基于红外检测的铁路接触网关键区域故障研究

于博轩，马 成，王元贵

0 引言

接触网是沿铁路线上空架设向电力机车供电的特殊输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础等部分组成。接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其作用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。接触网的连接由于受外界等各种因素的影响容易发生过热，严重时会导致供电中断，引发列车停运事故。红外热成像仪可以在远距离对接触网进行温度检测，及时发现隐患，避免事故发生。

1 接触悬挂与线夹等零部件故障原因

1.1 接触悬挂的故障类型及原因

（1）导线接头压接管压力不够，导线接触面过小，引起接触电阻过大，发热严重。

（2）接触网线索容量偏小，难以承受接触网供电线路长期的大负载运行，进而引起烧伤。

（3）导线断股，电阻较大，引起发热。按照规定导线表面允许发热的温度为70℃。1980年，苏联国际大电网会议规定，从导线的耐热角度，钢芯铝绞线可以采用150℃，但是为了防止接头氧化进而损坏，在连续长时间运行的条件下，温度不能超过70℃。

1.2 线夹的故障原因

（1）导体连接部位在长期遭受机械振动、抖动或在风力作用下摆动，使引流线夹、跳线线夹、耐张线夹螺丝松动，引起发热。

（2）线夹铜铝接触面过小，铜铝本身不易结合，尤其在接触网线路长期大负载运行条件下，线夹断裂故障时有发生。

1.3 绝缘部件的故障原因

污秽高压绝缘子在周围环境干燥时，其表面绝缘电阻非常大，此时流过污层的泄漏电流很小；当绝缘子污层受潮时，泄漏电流将会慢慢增大，电流流过污层时便会产生焦耳热，导致绝缘子表面的温度升高。在湿度相同的情况下，绝缘子污秽等级不同，泄漏电流大小不同，温度分布也随之不同，污秽越严重，泄漏电流越大，温度变化就越显著。

（1）复合绝缘子故障特征：过热部分的棒芯积污最为明显，其他部分积污情况一般，远离过热的伞裙区域较为干净；高压端过热部分的伞裙老化严重，尤其是过热的棒芯护套结成砖状硬块。过热部分橡胶老化严重，易撕裂，棒芯表面粉化；过热部分已经丧失了憎水性，其余部分还能形成结珠。

（2）引起复合绝缘子发热的几种主要缺陷：当绝缘子某处绝缘材料由于故障导致电阻下降到一定程度后，之前均匀分布的泄漏电流将会集中流过该处，导致该处的电阻损耗远远大于其他地方，在该处出现局部过热现象；当绝缘子外护套或芯棒破损后，水分潮气便能够渗入其中，在破损部位产生局部强场，从而引发局部放电。每一个局部放电都伴随着微小的电流脉冲或电子崩，它们打在绝缘材料上，使该局部温度升高；金具电晕产生的离子打在绝缘子护套上，也会使绝缘子护套发热。

正常负荷绝缘子串的温度分布差别很小，所以发现绝缘子串部分有较明显温升即应视为缺陷。

1.4 关键零部件的故障原因

外部存在热缺陷的导体接头部位长期裸露在大气中，由于在其运行过程中，长年受到日晒、雨淋、风尘结露及化学活性气体的侵蚀，造成了连接件导体接触表面严重锈蚀或氧化，氧化层的存在使金属接触面的电阻率增加了几十倍甚至上百倍，导致电气连接阻抗加大，主供电回路导流不畅，长时间运行便会烧伤接触网设备。

2 红外检测技术及装置

红外线是波长0.78～1 000 μm的电磁波，任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，物体表面温度越高，红外线辐射的功率越大。人眼只能感受可见光，不能直接感受红外线，但是可以借助红外热成像仪来观测红外线的能量密度分布。

