高速鐵路接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)研究

鄧 洪，劉永紅，古曉東

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高速鐵路接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)研究

鄧 洪，劉永紅，古曉東

提出高速鐵路接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)置方案、導(dǎo)線架設(shè)方案以及光纖監(jiān)測設(shè)備布置方案，結(jié)合運營單位的維護要求，提出可行的監(jiān)測系統(tǒng)功能需求，實現(xiàn)實時監(jiān)測、實時評價、實時預(yù)警和精確定位，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)為進一步提升附加導(dǎo)線的設(shè)計質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

接觸網(wǎng)；附加導(dǎo)線；智能

0 引言

接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線指接觸網(wǎng)中除接觸懸掛以外的架空導(dǎo)線，包括供電線、加強線、正饋線、保護線、回流線、架空地線及避雷線等。對于高速鐵路，供電線及其附屬架空地線一般在田野地帶架設(shè)，其余附加導(dǎo)線則利用接觸網(wǎng)支柱懸掛。由于附加導(dǎo)線系統(tǒng)采用架空方式架設(shè)，工作環(huán)境惡劣，實際運行中遇有大風(fēng)或覆冰等特殊工況時易發(fā)生故障，影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。田野地帶供電線日常維護依靠人工巡視，支柱上附加導(dǎo)線雖有動檢車巡檢，但也無法實現(xiàn)對附加導(dǎo)線系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，對附加導(dǎo)線在大風(fēng)天氣下的振動、載流后的溫升缺乏實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，不利于提高運行可靠性和維護效率。現(xiàn)有故障保護系統(tǒng)對附加導(dǎo)線故障精確定位、故障分析等也存在進一步提高的空間。

為解決上述問題，研究建立接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)，利用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對附加導(dǎo)線振動、溫升等各種運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，智能識別雷擊、舞動、覆冰等各種工況，解決加強線故障定位困難，實現(xiàn)附加導(dǎo)線故障精確定位和實時報警，保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行和提升運維效率。同時，通過對附加導(dǎo)線運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的積累分析，可為優(yōu)化架空導(dǎo)線選型、張力配置等設(shè)計方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于分布式光纖的接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)由光纖復(fù)合架空導(dǎo)線和監(jiān)測系統(tǒng)2部分組成，附加導(dǎo)線采用光纖復(fù)合架空導(dǎo)線，監(jiān)測系統(tǒng)采用光纖監(jiān)測系統(tǒng)。其主要功能如下。

（1）工況判斷：根據(jù)對附加導(dǎo)線運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，自動識別雷擊、舞動、覆冰等工況類型；

（2）故障定位：對附加導(dǎo)線故障點進行精確定位，誤差不超過50 m，且具備即時報警功能；

（3）歷史數(shù)據(jù)分析：對附加導(dǎo)線的溫度、應(yīng)力、斷線情況進行實時監(jiān)測，具備數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)分析功能，為接觸網(wǎng)設(shè)計方案優(yōu)化提供支撐。

光纖傳感的靈敏度較高，能實現(xiàn)對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光、聲、電流和應(yīng)變等多種物理量的測量，并且適用于多種工況，可用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕或其他惡劣環(huán)境。附加導(dǎo)線在線監(jiān)測方案原理是通過光纖復(fù)合架空導(dǎo)線與監(jiān)測系統(tǒng)連接，監(jiān)測系統(tǒng)通過對光纖信號的監(jiān)控，監(jiān)測附加導(dǎo)線的運行狀態(tài)。

智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測設(shè)備與綜合數(shù)據(jù)處理中心可集成為一套設(shè)備，為節(jié)約占地及便于維護，監(jiān)測設(shè)備可設(shè)置在所內(nèi)。進行雷擊監(jiān)測時，單套監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍不宜超過50 km；進行覆冰、短路、振動監(jiān)測時，單套監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍不宜超過100 km。根據(jù)附加導(dǎo)線具體類型，監(jiān)測設(shè)備可采用不同設(shè)置方式，滿足各種附加導(dǎo)線的監(jiān)測要求。在滿足監(jiān)測要求的前提下，為了更好的節(jié)約投資成本，可使用絕緣接頭盒通過串聯(lián)方式接入供電線監(jiān)測設(shè)備。以典型AT供電方式的牽引變電所為例，其監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置方案如圖2所示。

圖1 智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 AT牽引變電所附加導(dǎo)線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置示意圖

