接触网承力索的覆冰厚度在线监测技术研究

韩婉娇，刘明光，王圣昆，王 娟，王诗月

(北京交通大学，北京 100044)

我国地域辽阔，气候复杂多变，输电线路覆冰十分严重。2008年年初，南方地区发生的雪凝灾害性天气，因牵引供电系统覆冰崩溃，使得电气化铁路失去外部电源而无法正常运行，使多条电气化铁路主干线运输中断，仅京广线南段就有136列列车晚点，超过10万名旅客滞留在车站和铁路沿线[1]。接触网的覆冰不仅会引起输电线覆冰舞动或断裂现象，也会导致受电弓无法正常取流[2]，尤其是对如今不断发展的高速铁路而言，该问题更为突出，必须引起高度重视。

目前，被业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]。这些模型在使用上各有其局限性，许多参数都需要进行查表或复杂计算才能得出，不能达到覆冰实时状态监测的要求，因此有必要提出一种简单高效的覆冰厚度分析方法，以便能够及时采取防冰融冰措施。

本文首先对接触网覆冰的形成条件以及物理模型进行分析；然后用Ansys搭建接触网覆冰模型，并仿真计算覆冰厚度对张力补偿器补偿位移的影响；研究设计实时监测系统，通过采集到的环境状况参数及补偿位移，对接触网覆冰状态进行实时分析；最后将实时监测系统投入使用，验证了系统可以准确实时地传递所需数据，分析出覆冰厚度，为后续的防融冰工作提供有力的数据支持。

1 覆冰的形成与物理模型

1.1 覆冰形成的环境条件

根据覆冰的形成条件可以把覆冰分为雨淞、混合淞、雾淞、白霜和雪[5-6]，但由于雾淞、白霜和雪的黏着力很微弱，雨淞气象条件持续时间比较短，在接触网上发生的覆冰通常由混合淞引起的。混合淞覆冰一般形成在风比较大、温度在冰点以下时，主要分两个阶段：首先形成雨淞覆冰，随着气象变化，然后形成雾淞[7]。

空气的流动带动小水滴附着在接触线上，雨淞发生时风速一般在3～15 m/s，附在接触线上的水滴凝固需要气温低于冰点。而覆冰大多出现在空气相对湿度为85%以上，相对湿度超过80%需要做好防冰准备[8]。并且文献[9]认为雨淞覆冰时的气温为-5～-0.2 ℃，文献[10]中设定接触线防冰的温度条件为-1.5～0 ℃。

综上所述，本文设定相对湿度大于80%，风速为3～15 m/s，环境温度低于0 ℃为开始进行覆冰状态分析的环境条件。

1.2 覆冰的物理模型

本文将接触网的物理模型简单化来进行分析仿真，即线索的截面分别等效为半径不同的标准圆，且承力索与接触线平行拉直设立。接触网覆冰模型如图1所示。

图1 接触网覆冰模型

对于承力索覆冰而言，因其起到固定作用，工作状况相对稳定，可以认为承力索所覆冰层完全包裹在承力索上且均匀覆盖，因此将冰层横截面等效成以承力索的圆心为圆心，小半径为r1，大半径为r1+d的圆环。

对于接触线而言，因其会受到列车受电弓的摩擦，使得其覆冰呈现不均匀的状态，其上方覆冰较厚，而其下方有少量的覆冰，故接触线的覆冰横截面可以等效成内半径为r2，外直径为2r2+d的月牙形状。

2 覆冰厚度的仿真与分析

2.1 接触网仿真模型建立[11]

接触网结构十分复杂，为方便研究，利用Ansys建立简化的接触网有限元模型，以12跨简单链形悬挂接触网为研究对象。接触网单跨长度为50 m，单跨吊弦为10个，具体仿真模型参数如表1所示，建立的仿真模型如图2所示。