红外热成像仪主要由红外摄像头和处理器 2部分组成。它基于光电效应原理，通过扫描方式将来自目标的红外辐射能，逐点聚集在光学系统上的红外光电探测器上。探测器将物体表面辐射的红外能量转换成电信号，处理器再把电信号转化成数字信号并存储在帧存储器里，当获得完整的一帧红外图像数据后，通过内置的彩色显示屏显示出来。如图1，图2所示。

笔者根据沈阳铁路局苏家屯火车站附近线路实际情况，设计了一套车载接触网作业车红外巡视装置。该装置正是利用了任何物体都能辐射红外能量的特点，通过在检测车上安装红外检测传感装置，实现对接触网线路上基础设施自动化巡检，提高巡检效率，快速有效地发现故障缺陷，从而有效地指导供电段以及维管段对基础设施进行维护。

图1 铁路输电线路对比图

图2 接触网线路对比图

2.1 红外检测装置功能

（1）测温功能。实时监测接触网关键悬挂、绝缘部件、线夹以及关键零部件等区域状态温度，并返回温度值。

（2）报警功能。当有故障出现时，实时报警。

（3）显示功能。在上位机上显示监测状态。

（4）定位功能。所测热图像与实际线路设施对应起来，方便查询、维修。

（5）分析判断功能。通过温度以及相应算法支持分析故障并判断设备性能好坏。

（6）数据查询保存功能。方便事后查询数据，以提供维修依据。

2.2 红外检测装置构成

2.2.1 硬件架构

（1）装置构成。装置主要由车顶设备和车内设备构成。其细分为红外传感模块、数据处理模块、显示模块、电源组模块以及定位模块5大部分。硬件架构示意图如图3所示。

图3 硬件架构示意图

（2）地标里程检测设备。在维修作业车上，地标参考信息来自作业车TAX箱；如TAX箱不开放，需要增加里程检测设备，采用检测车成熟应用的里程检测设备。其利用速度传感器结合数据库定位，方法是：首先将每一条线路，每一个车站或区间，每一个电杆的编号及电杆之间的距离存入数据库，速度传感器是一种光电旋转编码器，将它配置于作业车上，和车轴同步转动，每转一周输出200个脉冲，用一个计数器专门用来计数，其计数值除以 200，再乘以车轮直径，再乘π，即可得到车行走的距离，将该距离值和数据库中2根相邻电杆之间的距离值对照，从而确定对应的电杆编号。由于车轮蛇形运动和随机振动所造成的累计误差，其定位的误差随行车里程增加而增大。

（3）图像存储设备。采用定制视频服务器以及工控机内防震硬盘，实现检测结果（包括热图像和报表等）的大容量存储。

（4）电源模块。选择高性能、低功耗的UPS电源模块，给红外检测装置和工控机供电，保证外出检测时间。

2.2.2 软件功能

（1）软件功能实现框图，如图4所示。

图4 软件功能实现框图

（2）实时监测装置：

a.提供实时显示界面，实时显示被测物体的等温色带。可以设置不同温度下所显示色带的颜色深浅；b.实时显示选定区域的温度曲线，量化选定区域的温度；c.通过设定阈值的方式进行故障判断，得出故障的数据，并可以对相关的数据进行存储；d.把整个监控的过程以视频的方式存储，以便用户查看；e.对采集到的速度进行积分处理从而计算出列车的里程，实现所检测的数据和铁路上的公里标、杆号等对应；f.把检测过程中测到的数据整理，归纳，以报表形式打印。

（3）回放再现整个检测过程：

a.在整个重现的过程中可以查看被测区域的任意点的温度，也可以对监控点和环境点进行比较从而找出故障；b.打开检测时被认为是故障点时保存的数据，并对其数据进行查看。

该装置利用红外传感模块无需接触就能探测到物体辐射的红外能量的大小，获得体现物体温度的矩阵，从而得到以灰度值高低来表征温度高低的二维灰度图像，并对污秽绝缘子进行拍摄，获得热图像，得到体现污秽绝缘子表面温度高低的热像图，从而判断故障所在。红外检测初步效果图如图5所示。

