阅读说明：本技术 一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统及方法 (Online monitoring and early warning system and method for contact line tension of catenary of railway contact network ) 是由 不公告发明人 于 2018-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统及方法,该监测系统包括张力采集装置、数据中心站和监控终端；张力采集装置包括旁压式张力传感器、微处理器模块、电源模块和装置结构外壳。张力采集装置安装在接触网承力索(或接触线)上,可以直接获取承力索(或接触线)的张力值并将故障诊断结果发送给运维人员。通过硬件控制功耗较大的旁压式张力传感器实现周期性采集张力值和减少业务数据无线传输的发送量,大大降低了张力采集装置的系统功耗。该装置结构简单、重量轻便,能够直接测量承力索(或接触线)的张力值,解决了现有技术中安装方式不便、无法诊断接触网张力补偿装置卡滞故障及电源供电可靠性较差等问题,具有较强的工程应用价值。(The invention relates to a railway contact net carrier cable contact line tension on-line monitoring and early warning system and a method thereof, wherein the monitoring system comprises a tension acquisition device, a data center station and a monitoring terminal; the tension collecting device comprises a side pressure type tension sensor, a microprocessor module, a power supply module and a device structure shell. The tension collecting device is arranged on a catenary (or a contact line) of the contact network, can directly obtain the tension value of the catenary (or the contact line) and sends a fault diagnosis result to operation and maintenance personnel. The side pressure type tension sensor with large power consumption is controlled by hardware to realize periodic tension value acquisition and reduce the sending amount of wireless transmission of service data, and the system power consumption of the tension acquisition device is greatly reduced. The device has simple structure and light weight, can directly measure the tension value of the carrier cable (or the contact wire), solves the problems that the installation mode is inconvenient, the clamping stagnation fault of the contact net tension compensation device cannot be diagnosed, the power supply reliability is poor and the like in the prior art, and has stronger engineering application value.)

一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及张力监测相关技术领域，特别是涉及一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统及方法，主要应用于铁路接触网承力索接触线张力的实时监测、诊断和故障预警。

背景技术

为了保证电气化铁路的安全运行，接触线与机车受电弓之间要保持稳定不间断的接触受流，因此需要接触网的线索张力时刻保持在稳定的状态。由于接触网工作在恶劣的野外环境，不仅外界气温的变化会影响接触线的工作状态，而且列车经过时对接触网巨大的冲击力会直接改变接触网的承力索、接触线张力，均会导致受流质量下降，容易引发弓网故障，危害接触网的安全运行。

目前，我国电气化铁路采取安装接触网张力补偿装置自动对接触网承力索、接触线张力进行补偿以保持接触网张力相对恒定。若接触网张力补偿装置发生卡滞、坠砣被盗或质量不良时，将造成接触网的线索张力过大或过小。当张力过大时，则容易发生断线事故，若有列车经过断线处所，断线缠绕列车，轻则造成故障范围扩大，重则导致接触网支柱变形或折断，甚至使列车脱线；当张力过小时，则造成接触线弛度变大，对弓网之间的准确受流产生不利影响，并容易引起接触线的严重磨损并过早达到服役期。因此，对接触网张力进行实时监测并进行故障预警对于保障铁路安全运行具有重要的意义。

