接觸網承力索的覆冰厚度在線監測技術研究

韓婉嬌，劉明光，王圣昆，王 娟，王詩月

(北京交通大學，北京 100044)

我國地域遼闊，氣候復雜多變，輸電線路覆冰十分嚴重。2008年年初，南方地區發生的雪凝災害性天氣，因牽引供電系統覆冰崩潰，使得電氣化鐵路失去外部電源而無法正常運行，使多條電氣化鐵路主干線運輸中斷，僅京廣線南段就有136列列車晚點，超過10萬名旅客滯留在車站和鐵路沿線[1]。接觸網的覆冰不僅會引起輸電線覆冰舞動或斷裂現象，也會導致受電弓無法正常取流[2]，尤其是對如今不斷發展的高速鐵路而言，該問題更為突出，必須引起高度重視。

目前，被業者所熟知的覆冰模型主要有Chaine模型、Imail模型、Lenhard模型、Goodwin模型和McComber模型等[3-4]。這些模型在使用上各有其局限性，許多參數都需要進行查表或復雜計算才能得出，不能達到覆冰實時狀態監測的要求，因此有必要提出一種簡單高效的覆冰厚度分析方法，以便能夠及時采取防冰融冰措施。

本文首先對接觸網覆冰的形成條件以及物理模型進行分析；然后用Ansys搭建接觸網覆冰模型，并仿真計算覆冰厚度對張力補償器補償位移的影響；研究設計實時監測系統，通過采集到的環境狀況參數及補償位移，對接觸網覆冰狀態進行實時分析；最后將實時監測系統投入使用，驗證了系統可以準確實時地傳遞所需數據，分析出覆冰厚度，為后續的防融冰工作提供有力的數據支持。

1 覆冰的形成與物理模型

1.1 覆冰形成的環境條件

根據覆冰的形成條件可以把覆冰分為雨淞、混合淞、霧淞、白霜和雪[5-6]，但由于霧淞、白霜和雪的黏著力很微弱，雨淞氣象條件持續時間比較短，在接觸網上發生的覆冰通常由混合淞引起的。混合淞覆冰一般形成在風比較大、溫度在冰點以下時，主要分兩個階段：首先形成雨淞覆冰，隨著氣象變化，然后形成霧淞[7]。

空氣的流動帶動小水滴附著在接觸線上，雨淞發生時風速一般在3～15 m/s，附在接觸線上的水滴凝固需要氣溫低于冰點。而覆冰大多出現在空氣相對濕度為85%以上，相對濕度超過80%需要做好防冰準備[8]。并且文獻[9]認為雨淞覆冰時的氣溫為-5～-0.2 ℃，文獻[10]中設定接觸線防冰的溫度條件為-1.5～0 ℃。

綜上所述，本文設定相對濕度大于80%，風速為3～15 m/s，環境溫度低于0 ℃為開始進行覆冰狀態分析的環境條件。

1.2 覆冰的物理模型

本文將接觸網的物理模型簡單化來進行分析仿真，即線索的截面分別等效為半徑不同的標準圓，且承力索與接觸線平行拉直設立。接觸網覆冰模型如圖1所示。

圖1 接觸網覆冰模型

對于承力索覆冰而言，因其起到固定作用，工作狀況相對穩定，可以認為承力索所覆冰層完全包裹在承力索上且均勻覆蓋，因此將冰層橫截面等效成以承力索的圓心為圓心，小半徑為r1，大半徑為r1+d的圓環。

對于接觸線而言，因其會受到列車受電弓的摩擦，使得其覆冰呈現不均勻的狀態，其上方覆冰較厚，而其下方有少量的覆冰，故接觸線的覆冰橫截面可以等效成內半徑為r2，外直徑為2r2+d的月牙形狀。

2 覆冰厚度的仿真與分析

2.1 接觸網仿真模型建立[11]

接觸網結構十分復雜，為方便研究，利用Ansys建立簡化的接觸網有限元模型，以12跨簡單鏈形懸掛接觸網為研究對象。接觸網單跨長度為50 m，單跨吊弦為10個，具體仿真模型參數如表1所示，建立的仿真模型如圖2所示。

