基于光纖傳感技術(shù)的電力機(jī)車受電弓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

張文浩，劉統(tǒng)玉,，石智棟，姜龍，魏玉賓，王紀(jì)強(qiáng)，王鳳雪

(1.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南250013；2.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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基于光纖傳感技術(shù)的電力機(jī)車受電弓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

張文浩1，劉統(tǒng)玉1,2，石智棟1，姜龍1，魏玉賓2，王紀(jì)強(qiáng)2，王鳳雪1

(1.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南250013；2.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：基于光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計了一種電力機(jī)車受電弓狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測電力機(jī)車弓網(wǎng)之間的動態(tài)壓力、受電弓振動狀態(tài)以及受電弓滑板應(yīng)力溫度等。系統(tǒng)通過仿真、標(biāo)定及測試，得出弓網(wǎng)動態(tài)壓力監(jiān)測范圍在0～500 N，應(yīng)變監(jiān)測范圍在-0.2%～0.2%。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；受電弓；動態(tài)壓力；應(yīng)變；接觸網(wǎng)安全

十三五期間，中國鐵路固定投資規(guī)模將達(dá)3.8萬億元[1]。近年來，中國高速鐵路正在迅速形成線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此對軌道交通的高效安全監(jiān)控需求迫切。受電弓是電力牽引機(jī)車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，其狀態(tài)直接影響列車安全及可靠運(yùn)行[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對受電弓的動力學(xué)[3]、機(jī)構(gòu)學(xué)[4]以及接觸網(wǎng)關(guān)系等做了許多研究工作。目前接觸網(wǎng)監(jiān)測采用的是在地面設(shè)置固定監(jiān)測點，用人工巡檢的方式監(jiān)測，無法實現(xiàn)全線路覆蓋和實時監(jiān)測，沒有可長期化監(jiān)測的理想方式[5]。在實時在線監(jiān)測研究方面，目前國內(nèi)外主要采用電子測溫和電阻應(yīng)變片進(jìn)行受電弓運(yùn)行監(jiān)測，因受電火花、電磁場以及雷電干擾影響較大，難以實現(xiàn)智能化狀態(tài)分析和預(yù)警。傳統(tǒng)的電子類傳感器對弓網(wǎng)關(guān)系的監(jiān)視需要一個相當(dāng)復(fù)雜的裝置，對傳感器進(jìn)行電絕緣，以避免測量信號之間的干擾和電弧現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁干擾。與傳統(tǒng)的電子傳感器相比，光纖類傳感器則完全不需要該復(fù)雜裝置，因為其利用光信號進(jìn)行信息傳輸，本質(zhì)絕緣、不導(dǎo)電且不受電磁干擾，特別適用于電磁干擾大、雷擊頻繁等惡劣環(huán)境，能夠大大降低監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性，且提高監(jiān)測性能[6-7]。本文基于光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計了一種電力機(jī)車受電弓狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計

為減少弓網(wǎng)故障，并進(jìn)一步降低受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性，本設(shè)計利用光纖光柵及光纖傳感技術(shù)來實現(xiàn)對受電弓溫度[8]、應(yīng)力應(yīng)變[9]和振動的實時在線監(jiān)測，建立高鐵電力接觸受電弓運(yùn)行狀態(tài)光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在受電弓上安裝多參數(shù)光纖傳感器，將數(shù)據(jù)實時采集至現(xiàn)場監(jiān)控平臺，然后通過遠(yuǎn)程通信將數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)車監(jiān)控中心等部門，可對電力機(jī)車受電弓實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。

電力機(jī)車受電弓運(yùn)行狀態(tài)光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)包括3個部分：光纖檢測傳感器部分、現(xiàn)場監(jiān)控平臺和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，如圖1所示。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the monitoring system

系統(tǒng)中的檢測單元安裝在機(jī)車頂端的受電弓上，在線動態(tài)檢測受電弓的狀態(tài)，機(jī)車管理部門可通過局域網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實施采集，并將采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送給受電弓生產(chǎn)廠家，廠家可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常時及時通知機(jī)車管理部門進(jìn)行檢查處理，變被動檢修為主動檢修，提高了效率，同時節(jié)省人力物力[10-11]。

1.1傳感器設(shè)計及安裝

系統(tǒng)中涉及到的傳感器安裝的前提是不破壞原本受電弓的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并盡可能減少對電力機(jī)車受電弓的受流及受力狀況的影響。本文中所使用的受電弓為DSA250型高鐵受電弓。

