于博軒，馬 成，王元貴

0 引言

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)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(chǔ)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(shè)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(wǎng)的連接由于受外界等各種因素的影響容易發(fā)生過熱，嚴(yán)重時會導(dǎo)致供電中斷，引發(fā)列車停運事故。紅外熱成像儀可以在遠(yuǎn)距離對接觸網(wǎng)進(jìn)行溫度檢測，及時發(fā)現(xiàn)隱患，避免事故發(fā)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(dǎo)線接頭壓接管壓力不夠，導(dǎo)線接觸面過小，引起接觸電阻過大，發(fā)熱嚴(yán)重。

（2）接觸網(wǎng)線索容量偏小，難以承受接觸網(wǎng)供電線路長期的大負(fù)載運行，進(jìn)而引起燒傷。

（3）導(dǎo)線斷股，電阻較大，引起發(fā)熱。按照規(guī)定導(dǎo)線表面允許發(fā)熱的溫度為70℃。1980年，蘇聯(lián)國際大電網(wǎng)會議規(guī)定，從導(dǎo)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(jìn)而損壞，在連續(xù)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(dǎo)體連接部位在長期遭受機械振動、抖動或在風(fēng)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(fā)熱。

（2）線夾銅鋁接觸面過小，銅鋁本身不易結(jié)合，尤其在接觸網(wǎng)線路長期大負(fù)載運行條件下，線夾斷裂故障時有發(fā)生。

1.3 絕緣部件的故障原因

污穢高壓絕緣子在周圍環(huán)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?。划?dāng)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(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)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(yán)重，泄漏電流越大，溫度變化就越顯著。

（1）復(fù)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(yuǎn)離過熱的傘裙區(qū)域較為干凈；高壓端過熱部分的傘裙老化嚴(yán)重，尤其是過熱的棒芯護(hù)套結(jié)成磚狀硬塊。過熱部分橡膠老化嚴(yán)重，易撕裂，棒芯表面粉化；過熱部分已經(jīng)喪失了憎水性，其余部分還能形成結(jié)珠。

（2）引起復(fù)合絕緣子發(fā)熱的幾種主要缺陷：當(dāng)絕緣子某處絕緣材料由于故障導(dǎo)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(dǎo)致該處的電阻損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地方，在該處出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象；當(dāng)絕緣子外護(hù)套或芯棒破損后，水分潮氣便能夠滲入其中，在破損部位產(chǎn)生局部強場，從而引發(fā)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(chǎn)生的離子打在絕緣子護(hù)套上，也會使絕緣子護(hù)套發(fā)熱。

正常負(fù)荷絕緣子串的溫度分布差別很小，所以發(fā)現(xiàn)絕緣子串部分有較明顯溫升即應(yīng)視為缺陷。

1.4 關(guān)鍵零部件的故障原因

外部存在熱缺陷的導(dǎo)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(fēng)塵結(jié)露及化學(xué)活性氣體的侵蝕，造成了連接件導(dǎo)體接觸表面嚴(yán)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(dǎo)致電氣連接阻抗加大，主供電回路導(dǎo)流不暢，長時間運行便會燒傷接觸網(wǎng)設(shè)備。

2 紅外檢測技術(shù)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(yīng)原理，通過掃描方式將來自目標(biāo)的紅外輻射能，逐點聚集在光學(xué)系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電信號，處理器再把電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并存儲在幀存儲器里，當(dāng)獲得完整的一幀紅外圖像數(shù)據(jù)后，通過內(nèi)置的彩色顯示屏顯示出來。如圖1，圖2所示。

筆者根據(jù)沈陽鐵路局蘇家屯火車站附近線路實際情況，設(shè)計了一套車載接觸網(wǎng)作業(yè)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(xiàn)對接觸網(wǎng)線路上基礎(chǔ)設(shè)施自動化巡檢，提高巡檢效率，快速有效地發(fā)現(xiàn)故障缺陷，從而有效地指導(dǎo)供電段以及維管段對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。

圖1 鐵路輸電線路對比圖

圖2 接觸網(wǎng)線路對比圖

2.1 紅外檢測裝置功能

（1）測溫功能。實時監(jiān)測接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛、絕緣部件、線夾以及關(guān)鍵零部件等區(qū)域狀態(tài)溫度，并返回溫度值。

（2）報警功能。當(dāng)有故障出現(xiàn)時，實時報警。

（3）顯示功能。在上位機上顯示監(jiān)測狀態(tài)。

（4）定位功能。所測熱圖像與實際線路設(shè)施對應(yīng)起來，方便查詢、維修。

（5）分析判斷功能。通過溫度以及相應(yīng)算法支持分析故障并判斷設(shè)備性能好壞。

（6）數(shù)據(jù)查詢保存功能。方便事后查詢數(shù)據(jù)，以提供維修依據(jù)。

2.2 紅外檢測裝置構(gòu)成

2.2.1 硬件架構(gòu)