線路上AF線、PW線等附加導(dǎo)線也可使用絕緣接頭盒通過串聯(lián)方式接入監(jiān)測設(shè)備，典型示意圖如圖3。對于一條線路，可在沿線所內(nèi)設(shè)置監(jiān)測設(shè)備，以滿足全線AF線、PW線的監(jiān)測需求。

監(jiān)測系統(tǒng)可輸入附加導(dǎo)線相應(yīng)的接觸網(wǎng)平面布置數(shù)據(jù)，包括接觸網(wǎng)支柱里程、桿號等信息。當(dāng)附加導(dǎo)線發(fā)生故障時，通過光纖故障測距即可實現(xiàn)故障點精確定位。

圖3 典型AF線、PW線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置示意圖

2 光纖復(fù)合架空導(dǎo)線架設(shè)方案

2.1 導(dǎo)線規(guī)格

光纖復(fù)合架空導(dǎo)線由光纖單元和絞線組成，典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型光纖復(fù)合架空導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

光纖復(fù)合架空導(dǎo)線外層由絞線組成，內(nèi)層由不銹鋼管和光纖組成。在確定適用于接觸網(wǎng)架空附加導(dǎo)線的光纖復(fù)合架空導(dǎo)線規(guī)格時應(yīng)考慮以下因素：

（1）機械性能。確定光纖復(fù)合架空導(dǎo)線規(guī)格型號時應(yīng)考慮其重量、抗拉強度需滿足設(shè)計張力、弛度以及支柱容量的需要。同時，從耐疲勞、防腐等方面，光纖復(fù)合架空導(dǎo)線應(yīng)具有良好的服役性能且壽命不低于常規(guī)附加導(dǎo)線。施工安裝前，應(yīng)根據(jù)光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的性能參數(shù)和運行工況制定相應(yīng)的安裝曲線并依此嚴格施工。

（2）電氣特性。光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的截面和材質(zhì)應(yīng)根據(jù)不同類型導(dǎo)線滿足相應(yīng)的載流或泄流需要，對載流量要求高的附加導(dǎo)線，可選擇鋁截面較大的光纖復(fù)合架空導(dǎo)線。

（3）監(jiān)測要求。為實現(xiàn)監(jiān)測功能，光纖復(fù)合架空導(dǎo)線內(nèi)置光纖應(yīng)滿足線路各種工況下正常的監(jiān)測要求，尤其是對于T線、AF線等載流后溫升較大的附加導(dǎo)線，光纖復(fù)合架空導(dǎo)線應(yīng)選用耐高溫的特種光纖。

2.2 光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的安裝方案

相比普通的鋁包鋼芯鋁絞線，光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的架設(shè)施工需注意防止光纖單元的永久損傷，避免影響光纖性能。架設(shè)施工中，應(yīng)著重考慮光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)、微彎、線夾外的局部徑向壓力及對光纖的污染等因素，具體可采取以下措施：

（1）防振。為了加強光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的防振性能，其下錨處可采用預(yù)絞絲式耐張線夾，其懸掛點處則采用預(yù)絞絲懸垂線夾。對于大跨度或局部大風(fēng)區(qū)段，為了進一步加強防振性能，保護光纖復(fù)合架空導(dǎo)線本體，可考慮加裝防振錘。防振錘安裝在每根支柱的耐張、懸垂金具兩側(cè)，配置數(shù)量和懸掛點位置根據(jù)線路情況而定。

（2）防扭轉(zhuǎn)。放線應(yīng)采用雙絞盤的張力放線機防止導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)。施工架線時需在走板和緊線夾處加裝平衡錘、防扭器，并采用特殊的雙槽滑輪。

（3）防微彎與應(yīng)力。為防止和減少光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的微彎與應(yīng)力，架線過程中不允許產(chǎn)生銳角且放線滑輪直徑應(yīng)為導(dǎo)線直徑的25倍以上，一般不得小于500 mm；為避免損傷光纖復(fù)合架空導(dǎo)線表面，滑輪的內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)置尼龍或橡膠襯墊。

（4）放線張力的控制。為保證架線質(zhì)量，架設(shè)應(yīng)采用帶張力釋放裝置的液壓張力放線機和牽引機，放線速度不應(yīng)超過0.5 m/s。