1.1.1傳感器設(shè)計

光纖溫度/應(yīng)變傳感器按照受電弓的尺寸設(shè)計，將光纖光柵附在彈性體上，并進(jìn)行保護(hù)封裝。反射光的波長對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變變化非常敏感，當(dāng)彈性體受到壓力時，光纖光柵與彈性體一同發(fā)生應(yīng)變，從而引起反射波長的變化，通過對反射波長的采集分析，計算得到溫度、應(yīng)變。文中設(shè)計的傳感器具有溫度補(bǔ)償光柵(計算溫度)和應(yīng)變光柵(計算溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變)。

按照受電弓的尺寸設(shè)計光纖振動傳感器，使得振動傳感器可以貼合在受電弓滑板的側(cè)面，振動傳感器的工作原理是光纖光柵隨著質(zhì)量塊的力的作用發(fā)生形變，不同力的大小對應(yīng)光纖光柵不同的形變，從而引起反射光信號波長的快速變化[12]，反射后的光信號再次經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入解調(diào)設(shè)備，解調(diào)設(shè)備對返回的不同的波長的光信號進(jìn)行處理分析，得到監(jiān)測的振動數(shù)據(jù)，通過對光纖光柵快速采集，得到信號進(jìn)行FFT變換，從而算出頻域振幅與頻率信號。然后由程序算出速度、加速度[13]和位移[14]。

DSA250型高鐵受電弓弓頭為懸掛結(jié)構(gòu)[15]，共有4個拉簧結(jié)構(gòu)使得受電弓頭前后左右上下有一定的自由幅度，我們根據(jù)4個拉簧的拉力豎直方向的分量之和作為弓網(wǎng)之間的動態(tài)壓力監(jiān)測。

針對拉簧的拉力，我們設(shè)計如圖2a所示的光纖傳感器，利用力的傳遞作用以及彈性體在力的作用下引起的微小形變，選擇合適的材料使其形變范圍與光纖光柵可探測的形變范圍接近，通過監(jiān)測貼在內(nèi)壁上的光纖光柵位移的變化進(jìn)而計算出拉簧力的變化，綜合4個拉簧垂向力之和，計算得出弓網(wǎng)之間的動態(tài)壓力。

1.1.2傳感器安裝

光纖溫度/應(yīng)變、振動傳感器采取高溫導(dǎo)電膠在受電弓側(cè)面進(jìn)行粘接，然后光纖延受電弓導(dǎo)氣管走線，經(jīng)過絕緣光纖貫通器將光纖引至位于電力機(jī)車內(nèi)部的解調(diào)儀中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。如圖2b所示。后續(xù)可借助受電弓本身螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)處理。

圖2　受電弓光纖傳感器結(jié)構(gòu)及傳感器安裝圖Fig.2　Structures of the pantograph sensors and their installation photos

圖3　受電弓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件圖Fig.3　Software interface of the pantograph status monitoring system

1.2系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)軟件由C#代碼編寫，主要實現(xiàn)以下功能：

(1)實時監(jiān)測機(jī)車受電弓振動、溫度和應(yīng)力狀態(tài)，利用監(jiān)測到的各參數(shù)進(jìn)行理論建模，建立受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)模型及失效模式研究；

Spatial pattern of environmental efficiency and its influencing factors

(2)可在線實時運(yùn)行過程中采集和記錄監(jiān)測點位的各項參數(shù)情況，一臺光纖光柵解調(diào)儀可最多監(jiān)測192個監(jiān)測點(包含溫度、應(yīng)變、壓力和振動)；

(3)針對軟件底層操作者設(shè)定一級報警、二級報警數(shù)值，監(jiān)測參數(shù)超過警戒值時可發(fā)出自定義的報警信號，如現(xiàn)場聲光報警、遠(yuǎn)程聲光報警以及手機(jī)短信報警等；

(4)軟件為windows程序標(biāo)準(zhǔn)中文界面，實時數(shù)據(jù)記錄可通過曲線表示，按照參數(shù)設(shè)定可實現(xiàn)任意時刻的數(shù)據(jù)保存間隔，并可實時提取某時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

(5)具備日報表、月報表和年報表等數(shù)據(jù)輸出、打印功能，運(yùn)行數(shù)據(jù)報表可直接輸出為excel等格式或者直接打印；

(6)數(shù)據(jù)不但可在機(jī)車中以及監(jiān)測中心實時顯示，而且可在任意一臺有訪問權(quán)限并聯(lián)網(wǎng)的電腦中實現(xiàn)web發(fā)布；

(7)系統(tǒng)軟件采取模塊化軟件，可選擇任意部件組合，并提供各種協(xié)議，滿足不同數(shù)據(jù)傳輸需要，監(jiān)測主機(jī)設(shè)置不同硬件擴(kuò)展接口便于使用。