表1 接觸網仿真模型參數

圖2 12跨接觸網有限元仿真模型

模型搭建完成后，在進行覆冰仿真前需設定邊界條件，為得到承力索與接觸線順線路方向的動態響應規律，并且考慮到重力對接觸網的影響，設置如下邊界條件：

(1)對全部支柱與地面之間施加全約束；

(2)對接觸網一端的定位裝置與接觸線和承力索的連接節點分別施加全約束，其余定位裝置連接節點釋放Y方向的自由度；

(3)對整個系統施加Z軸負方向的重力，重力加速度設為9.8 m/s2；

(4)為模擬張力補償裝置，在接觸網的另一端，即接觸線補償側施加恒定的17 kN張力，承力索補償側施加恒定的15 kN張力。

2.2 冰荷載的計算

冰荷載即覆冰作用到輸電線路上的力，通過上一節對接觸網覆冰的物理模型分析，接觸線的冰荷載可由式(1)求得。由于承力索的張力變化不僅與自身的覆冰情況有關，還與接觸線的覆冰有關，所以在研究承力索的覆冰厚度對b值的影響時，需要考慮承力索和接觸線上的覆冰情況，假設承力索與接觸線的覆冰厚度相同，承力索的冰荷載可由式(2)求得。

(1)

(2)

式中，ρ為冰密度，kg/m3；d為覆冰厚度，m；r1為承力索半徑，m；r2為接觸線半徑，m；h為兩節點間的距離，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3 覆冰厚度仿真分析

為了得到連續的變化曲線，本文假設每秒增加1 mm覆冰厚度，即用時間t/1 000代替式(1)和式(2)中的d。仿真分析分為三步，首先對設置好邊界條件的模型進行仿真，得到接觸網的初始工作狀態，然后在此基礎上對模型中的接觸線和承力索分別施加隨時間變化的冰荷載，忽略支持裝置和吊弦上的覆冰，仿真后得到接觸網覆冰后的工作狀態，最后用第二步補償側Y方向上的變化量減去第一步的變化量即可得到覆冰導致補償位移[12]。

圖3和圖4分別為承力索和接觸線在不同覆冰厚度下的補償位移變化曲線；表2中列出了在覆冰厚度為5、10、15、20 mm和25 mm時承力索和接觸線的補償位移量。

圖3 承力索補償位移隨覆冰厚度的變化曲線

圖4 接觸線補償位移隨覆冰厚度的變化曲線

表2 不同覆冰厚度下承力索與接觸線的補償位移量

由仿真結果得到如下結論：

(1)由于覆冰物理形態的不同，在相同覆冰厚度的情況下，承力索b值的變化比接觸線的變化更為明顯，因此，為了更加精確地計算補償位移，選擇承力索補償器的墜砣到地面的距離作為測量對象；

(2)覆冰厚度達到5 mm以上時，冰荷載對承力索b值變化的影響較為明顯，因考慮到距離傳感器的測量精度，當環境條件可能形成覆冰且覆冰厚度未達到5 mm時，采取防冰措施，當覆冰厚度在5 mm以上時啟動融冰措施。

根據上述結論，用Matlab軟件對仿真數據進行處理并擬合覆冰厚度d與承力索b值變化量的關系函數，通過對數據的多種方式擬合，對比各次擬合的最大相對誤差，確定其關系式為

Δb=0.094 9d2+0.441 6d-1.270 4，6 mm≤d≤40 mm

(3)

對接觸網覆冰進行了小比例模擬試驗，表3將計算值與試驗數據進行對比，驗證了仿真結果的正確性。

表3 仿真與試驗的承力索補償位移對比

3 在線監測系統設計

3.1 覆冰狀態分析流程

3.1.1 軟件流程

上位機軟件對接觸網的環境參數進行實時采集，當環境條件達到覆冰條件時，對接觸網覆冰狀態進行進一步分析，最終指導防融冰措施的實施，具體流程如圖5所示。

圖5 覆冰在線監測流程

3.1.2 實際覆冰厚度的計算原理

本文提出一種通過補償器承力索b值變化量來計算覆冰厚度的方法，在計算過程中，除了需要考慮覆冰對b值變化量的影響，風速和溫度所帶來的影響是不能被忽視的。所以，想要更加準確地計算覆冰引起的補償位移，需要在總的變化量中去除風和溫度的影響。

文獻[13]研究了風速及風向對補償位移的影響，分析得出風致位移由線索橫向偏移和垂向偏移相互耦合而成，并給出了單跨接觸網下補償位移的近似計算方法。

承力索不同位置風致橫向偏移

(4)