专利申请号为201320854397.1的实用新型专利公开了一种接触网张力测量系统，包括对接触网张力进行测量的测量传感装置，该测量传感装置安装在接触网的接触线和/或承力索的下锚位置，该测量传感装置包括在朝向下锚位置的方向与接触线和/或承力索顺次连接的绝缘部和连杆，在连杆中设置有线夹框，在线夹框与连杆连接的位置处设置测量传感器。由于该测量传感装置安装在下锚位置与接触线绳索之间，所以需要断开接触线将测量传感装置接进去，破坏了原有接触网结构，安装不变且若测量传感装置质量不良时易引起较大的安全事故。专利申请号为201510036189.4的发明专利公开了一种基于GPRS的电气化铁路线索张力监测系统，其应用于供电系统接触网，包括：多个线索张力监测终端、一监测中心和一移动终端，每一线索张力监测终端均与监测中心和移动终端连接。由于该专利未详细公开线索张力监测终端张力传感器安装位置、张力测试原理，也未公开线索张力监测终端的结构等信息，因此难以根据本专利公开文件进行产品化。专利申请号为201620828264.0的实用新型专利公开了一种接触网锚段张力状态监测装置，包括支柱、控制盒与接触网张力补偿器，采用接触网张力补偿器坠坨上安装反射板，在接触网张力补偿器上方安装激光探头，激光探头和反射板对应设置，激光探头通过线路连接控制盒，控制盒设置电源装置；由于其无法直接测量接触网张力而是测量坠坨位移，所以当接触网张力补偿器发生卡滞时，无法进行诊断报警。此外，采用太阳能供电时太阳能电池板效率受阳光照射影响较大，连续阴雨天气极其容易导致系统因能量不足而无法正常工作的问题。

综上所述，现有接触网承力索张力监测技术主要存在以下问题：一是需要破坏原接触网线索结构，现场安装方式不便；二是基于坠坨位移测量原理的装置无法诊断接触网张力补偿装置发生的卡滞故障；三是太阳能供电方式受天气影响较大，连续阴雨天气可能导致系统失电而无法正常工作等问题。

发明内容

针对目前接触网承力索张力监测技术存在的安装方式不便、无法诊断接触网张力补偿装置卡滞故障及电源供电可靠性较差等问题，提出一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统及方法，实现接触网张力的在线监测及预警。

一种铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统，包括张力采集装置、数据中心站和监控终端；张力采集装置将现场数据上传至数据中心站，数据中心站对现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送至监控终端；张力采集装置与数据中心站连接，数据中心站与监控终端连接；张力采集装置安装于接触网承力索及接触线上，张力采集装置包括旁压式张力传感器、微处理器模块、电源模块和装置结构外壳；旁压式张力传感器夹紧承力索或接触线，微处理器模块包括变送器、单片机、电源开关电路和GPRS无线通信模块，且电路相连通；旁压式张力传感器的输出端与变送器的输入端电连接，电源开关电路的正极电源输入端与电源模块的正极电源输出端电连接，电源开关电路的正极电源输出端与旁压式张力传感器的正极电源输入端电连接，电源开关电路的开关控制端与单片机电连接；装置结构外壳外表面设有凹槽，凹槽内嵌有太阳能电池板；旁压式张力传感器、微处理器模块和电源模块固定在装置结构外壳的腔体内。

优选地，装置结构外壳包括腔体上盖，腔体下壳，螺栓；腔体上盖为底部开口的三棱柱型结构，腔体上盖底部开口处向内延伸形成第一连接部，腔体上盖中部两个矩形凹槽内嵌有太阳能电池板；腔体下壳为上部开口的半圆型结构，腔体下壳开口处向外延伸形成第二连接部；腔体上盖与腔体下壳中心开设有可穿过承力索或接触线的通孔；第一连接部与第二连接部设有相对应的螺纹孔，螺栓穿过第一连接部与第二连接部的螺纹孔将腔体上盖与腔体下壳固定连接。

优选地，腔体上盖包括上盖盖板和腔体上盖本体，上盖盖板通过螺钉可拆卸地与腔体上盖本体螺纹连接；腔体下壳包括下壳盖板和腔体下壳本体，下壳盖板通过螺钉可拆卸地与腔体下壳本体螺纹连接；腔体上盖本体设有嵌入太阳能电池板两个矩形凹槽，腔体上盖本体包括压条，压条将太阳能电池板固定在矩形凹槽内，压条底部与腔体上盖本体矩形凹槽内设有相对应的螺纹孔，压条通过螺钉可拆卸地与腔体上盖本体螺纹连接。