圖3為程序界面。

2標(biāo)定及測量數(shù)據(jù)

系統(tǒng)中的各類光纖傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，如光纖應(yīng)變傳感器采用等強(qiáng)度梁進(jìn)行標(biāo)定、光纖溫度傳感器采用制冷恒溫水箱進(jìn)行標(biāo)定、光纖壓力(拉力)傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)拉力計進(jìn)行標(biāo)定、光纖振動傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)振動測試臺(包括振動臺4808、分析儀3560C、功放2719，丹麥B&K公司)進(jìn)行標(biāo)定。所有傳感器均在數(shù)控溫濕度環(huán)境實驗箱中進(jìn)行長期性老化實驗。標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖4所示。

如圖4a所示，光纖應(yīng)變傳感器測量范圍在0～0.2%，光纖光柵波長變化值呈線性變化，y=0.003 258x-0.008 882,R2=0.999 9946 9線性度較好。圖4b在0～500 N范圍內(nèi)(受電弓檢測參數(shù)要求)增加測試點數(shù)，光纖動態(tài)壓力傳感器在0～1 000 N的全程范圍內(nèi)，光纖光柵波長變化也成線性y=-224.4x+3 154.7,R2=0.999 9；圖4c顯示了光纖溫度傳感器監(jiān)測-20 ℃(使用酒精)變化到110 ℃過程中光纖光柵波長的變化曲線，線性度較好y=85.468x-133 213；圖4d為光纖振動傳感器頻率響應(yīng)曲線，在0～160 Hz的范圍內(nèi)，頻響曲線較平緩，滿足使用要求y=0.000 121 2x3+0.002 920 01x2-0.190 525 67x+12.826 788 18,R2=0.989 379 08(R2>0.98)。

圖4　應(yīng)變、壓力、溫度傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)和振動傳感器頻響曲線Fig.4　Calibration data of stress, pressure, temperature sensors and frequency response curve of the vibration sensor

根據(jù)測試結(jié)果，各項檢測參數(shù)可達(dá)到的指標(biāo)詳見表1。

表1　光纖受電弓狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)

從標(biāo)定及檢測數(shù)據(jù)可以看出，各種傳感器線性度較好，基本滿足系統(tǒng)監(jiān)測功能需求。另外考慮到在野外現(xiàn)場環(huán)境中，受電弓外界的溫度可達(dá)到-40 ℃，由于恒溫水箱溫度的限制，需要進(jìn)一步測試低溫下光纖溫度傳感器的性能。

3結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計簡單，監(jiān)測性能高，裝置大大簡化?？捎猛惶紫到y(tǒng)對受電弓溫度、應(yīng)變以及振動等多參數(shù)進(jìn)行實時在線監(jiān)測，靈敏度高，穩(wěn)定性好。該設(shè)計實現(xiàn)了對受電弓工作狀態(tài)的不間斷實時在線監(jiān)測，并以此為依據(jù)建立了受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)模型進(jìn)行運(yùn)行故障預(yù)警?；诠饫w傳感技術(shù)的電力機(jī)車受電弓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還需要通過長期數(shù)據(jù)采集，建立不同受電弓的數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析，形成自診斷型的受電弓安全預(yù)警系統(tǒng)。未來還可以與定點高清攝像頭組合應(yīng)用,利用故障圖像檢測法進(jìn)行分析[16-17]，形成更直觀的受電弓監(jiān)測系統(tǒng)。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.011

收稿日期：2015-03-24

基金項目：中小企業(yè)發(fā)展專項資金(對歐合作部分)(SQ2013Z0C600005)

作者簡介：張文浩(1987-)，男，碩士，研究方向為光纖傳感。Email：zwh@iss-ms.com

中圖分類號：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)03-0060-05

Optic fiber sensing technology based status monitoring system for locomotive pantograph

ZHANG Wen-hao1, LIU Tongyu1,2, SHI Zhi-dong1,JIANG Long1,WEI yu-bin2,WANG Ji-qiang2,WANG Feng-xue1

(1.Shandong Micro-Sensor Photonics Co. Ltd., Jinan 250013, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology, Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶Based on fiber Bragg grating sensing technology, we designed an online monitoring system for the pantograph of an electric locomotive. It could monitor real-time dynamic pressure, vibration state, slide stress and temperature of the pantograph. Through simulation, calibration and testing, we acquired monitoring range of dynamic pressure of 0～500 N, and monitoring scope of micro-strain of-0.2%～0.2%.

Key words∶ fiber Bragg grating; pantograph; dynamic pressure; strain; catenary safety

【光纖與光子傳感技術(shù)】