表1 接触网仿真模型参数

图2 12跨接触网有限元仿真模型

模型搭建完成后，在进行覆冰仿真前需设定边界条件，为得到承力索与接触线顺线路方向的动态响应规律，并且考虑到重力对接触网的影响，设置如下边界条件：

(1)对全部支柱与地面之间施加全约束；

(2)对接触网一端的定位装置与接触线和承力索的连接节点分别施加全约束，其余定位装置连接节点释放Y方向的自由度；

(3)对整个系统施加Z轴负方向的重力，重力加速度设为9.8 m/s2；

(4)为模拟张力补偿装置，在接触网的另一端，即接触线补偿侧施加恒定的17 kN张力，承力索补偿侧施加恒定的15 kN张力。

2.2 冰荷载的计算

冰荷载即覆冰作用到输电线路上的力，通过上一节对接触网覆冰的物理模型分析，接触线的冰荷载可由式(1)求得。由于承力索的张力变化不仅与自身的覆冰情况有关，还与接触线的覆冰有关，所以在研究承力索的覆冰厚度对b值的影响时，需要考虑承力索和接触线上的覆冰情况，假设承力索与接触线的覆冰厚度相同，承力索的冰荷载可由式(2)求得。

(1)

(2)

式中，ρ为冰密度，kg/m3；d为覆冰厚度，m；r1为承力索半径，m；r2为接触线半径，m；h为两节点间的距离，m；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3 覆冰厚度仿真分析

为了得到连续的变化曲线，本文假设每秒增加1 mm覆冰厚度，即用时间t/1 000代替式(1)和式(2)中的d。仿真分析分为三步，首先对设置好边界条件的模型进行仿真，得到接触网的初始工作状态，然后在此基础上对模型中的接触线和承力索分别施加随时间变化的冰荷载，忽略支持装置和吊弦上的覆冰，仿真后得到接触网覆冰后的工作状态，最后用第二步补偿侧Y方向上的变化量减去第一步的变化量即可得到覆冰导致补偿位移[12]。

图3和图4分别为承力索和接触线在不同覆冰厚度下的补偿位移变化曲线；表2中列出了在覆冰厚度为5、10、15、20 mm和25 mm时承力索和接触线的补偿位移量。

图3 承力索补偿位移随覆冰厚度的变化曲线

图4 接触线补偿位移随覆冰厚度的变化曲线

表2 不同覆冰厚度下承力索与接触线的补偿位移量

由仿真结果得到如下结论：

(1)由于覆冰物理形态的不同，在相同覆冰厚度的情况下，承力索b值的变化比接触线的变化更为明显，因此，为了更加精确地计算补偿位移，选择承力索补偿器的坠砣到地面的距离作为测量对象；

(2)覆冰厚度达到5 mm以上时，冰荷载对承力索b值变化的影响较为明显，因考虑到距离传感器的测量精度，当环境条件可能形成覆冰且覆冰厚度未达到5 mm时，采取防冰措施，当覆冰厚度在5 mm以上时启动融冰措施。

根据上述结论，用Matlab软件对仿真数据进行处理并拟合覆冰厚度d与承力索b值变化量的关系函数，通过对数据的多种方式拟合，对比各次拟合的最大相对误差，确定其关系式为

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

(3)

对接触网覆冰进行了小比例模拟试验，表3将计算值与试验数据进行对比，验证了仿真结果的正确性。

表3 仿真与试验的承力索补偿位移对比

3 在线监测系统设计

3.1 覆冰状态分析流程

3.1.1 软件流程

上位机软件对接触网的环境参数进行实时采集，当环境条件达到覆冰条件时，对接触网覆冰状态进行进一步分析，最终指导防融冰措施的实施，具体流程如图5所示。

图5 覆冰在线监测流程

3.1.2 实际覆冰厚度的计算原理

本文提出一种通过补偿器承力索b值变化量来计算覆冰厚度的方法，在计算过程中，除了需要考虑覆冰对b值变化量的影响，风速和温度所带来的影响是不能被忽视的。所以，想要更加准确地计算覆冰引起的补偿位移，需要在总的变化量中去除风和温度的影响。

文献[13]研究了风速及风向对补偿位移的影响，分析得出风致位移由线索横向偏移和垂向偏移相互耦合而成，并给出了单跨接触网下补偿位移的近似计算方法。

承力索不同位置风致横向偏移

(4)

式中，pJ为承力索受到的风荷载；J为承力索张力，N；l为跨距，m；pc0可由式(5)计算得到

(5)

