外檢測裝置功能

（1）測溫功能。實時監測接觸網關鍵懸掛、絕緣部件、線夾以及關鍵零部件等區域狀態溫度，并返回溫度值。

（2）報警功能。當有故障出現時，實時報警。

（3）顯示功能。在上位機上顯示監測狀態。

（4）定位功能。所測熱圖像與實際線路設施對應起來，方便查詢、維修。

（5）分析判斷功能。通過溫度以及相應算法支持分析故障并判斷設備性能好壞。

（6）數據查詢保存功能。方便事后查詢數據，以提供維修依據。

2.2 紅外檢測裝置構成

2.2.1 硬件架構

（1）裝置構成。裝置主要由車頂設備和車內設備構成。其細分為紅外傳感模塊、數據處理模塊、顯示模塊、電源組模塊以及定位模塊5大部分。硬件架構示意圖如圖3所示。

圖3 硬件架構示意圖

（2）地標里程檢測設備。在維修作業車上，地標參考信息來自作業車TAX箱；如TAX箱不開放，需要增加里程檢測設備，采用檢測車成熟應用的里程檢測設備。其利用速度傳感器結合數據庫定位，方法是：首先將每一條線路，每一個車站或區間，每一個電桿的編號及電桿之間的距離存入數據庫，速度傳感器是一種光電旋轉編碼器，將它配置于作業車上，和車軸同步轉動，每轉一周輸出200個脈沖，用一個計數器專門用來計數，其計數值除以 200，再乘以車輪直徑，再乘π，即可得到車行走的距離，將該距離值和數據庫中2根相鄰電桿之間的距離值對照，從而確定對應的電桿編號。由于車輪蛇形運動和隨機振動所造成的累計誤差，其定位的誤差隨行車里程增加而增大。

（3）圖像存儲設備。采用定制視頻服務器以及工控機內防震硬盤，實現檢測結果（包括熱圖像和報表等）的大容量存儲。

（4）電源模塊。選擇高性能、低功耗的UPS電源模塊，給紅外檢測裝置和工控機供電，保證外出檢測時間。

2.2.2 軟件功能

（1）軟件功能實現框圖，如圖4所示。

圖4 軟件功能實現框圖

（2）實時監測裝置：

a.提供實時顯示界面，實時顯示被測物體的等溫色帶。可以設置不同溫度下所顯示色帶的顏色深淺；b.實時顯示選定區域的溫度曲線，量化選定區域的溫度；c.通過設定閾值的方式進行故障判斷，得出故障的數據，并可以對相關的數據進行存儲；d.把整個監控的過程以視頻的方式存儲，以便用戶查看；e.對采集到的速度進行積分處理從而計算出列車的里程，實現所檢測的數據和鐵路上的公里標、桿號等對應；f.把檢測過程中測到的數據整理，歸納，以報表形式打印。

（3）回放再現整個檢測過程：

a.在整個重現的過程中可以查看被測區域的任意點的溫度，也可以對監控點和環境點進行比較從而找出故障；b.打開檢測時被認為是故障點時保存的數據，并對其數據進行查看。

該裝置利用紅外傳感模塊無需接觸就能探測到物體輻射的紅外能量的大小，獲得體現物體溫度的矩陣，從而得到以灰度值高低來表征溫度高低的二維灰度圖像，并對污穢絕緣子進行拍攝，獲得熱圖像，得到體現污穢絕緣子表面溫度高低的熱像圖，從而判斷故障所在。紅外檢測初步效果圖如圖5所示。

圖5 紅外檢測初步效果圖

紅外檢測具有遠距離、快速準確、靈敏度高、圖像直觀、不受電磁干擾、測量范圍廣、不停電、不接觸、不解體等特點，給鐵路系統接觸網日常維護保養提供了一種先進手段，因此其在鐵路系統中有著廣泛的應用前景。

3 環境因素對紅外檢測的影響及處理措施

（1）太陽和背景輻射的影響及對策。室外進行紅外檢測，紅外輻射包括：目標的紅外輻射，其他輻射源對目標的輻射使目標本身溫度產生變化，其他輻射源的輻射通過目標反射進入儀表，背景輻射直接進入儀表。

防止其他輻射源對目標的輻射使目標本身溫度產生變化的對策，是準確合理選擇環境溫度參照體并用其溫度代替環境溫度，消除目標反射帶來的影響。

防止其他輻射源的輻射通過目標反射進入儀表的方法，是在高反射的目標表面涂覆無光黑漆，或者改變角度以避開反射的最佳檢測方式。

防止背景輻射直接進入儀表的對策是選擇空間分辨率足夠高的紅外測溫儀器。

室外檢測無需在不見陽光的情況下進行，但是必須保證其測試時不是陽光最強烈的中午，且測試角度不能正對陽光，不能有強光反射到儀器上，在夜間進行檢測效果更好。

（2）氣象的影響及對策。防止氣象條件帶來的影響，可采取的對策是選擇無霧、無雨的天氣進行檢測。而且風速小于0.1 m/s或等于0.05 m/s的天氣作定量測定，最大風力不能超過三級。否則要對檢測結果進行風速修正。

（3）大氣衰減的影響及對策。減少大氣衰減的影響，采取的對策是盡量安排在干燥清潔的季節檢測，要求相對濕度不大于85%。檢測距離很近時，可適當放寬要求。在不影響安全的條件下，應盡量縮短檢測距離。

（4）發射率的影響及對策。克服發射率影響的對策是從儀表說明書中查找目標物體的發射率，正確設置。對于溫度較高的目標，可以采取噴漆的方法，例如將發射率為 0.97的丙烯酸樹脂均勻地噴涂在被測物體表面。然后通過調整紅外熱成像儀的發射率，直到沒有噴漆的表面溫度與噴漆表面溫度相同或接近，此時的發射率即為目標物體正確的發射率。由于剛噴漆完的目標無法擦拭干凈，所以最好在噴漆5 min后，再進行測試。常見物體的發射率參見表1。

表1 常見物體的發射率一覽表

（5）環境溫度的影響及對策。為減少環境溫度影響，選擇在日出前或日落后3 h之內開展檢測，避免太陽輻射的影響，保障環境溫度的穩定，或者選擇好環境溫度參照體，將它代替環境溫度參與相對溫差計算。

（6）距離的影響。輸電線路桿塔較高，一般選用7°或12°鏡頭基本能滿足現場要求。通常12°鏡頭的有效距離為 20～30 m，7°鏡頭的有效距離應控制在40 m內。

4 結束語

綜上所述，電氣化鐵路接觸網線路故障類型種類繁多，造成的原因也各不相同。在對故障進行分析時，通過對故障類型及故障原因進行總結，充分考慮線路上發生局部過熱甚至燒傷的現狀，從而更準確地判斷線路故障情況；另外通過借助紅外檢測等高科技技術手段，設計了紅外檢測設備，為接觸網線路故障檢測提供了新的可靠的方法；最后分析了環境對紅外檢測的影響并提出相應的應對措施，為接觸網系統安全穩定運營提供了保障。

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