优选地，旁压式张力传感器包括夹紧部、结构本体和测量元件，夹紧部与结构本体可拆卸地螺纹连接；结构本体开设有接触网承力索(或接触线)通过的弧形导槽，夹紧部夹紧接触网承力索(或接触线)并使其接触结构本体的弧形导槽表面，测量元件感应接触网承力索(或接触线)的张力变化并经过电路转换后输出电信号。

优选地，电源模块包括太阳能电池板、充电模块和锂电池；太阳能电池板与充电模块电连接，充电模块与锂电池电连接。

优选地，单片机通过GPRS无线通信模块与数据中心站进行数据交互，数据中心站通过Internet与监控终端进行数据交互，监控终端控制单片机的工作模式，监控终端可对单片机进行远程系统升级。

使用上述铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统进行张力监测的方法，包括：

S110：张力采集装置检测并接收监控终端下发的张力采集时间间隔值、工况采集时间间隔值、工况包数和张力报警阈值指令参数；

S120：根据系统设定的张力采集时间间隔值，定时打开电源开关电路开关，旁压式张力传感器获取接触网承力索(或接触线)张力值，单片机对张力数据进行处理与存储，关闭电源开关电路开关；

S130：根据系统设定的张力报警阈值，判定获取的接触网承力索(或接触线)张力值是否超出张力报警阈值，若超出张力报警阈值，则将张力报警数据通过GPRS无线通信模块上传至数据中心站，数据中心站将诊断结果发送至监控终端，监控终端短信通知运维值班人员，执行步骤S140；若未超出张力报警阈值，执行步骤S140；

S140：根据系统设定的工况采集时间间隔值，单片机定时获取已存储的张力数据，工况包数计数增加一次，判定工况包数是否达到系统设定的工况包数，若达到系统设定的工况包数则将张力工况数据通过 GPRS无线通信模块上传至数据中心站，数据中心站将诊断结果发送至监控终端，返回步骤S120；若未达到系统设定的工况包数，返回步骤S120。

优选地，张力报警阈值包括最小值和最大值，获取的接触网承力索(或接触线)张力值小于最小值或大于最大值为超出张力报警阈值。

优选地，工况采集时间间隔值大于张力采集时间间隔值，张力采集时间间隔值为5分钟、工况采集时间间隔值为1小时、工况包数为24包，张力报警阈值包括最小值和最大值，最小值为10千牛，最大值为 30千牛。

附图说明

图1是本发明监测系统的示意性框图

图2是本发明张力采集装置的示意性框图

图3是本发明微处理器模块的示意性框图

图4是本发明电源模块的示意性框图

图5是本发明装置结构外壳的示意性框图

图6是本发明旁压式张力传感器的正视图

图7是本发明监测方法的示意性框图

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.张力采集装置；2.数据中心站；3.监控终端；110.旁压式张力传感器；120.微处理器模块；130.电源模块；140.装置结构外壳；111.变送器；122.单片机；123.电源开关电路；124.GPRS无线通信模块； 131.太阳能电池板；132.充电模块；133.锂电池；141.腔体上盖；101.第一连接部；102.螺纹孔；103. 压条；104.腔体上盖本体；105.上盖盖板；142.腔体下壳；201.第二连接部；202.腔体下壳本体；203. 下壳盖板；204.排水孔；143.螺栓；144.橡胶垫圈；111.夹紧部；112.结构本体；113.测量元件；114. 承力索。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明监测系统的示意性框图如图1所示。铁路接触网承力索接触线张力监测预警系统包括张力采集装置1、数据中心站2和监控终端3。张力采集装置1包括旁压式张力传感器110、微处理器模块120、电源模块130和装置结构外壳140，如图2所示。微处理器模块120包括变送器121、单片机122、电源开关电路123和GPRS无线通信模块124，如图4所示。旁压式张力传感器110将承力索(或接触线)的剪切力转换为垂直力并输出电信号，变送器121将旁压式张力传感器110输出的毫伏级信号进行放大，以提高信噪比，单片机122内部设有16位ADC可直接对变送器121的输出信号进行模数转换，得到张力数据采样值。单片机122通过GPRS无线通信模块124和数据中心站2进行数据通信。优选地，单片机122通过GPRS 无线通信模块124和数据中心站2与监控终端3建立连接，监控终端3控制单片机122的工作模式，监控终端3可对单片机122进行远程系统升级。