其中，pK为接触线受到的风荷载；λ0为跨中吊弦的长度，m；gK为接触线单位长度的重力负载；K为接触线张力，N。

pK和pJ可由式(6)计算得到

p=0.625q·C·(2r)·l·v2sinθ

(6)

其中，q为风速不均匀系数；C为风负载体形系数；r为线索半径；v为风速；θ为风向与线索之间的夹角。

承力索不同位置风致垂向偏移

(7)

其中，gJ为接触线单位长度的重力负载。

承力索补偿位移

(8)

其中，bxm和bzm分别为风荷载作用下承力索的最大横向偏移值和最大垂向偏移值，分别通过式(4)和(7)中取x=1/2计算得到；F0为承力索的初始弛度。

文献[14]给出了补偿装置b值随温度变化的关系式

btemp(T)=bmin+n·L·α·(Tmax-T)

(9)

式中，bmin为设计时规定的最小b值，mm；n为补偿滑轮传动系数；L为锚段内中心锚结至补偿器间距离，m；α为线索的线膨胀系数；Tmax为设计时采用的最高温度，℃。

利用在线监测系统测得的数据，将实际测量到的b值减去根据式(9)计算得出的此时温度下对应的b值，再去除根据式(8)得出的风致位移，即可得到仅由覆冰导致的补偿位移，最后由式(3)可反推得到覆冰厚度。

3.2 数据中心软件设计

本文在Visual Studio 2010环境下，采用C#语言完成覆冰在线监测系统数据中心应用软件的开发，并利用SQL Server 2008对监控数据进行存储与管理。

3.2.1 数据库设计

数据库中表是存储数据的地方，是建立数据库的核心部分，管理好表也就管理好了数据库[15]。根据系统中涉及到的实体数据，创建了用户信息表staff_info，终端信息表terminal_info和监控数据表data_monitor，数据表具体内容及关系如图6所示。

图6 数据表结构及内容

3.2.2 客户端界面及功能

数据中心软件主要包括登录，实时监控，设置，数据管理，历史数据查看与分析和打印选项6个界面。

用户在登陆界面选择身份，输入相应用户名和密码进行登陆，不同用户仅能查看其权限下的监控终端数据，在该界面也可以进行密码修改操作。

实时监控界面读取并显示实时的监测信息，计算覆冰厚度，及时给出覆冰报警。当其他终端监测到有覆冰时，界面也会给予提示，使相关单位可以及时采取防覆冰措施。

设置界面包括监控终端基本设置和登陆人员设置，可以通过ADO.NET对terminal_info和staff_info表中的数据进行添加与修改操作，以便对登录者和监控终端进行扩充与管理。

数据管理界面只有管理员才有权限进入，通过VS2010中的DataGridView表格控件来操作所选日期的数据，也可利用excel实现数据的导入与导出。

历史数据查看与分析界面针对所监测的环境参数以及计算得到的覆冰厚度分别进行曲线的绘制，通过调用数据库和line函数来实现。

打印选项界面会针对所选择的内容和终端编号，以报告的形式完成打印，通过调用print函数来实现，打印报告中可包含相应的报警内容和曲线。

4 监控装置调试与运行

将监控终端在湖南省某供电段接触网进行安装，现场安装效果如图7所示，安装后对监控终端进行运行调试，可以看到现场人机交互模块能够很好地接收到传感器测得的信息。在数据中心对监控软件进行调试，如图8所示，软件能够稳定运行，实时读取监测数据，计算覆冰厚度，在接触网防覆冰应用中取得了很好的效果。

图7 监控终端安装效果

图8 覆冰在线监测中心软件界面

5 结论

(1)接触网的覆冰主要由混合淞引起，当达到一定的环境条件，接触网可能会发生覆冰，且由于列车经过，接触线与承力索的覆冰形态不同。

(2)随着覆冰厚度的增加，接触网补偿装置的补偿位移不断增大；在相同的覆冰厚度下，承力索补偿位移较为明显，可以根据其补偿位移来分析覆冰厚度。

(3)经过一段时间的应用，验证了覆冰在线监测系统可以较为准确地分析接触网覆冰状态，且系统可以长期稳定运行。

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