图5 红外检测初步效果图

红外检测具有远距离、快速准确、灵敏度高、图像直观、不受电磁干扰、测量范围广、不停电、不接触、不解体等特点，给铁路系统接触网日常维护保养提供了一种先进手段，因此其在铁路系统中有着广泛的应用前景。

3 环境因素对红外检测的影响及处理措施

（1）太阳和背景辐射的影响及对策。室外进行红外检测，红外辐射包括：目标的红外辐射，其他辐射源对目标的辐射使目标本身温度产生变化，其他辐射源的辐射通过目标反射进入仪表，背景辐射直接进入仪表。

防止其他辐射源对目标的辐射使目标本身温度产生变化的对策，是准确合理选择环境温度参照体并用其温度代替环境温度，消除目标反射带来的影响。

防止其他辐射源的辐射通过目标反射进入仪表的方法，是在高反射的目标表面涂覆无光黑漆，或者改变角度以避开反射的最佳检测方式。

防止背景辐射直接进入仪表的对策是选择空间分辨率足够高的红外测温仪器。

室外检测无需在不见阳光的情况下进行，但是必须保证其测试时不是阳光最强烈的中午，且测试角度不能正对阳光，不能有强光反射到仪器上，在夜间进行检测效果更好。

（2）气象的影响及对策。防止气象条件带来的影响，可采取的对策是选择无雾、无雨的天气进行检测。而且风速小于0.1 m/s或等于0.05 m/s的天气作定量测定，最大风力不能超过三级。否则要对检测结果进行风速修正。

（3）大气衰减的影响及对策。减少大气衰减的影响，采取的对策是尽量安排在干燥清洁的季节检测，要求相对湿度不大于85%。检测距离很近时，可适当放宽要求。在不影响安全的条件下，应尽量缩短检测距离。

（4）发射率的影响及对策。克服发射率影响的对策是从仪表说明书中查找目标物体的发射率，正确设置。对于温度较高的目标，可以采取喷漆的方法，例如将发射率为 0.97的丙烯酸树脂均匀地喷涂在被测物体表面。然后通过调整红外热成像仪的发射率，直到没有喷漆的表面温度与喷漆表面温度相同或接近，此时的发射率即为目标物体正确的发射率。由于刚喷漆完的目标无法擦拭干净，所以最好在喷漆5 min后，再进行测试。常见物体的发射率参见表1。

表1 常见物体的发射率一览表

（5）环境温度的影响及对策。为减少环境温度影响，选择在日出前或日落后3 h之内开展检测，避免太阳辐射的影响，保障环境温度的稳定，或者选择好环境温度参照体，将它代替环境温度参与相对温差计算。

（6）距离的影响。输电线路杆塔较高，一般选用7°或12°镜头基本能满足现场要求。通常12°镜头的有效距离为 20～30 m，7°镜头的有效距离应控制在40 m内。

4 结束语

综上所述，电气化铁路接触网线路故障类型种类繁多，造成的原因也各不相同。在对故障进行分析时，通过对故障类型及故障原因进行总结，充分考虑线路上发生局部过热甚至烧伤的现状，从而更准确地判断线路故障情况；另外通过借助红外检测等高科技技术手段，设计了红外检测设备，为接触网线路故障检测提供了新的可靠的方法；最后分析了环境对红外检测的影响并提出相应的应对措施，为接触网系统安全稳定运营提供了保障。

[1]周文涛，李东利，罗开信.红外检测技术应用研究[J].天津电力技术，2011，（2）：20-24.

[2]张健.电气化铁路接触网设备电气烧伤原因分析及防治[J].内蒙古煤炭经济，2008，（2）：69-70.

[3]黄浩.提高带电设备红外诊断准确性的方法[J].广西电业，2007，89：71-72.