（5）防止光纖污染。為保證光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的耐電磁老化、抗外力損傷及防水等性能，一般采用帽式帶金屬外殼的架空通信光纜接頭盒，施工架設(shè)中應(yīng)注意將端頭進行封裝。在光纖復(fù)合架空導(dǎo)線運抵現(xiàn)場架設(shè)前、架設(shè)完畢進行光纖接續(xù)及全線施工結(jié)束后，都應(yīng)在現(xiàn)場及時進行光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的光纖衰耗驗收測試。開通驗收前應(yīng)進行全程光纖測試，包括線路長度、光纖衰耗特性、接續(xù)衰耗等，提供測試報告，為系統(tǒng)開通驗收做準(zhǔn)備。

3 監(jiān)測設(shè)備安裝方案

典型監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成如圖5所示。

監(jiān)測設(shè)備與附加導(dǎo)線單端連接即可實現(xiàn)對附加導(dǎo)線的監(jiān)測。設(shè)備主要包括設(shè)備屏柜、監(jiān)測設(shè)備主機、監(jiān)測設(shè)備從機、電源插排、4G無線路由器、電源導(dǎo)線、光纖跳線、4G無線通信天線等。由于光纖具有抗電磁干擾特性，可與其它電纜同溝敷設(shè)，再與監(jiān)測系統(tǒng)連接。

圖5 典型監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成

4 監(jiān)測系統(tǒng)功能

為滿足運營維護要求，附加導(dǎo)線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）斷線故障報警。為及時排除故障，縮小事故范圍，需對附加導(dǎo)線斷線故障進行實時報警并精確定位。

（2）無人值守。為節(jié)約人力成本，提高維護效率，監(jiān)測系統(tǒng)可通過內(nèi)置通訊模塊實現(xiàn)無人值守。結(jié)合運營單位管理模式，通過網(wǎng)頁客戶端、手機APP等形式，及時將故障信息告知運維人員。

（3）運行狀態(tài)監(jiān)測。以往架空導(dǎo)線設(shè)計時，一般依靠理論公式計算安裝曲線，計算用到的環(huán)境風(fēng)速、導(dǎo)線最高溫度、弛度等數(shù)據(jù)與實際運行工況有一定出入。通過監(jiān)測系統(tǒng)可積累架空導(dǎo)線在高溫、覆冰、大風(fēng)等各種工況下的海量運行數(shù)據(jù)，分析其運行狀態(tài)，更好地掌握架空導(dǎo)線的工作規(guī)律，為今后進一步提升設(shè)計質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

當(dāng)前智能鐵路已經(jīng)成為鐵路發(fā)展的必然方向，作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)中較為薄弱的附加導(dǎo)線系統(tǒng)，由于普遍采用絞線結(jié)構(gòu)，具備采用光纖復(fù)合架空導(dǎo)線替代的基礎(chǔ)條件。通過光纖復(fù)合架空導(dǎo)線實現(xiàn)實時監(jiān)測、實時評價、實時預(yù)警功能，對現(xiàn)有所內(nèi)保護方式將起到革命性的變化。構(gòu)建基于光纖復(fù)合架空導(dǎo)線的高速鐵路接觸網(wǎng)智能附加導(dǎo)線系統(tǒng)對提升設(shè)備運行品質(zhì)，保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全運營及提高維修效率具有重要作用。同時，通過積累架空附加導(dǎo)線大量的運行數(shù)據(jù)，為進一步掌握架空導(dǎo)線運行機理、提升架空導(dǎo)線的設(shè)計質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

目前光纖復(fù)合架空導(dǎo)線在國內(nèi)電力系統(tǒng)已經(jīng)有大量應(yīng)用，在鐵路系統(tǒng)的廣深港、大西客專等避雷線項目中得到初步應(yīng)用，現(xiàn)場反饋效果良好。通過不斷地研究總結(jié)，積累經(jīng)驗，光纖復(fù)合架空導(dǎo)線在接觸網(wǎng)架空附加導(dǎo)線領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

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The paper puts forward the system structure, setting scheme and contact wire erection scheme for intelligent additional wires as well as the arrangement scheme for optical fiber monitoring equipment for overhead contact line of high speed railways, with connection to the maintenance by the operational company, puts forward feasible monitoring system functional requirements, realization of real time monitoring, real time assessment, real time warning and accurate locating, and further improve design quality, laying a foundation for improving design quality of additional wires by applying of monitoring data.

Overhead contact line; additional wire; intelligent

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.012

U225.4

A

1007-936X(2018)06-0051-03

2018-07-06

鄧 洪.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，高級工程師；

劉永紅.中國鐵路總公司工程管理中心，提高待遇高級工程師；

古曉東.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，工程師。