（1）裝置構(gòu)成。裝置主要由車頂設(shè)備和車內(nèi)設(shè)備構(gòu)成。其細(xì)分為紅外傳感模塊、數(shù)據(jù)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(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 硬件架構(gòu)示意圖

（2）地標(biāo)里程檢測設(shè)備。在維修作業(yè)車上，地標(biāo)參考信息來自作業(yè)車TAX箱；如TAX箱不開放，需要增加里程檢測設(shè)備，采用檢測車成熟應(yīng)用的里程檢測設(shè)備。其利用速度傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)庫定位，方法是：首先將每一條線路，每一個車站或區(qū)間，每一個電桿的編號及電桿之間的距離存入數(shù)據(jù)庫，速度傳感器是一種光電旋轉(zhuǎn)編碼器，將它配置于作業(yè)車上，和車軸同步轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一周輸出200個脈沖，用一個計數(shù)器專門用來計數(shù)，其計數(shù)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(shù)據(jù)庫中2根相鄰電桿之間的距離值對照，從而確定對應(yīng)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?yán)锍淘黾佣龃蟆?/p>

（3）圖像存儲設(shè)備。采用定制視頻服務(wù)器以及工控機內(nèi)防震硬盤，實現(xiàn)檢測結(jié)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(xiàn)框圖，如圖4所示。

圖4 軟件功能實現(xiàn)框圖

（2）實時監(jiān)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?？梢栽O(shè)置不同溫度下所顯示色帶的顏色深淺；b.實時顯示選定區(qū)域的溫度曲線，量化選定區(qū)域的溫度；c.通過設(shè)定閾值的方式進(jìn)行故障判斷，得出故障的數(shù)據(jù)，并可以對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；d.把整個監(jiān)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(jìn)行積分處理從而計算出列車的里程，實現(xiàn)所檢測的數(shù)據(jù)和鐵路上的公里標(biāo)、桿號等對應(yīng)；f.把檢測過程中測到的數(shù)據(jù)整理，歸納，以報表形式打印。

（3）回放再現(xiàn)整個檢測過程：

a.在整個重現(xiàn)的過程中可以查看被測區(qū)域的任意點的溫度，也可以對監(jiān)控點和環(huán)境點進(jìn)行比較從而找出故障；b.打開檢測時被認(rèn)為是故障點時保存的數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)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(jìn)行拍攝，獲得熱圖像，得到體現(xiàn)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(yuǎn)距離、快速準(zhǔn)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(tǒng)接觸網(wǎng)日常維護(hù)保養(yǎng)提供了一種先進(jìn)手段，因此其在鐵路系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3 環(huán)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(jìn)行紅外檢測，紅外輻射包括：目標(biāo)的紅外輻射，其他輻射源對目標(biāo)的輻射使目標(biāo)本身溫度產(chǎn)生變化，其他輻射源的輻射通過目標(biāo)反射進(jìn)入儀表，背景輻射直接進(jìn)入儀表。

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

防止其他輻射源的輻射通過目標(biāo)反射進(jìn)入儀表的方法，是在高反射的目標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行檢測。而且風(fēng)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(fēng)力不能超過三級。否則要對檢測結(jié)果進(jìn)行風(fēng)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(jié)檢測，要求相對濕度不大于85%。檢測距離很近時，可適當(dāng)放寬要求。在不影響安全的條件下，應(yīng)盡量縮短檢測距離。

（4）發(fā)射率的影響及對策?？朔l(fā)射率影響的對策是從儀表說明書中查找目標(biāo)物體的發(fā)射率，正確設(shè)置。對于溫度較高的目標(biāo)，可以采取噴漆的方法，例如將發(fā)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(diào)整紅外熱成像儀的發(fā)射率，直到?jīng)]有噴漆的表面溫度與噴漆表面溫度相同或接近，此時的發(fā)射率即為目標(biāo)物體正確的發(fā)射率。由于剛噴漆完的目標(biāo)無法擦拭干凈，所以最好在噴漆5 min后，再進(jìn)行測試。常見物體的發(fā)射率參見表1。

表1 常見物體的發(fā)射率一覽表

（5）環(huán)境溫度的影響及對策。為減少環(huán)境溫度影響，選擇在日出前或日落后3 h之內(nèi)開展檢測，避免太陽輻射的影響，保障環(huán)境溫度的穩(wěn)定，或者選擇好環(huán)境溫度參照體，將它代替環(huán)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(xiàn)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(yīng)控制在40 m內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，電氣化鐵路接觸網(wǎng)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(jìn)行分析時，通過對故障類型及故障原因進(jìn)行總結(jié)，充分考慮線路上發(fā)生局部過熱甚至燒傷的現(xiàn)狀，從而更準(zhǔn)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(shù)手段，設(shè)計了紅外檢測設(shè)備，為接觸網(wǎng)線路故障檢測提供了新的可靠的方法；最后分析了環(huán)境對紅外檢測的影響并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，為接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運營提供了保障。

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