张力采集装置1安装于接触网承力索(或接触线)上，优选地，安装在接触网张力补偿装置荆轮至平衡轮之间的钢丝绳上，由于该部分和接触网高压侧绝缘，属于低电位，所以张力采集装置1的安装不影响铁路的安全运行；由于张力采集装置1安装在接触网承力索(或接触线)上，为减少对接触网张力补偿装置的损伤，因此张力采集装置1的重量不能太重，优选地，总重量不超过5千克。

装置结构外壳140外表面设有凹槽，凹槽内嵌有太阳能电池板；受张力采集装置1总重量的限制，电源模块130容量无法做到很大，也即太阳能电池板功率和配套使用的储能电池容量都较小，因此为保证装置能长时间工作，必须降低系统功耗。考虑接触网承力索(或接触线)张力在短时间内一般不会发生较大的改变，而旁压式张力传感器110功耗高达数百毫瓦，因此可定时打开和关闭旁压式张力传感器110的供电电源，以减少不必要的能量消耗。旁压式张力传感器110的供电电源控制通过电源开关电路123实现，具体为电源开关电路123的正极电源输入端与电源模块130的正极电源输出端连接，电源开关电路123的正极电源输出端与旁压式张力传感器110的正极电源输入端连接，电源开关电路123的开关控制端与单片机122连接，则通过单片机122定时控制电源开关电路123的导通与断开状态。电源模块130包括太阳能电池板131、充电模块132和锂电池133，如图4所示。太阳能电池板131功率为5瓦特，为充电模块132 提供直流电压，充电模块132为锂电池133充电，锂电池133为张力采集装置1各个模块供电。

本发明装置结构外壳的示意性框图如图5所示。装置结构外壳包括腔体上盖141，腔体下壳142，螺栓143，腔体上盖141边沿向内延伸形成第一连接部101，腔体上盖141两个矩形面内设有太阳能电池板 131，在第一连接部101的两端和腔体下壳142的第二连接部201对应开设有螺纹孔102，螺纹孔102贯穿第一连接部101和第二连接部201。螺栓143可以和螺纹孔102匹配使用，直接通过螺纹连接的方式将腔体上盖141和腔体下壳142固定在一起。太阳能电池板131可以通过玻璃胶固定在腔体上盖141的矩形凹槽内，但该方式不易将存在故障的太阳能电池板131拆卸，因此采用压条103将太阳能电池板131固定在腔体上盖141的矩形凹槽内，压条103顶部宽度略大于底部，呈倒立L型，顶部凸出部分遮挡太阳能电池板131边沿以起到固定作用，底部和腔体上盖141矩形凹槽对应设有螺纹孔，通过螺钉将压条103固定在腔体上盖141上。

优选地，腔体上盖141由腔体上盖本体104和上盖盖板105构成，腔体上盖本体104为腔体上盖141 除去上盖盖板105外的结构部分。腔体上盖本体104和上盖盖板105分别加工而成，上盖盖板105和腔体上盖本体104对应设置螺纹孔，可通过螺钉将上盖盖板105固定在腔体上盖本体104上。同样地，腔体下壳142由腔体下壳本体202和下壳盖板203，下壳盖板203和腔体下壳本体202对应设置螺纹孔，通过螺钉将下壳盖板203固定在腔体下壳本体202上。为了减少该装置对承力索接触部分的磨损，在该装置与承力索接触部分之间设置有橡胶垫圈144。橡胶垫圈144安装在腔体上盖141与腔体下壳142中心通孔和承力索之间，一方面可以起到减少装置对承力索的损伤，另一方面可以起到减震作用。