式中，pJ為承力索受到的風荷載；J為承力索張力，N；l為跨距，m；pc0可由式(5)計算得到

(5)

其中，pK為接觸線受到的風荷載；λ0為跨中吊弦的長度，m；gK為接觸線單位長度的重力負載；K為接觸線張力，N。

pK和pJ可由式(6)計算得到

p=0.625q·C·(2r)·l·v2sinθ

(6)

其中，q為風速不均勻系數；C為風負載體形系數；r為線索半徑；v為風速；θ為風向與線索之間的夾角。

承力索不同位置風致垂向偏移

(7)

其中，gJ為接觸線單位長度的重力負載。

承力索補償位移

(8)

其中，bxm和bzm分別為風荷載作用下承力索的最大橫向偏移值和最大垂向偏移值，分別通過式(4)和(7)中取x=1/2計算得到；F0為承力索的初始弛度。

文獻[14]給出了補償裝置b值隨溫度變化的關系式

btemp(T)=bmin+n·L·α·(Tmax-T)

(9)

式中，bmin為設計時規定的最小b值，mm；n為補償滑輪傳動系數；L為錨段內中心錨結至補償器間距離，m；α為線索的線膨脹系數；Tmax為設計時采用的最高溫度，℃。

利用在線監測系統測得的數據，將實際測量到的b值減去根據式(9)計算得出的此時溫度下對應的b值，再去除根據式(8)得出的風致位移，即可得到僅由覆冰導致的補償位移，最后由式(3)可反推得到覆冰厚度。

3.2 數據中心軟件設計

本文在Visual Studio 2010環境下，采用C#語言完成覆冰在線監測系統數據中心應用軟件的開發，并利用SQL Server 2008對監控數據進行存儲與管理。

3.2.1 數據庫設計

數據庫中表是存儲數據的地方，是建立數據庫的核心部分，管理好表也就管理好了數據庫[15]。根據系統中涉及到的實體數據，創建了用戶信息表staff_info，終端信息表terminal_info和監控數據表data_monitor，數據表具體內容及關系如圖6所示。

圖6 數據表結構及內容

3.2.2 客戶端界面及功能

數據中心軟件主要包括登錄，實時監控，設置，數據管理，歷史數據查看與分析和打印選項6個界面。

用戶在登陸界面選擇身份，輸入相應用戶名和密碼進行登陸，不同用戶僅能查看其權限下的監控終端數據，在該界面也可以進行密碼修改操作。

實時監控界面讀取并顯示實時的監測信息，計算覆冰厚度，及時給出覆冰報警。當其他終端監測到有覆冰時，界面也會給予提示，使相關單位可以及時采取防覆冰措施。

設置界面包括監控終端基本設置和登陸人員設置，可以通過ADO.NET對terminal_info和staff_info表中的數據進行添加與修改操作，以便對登錄者和監控終端進行擴充與管理。

數據管理界面只有管理員才有權限進入，通過VS2010中的DataGridView表格控件來操作所選日期的數據，也可利用excel實現數據的導入與導出。

歷史數據查看與分析界面針對所監測的環境參數以及計算得到的覆冰厚度分別進行曲線的繪制，通過調用數據庫和line函數來實現。

打印選項界面會針對所選擇的內容和終端編號，以報告的形式完成打印，通過調用print函數來實現，打印報告中可包含相應的報警內容和曲線。

4 監控裝置調試與運行

將監控終端在湖南省某供電段接觸網進行安裝，現場安裝效果如圖7所示，安裝后對監控終端進行運行調試，可以看到現場人機交互模塊能夠很好地接收到傳感器測得的信息。在數據中心對監控軟件進行調試，如圖8所示，軟件能夠穩定運行，實時讀取監測數據，計算覆冰厚度，在接觸網防覆冰應用中取得了很好的效果。

圖7 監控終端安裝效果

圖8 覆冰在線監測中心軟件界面

5 結論

(1)接觸網的覆冰主要由混合淞引起，當達到一定的環境條件，接觸網可能會發生覆冰，且由于列車經過，接觸線與承力索的覆冰形態不同。

(2)隨著覆冰厚度的增加，接觸網補償裝置的補償位移不斷增大；在相同的覆冰厚度下，承力索補償位移較為明顯，可以根據其補償位移來分析覆冰厚度。

(3)經過一段時間的應用，驗證了覆冰在線監測系統可以較為準確地分析接觸網覆冰狀態，且系統可以長期穩定運行。

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