本发明旁压式张力传感器的正视图如图6所示。旁压式张力传感器110包括夹紧部111、结构本体112 和测量元件113，结构本体112开设有接触网承力索(或接触线)通过的弧形导槽，夹紧部111夹紧接触网承力索(或接触线)并使其接触结构本体112的弧形导槽表面，测量元件113感应接触网承力索(或接触线)的张力变化并经过电路转换后输出电信号。测量元件113利用具有压阻效应的半导体材料作为敏感元件，用ISO技术将半导体材料的敏感芯片封装在不锈钢波纹膜片的结构本体112中，在不锈钢波纹膜片和芯片之间充有硅油。

接触网承力索(或接触线)的张力作用于波纹膜片上使其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传递给半导体芯片。芯片受压后使其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片结构本体112受到压力并保护芯片。电阻信号的引线接入惠斯通电桥中。当敏感芯片没有外加压力作用时，电桥处于平衡状态(称为零位)当受压后芯片电阻发生变化，电桥失去平衡，在给电桥施加电压电源的情况下，电桥输出与压力对应的电信号并输出。

如前所述的铁路接触网承力索接触线张力在线监测预警系统的工作方法的示意性框图如图7所示，包括以下步骤：

S110：张力采集装置检测并接收监控终端下发的张力采集时间间隔值、工况采集时间间隔值、工况包数和张力报警阈值指令参数；

S120：根据系统设定的张力采集时间间隔值，定时打开电源开关电路开关，旁压式张力传感器获取接触网承力索(或接触线)张力值，单片机对张力数据进行处理与存储，关闭电源开关电路开关；

S130：根据系统设定的张力报警阈值，判定获取的接触网承力索(或接触线)张力值是否超出张力报警阈值，若超出张力报警阈值，则将张力报警数据通过GPRS无线通信模块上传至数据中心站，数据中心站将诊断结果发送至监控终端，监控终端短信通知运维值班人员，执行步骤S140；若未超出张力报警阈值，执行步骤S140；

S140：根据系统设定的工况采集时间间隔值，单片机定时获取已存储的张力数据，工况包数计数增加一次，判定工况包数是否达到系统设定的工况包数，若达到系统设定的工况包数则将张力工况数据通过 GPRS无线通信模块上传至数据中心站，数据中心站将诊断结果发送至监控终端，返回步骤S120；若未达到系统设定的工况包数，返回步骤S120。

在步骤S110中，通过在监控软件中设置相关指令参数下传至张力采集装置即可改变张力采集的周期，周期越长则旁压式张力传感器通电的时间就越长，从而能够减少锂电池的电量消耗。在设定时，工况采集时间间隔值大于张力采集时间间隔值，例如，张力采集时间间隔值为5分钟、工况采集时间间隔值为1小时、工况包数为24包，张力报警阈值包括最小值和最大值，最小值为10千牛，最大值为30千牛。

在步骤S130中，张力报警阈值包括最小值和最大值，获取的接触网承力索(或接触线)张力值小于最小值或大于最大值为超出张力报警阈值。

GPRS无线通信模块在发送数据时功率较大，幅值功率高达2瓦特，因此为降低其功率消耗，仅在检测到接触网承力索(或接触线)张力值异常或工况数据包数满足设定值时才向数据中心站发送业务数据，工况数据用于运维管理人员了解当前接触网承力索(或接触线)正常情况下张力值。采用该方式大大减少了数据的发送量，降低了GPR无线通信模块的功耗。张力采集装置的功耗主要分布在旁压式张力传感器和GPRS 无线通信模块，通过控制旁压式张力传感器工作的输入电源，周期性地采集张力数据，以及通过调整GPRS 无线通信模块的工作模式降低了张力采集装置的整机功耗，能够保证在太阳光照不足时，张力采集装置仍然能够正常工作。

以上所述实施例描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。