CN113253061A - 贯通地线的监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种贯通地线的监测系统和方法，包括以下步骤：监测信号线是否断裂；当监测到所述信号线断裂时，采用光脉冲信号检测反射点与注入端的距离，跟据该距离与光纤总长度的关系确定贯通地线是否断裂，以及断裂点的位置，由于光纤具有抗电磁干扰能力，光在断裂点的反射光信号衰减小、提取难度低，距离测量精度和测量距离均高于行波法，断点定位准确度高，操作简单易行。

Description

贯通地线的监测方法和系统

技术领域

本申请属于电气化铁路技术领域，尤其涉及一种贯通地线的监测方法和系统。

背景技术

我国铁路建设举世瞩目，成绩斐然。随着高速铁路里程的增加，铁路电力供电系统的安全、良好运行不能不受到高度重视。作为高速铁路配电网，为高速铁路沿线的行车信号设备、通信设备、车站生产、生活及供水系统等提供电力保障。在系统供电线路故障时能否及时隔离故障、排除故障，关系着铁路的运营安全。

贯通线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，发生故障后一般不能通过直观法直接发现故障点，严重影响铁路系统的安全运行。

行波法是在电磁波传播理论的基础上发展而来的，主要是根据测量点和故障点行波传播所用的时间，利用行波在电缆中的传播速度计算出两者间的距离，然后再确定故障发生的位置，行波法主要包括：单端法、双端法和高频脉冲法。单端法是利用故障点产生的行波在测量点和故障点往返一次的时间来计算出故障点的位置；双端法是利用故障点产生的行波分别向故障点两端传播，根据到达两端的时间差计算故障点的位置；高频脉冲法是在电缆一端加脉冲信号，该脉冲会在故障处产生反射和折射，通过检测反射波到达的时间来计算故障点的位置。目前的行波法测距存在下列缺点：置于贯通地线中的信号线行波衰减很快，检测距离较短；行波信号容易受到贯通地线中的回流及环境电磁干扰，信号提取难度较大。

发明内容

本申请的目的在于提供一种贯通地线的监测系统和方法，旨在解决传统的贯通地线的监测方法检测距离短，信号提取难度大的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种贯通地线的监测方法，所述贯通地线内部设置有信号线和光纤，所述监测方法包括：

监测信号线是否断裂；

当监测到所述信号线断裂时，经所述光纤的信号输入端发送光信号；

当接收到所述光信号的反射信号时，基于所述光信号的发送时间和所述反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，所述光纤断点长度为所述光信号的反射点至所述信号输入端的光纤长度；

基于断点计算公式计算断点至所述信号输入端的贯通地线长度，以确定所述断点的位置；

其中，所述断点计算公式为：

D’=D*(L’-S’)/(L-S)；

其中，D’表示所述断点至所述信号输入端的贯通地线长度，D表示所述贯通地线的实际总长度，L’表示所述光纤断点长度，S’表示所述断点至所述信号输入端之间的光纤盘留长度，L表示正常状态下所述光纤的信号输入端至信号输出端的光纤长度，S表示正常状态下所述光纤的光纤盘留长度。

在其中一个实施例中，所述监测信号线是否断裂包括：

给所述信号线施加直流电压；

检测所述信号线的参数，并根据所述参数确定所述贯通地线是否断裂。

在其中一个实施例中，所述信号线为双绞线，所述双绞线的两根导体的一端短接，所述两根导体的另一端施加所述直流电压。

在其中一个实施例中，所述贯通地线包括回流线、所述信号线、所述光纤以及包覆在所述贯通地线表面的土壤接合层。

在其中一个实施例中，所述贯通地线还包括抗拉加强线，所述抗拉加强线作为所述回流线的线芯和/或与所述回流线相互平行、编织成型或相互绞合。

在其中一个实施例中，所述贯通地线还包括包覆在所述回流线外表面的导电隔离层。

在其中一个实施例中，所述贯通地线内还填充有用于扩径的填充物。

本申请实施例的第二方面提供了一种贯通地线的监测系统，所述贯通地线内部设置有信号线和光纤，所述监测系统包括：

断裂监测装置，用于监测信号线是否断裂；

断点定位装置，当监测到所述信号线断裂时，用于经所述光纤的信号输入端发送光信号；当接收到所述光信号的反射信号时，还用于基于所述光信号的发送时间和所述反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，所述光纤断点长度为所述光信号的反射点至所述信号输入端的光纤长度；还用于基于断点计算公式计算断点至所述信号输入端的贯通地线长度，以确定所述断点的位置；

其中，所述断点计算公式为：

D’=D×(L’-S’)/(L-S)；

其中，D’表示所述断点至所述信号输入端的贯通地线长度，D表示所述贯通地线的实际总长度，L’表示所述光纤断点长度，S’表示所述断点至所述信号输入端之间的光纤盘留长度，L表示正常状态下所述光纤的信号输入端至信号输出端的光纤长度，S表示正常状态下所述光纤的光纤盘留长度。

在其中一个实施例中，所述断裂监测装置包括：

电源模块，用于给所述信号线施加直流电压；

检测模块，用于检测所述信号线的参数，并根据所述参数确定所述贯通地线是否断裂。

在其中一个实施例中，所述信号线为双绞线，所述双绞线的两根导体的一端短接，所述两根导体的另一端施加所述直流电压。

在其中一个实施例中，所述贯通地线包括回流线、所述信号线、所述光纤以及包覆在所述贯通地线表面的土壤接合层。

在其中一个实施例中，所述贯通地线还包括抗拉加强线，所述抗拉加强线作为所述回流线的线芯和/或与所述回流线相互平行、编织成型或相互绞合。

在其中一个实施例中，所述贯通地线还包括包覆在所述回流线外表面的导电隔离层。

在其中一个实施例中，所述贯通地线内还填充有用于扩径的填充物。

上述的贯通地线的监测系统和方法，先监测到断点故障后，再采用光脉冲信号检测反射点与注入端的距离，跟据该距离与光纤总长度的关系确定贯通地线是否断裂，以及断裂点的位置，由于光纤具有抗电磁干扰能力，光在断裂点的反射光信号衰减小，提取难度低，距离测量精度和测量距离均高于行波法，断点和定位两种结合使用，原理逻辑清晰，断点定位准确度高，操作简单易行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一提供的贯通地线的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的贯通地线的结构示意图；

图3为本申请实施例一提供的回流线的结构示意图；

图4为本申请实施例二提供的回流线的结构示意图；

图5为本申请实施例三提供的贯通地线的结构示意图；

图6为本申请实施例四提供的贯通地线的结构示意图；

图7为本申请实施例五提供的贯通地线的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的贯通地线的监测方法的流程图；

图9为本申请实施例提供的贯通地线的监测系统的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1和图2示出了本申请两个实施例提供的贯通地线10的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一个实施例中，贯通地线10包括防腐回流线11、抗拉加强线12和土壤接合层13，土壤接合层13包覆在贯通地线10的外表面，将防腐回流线11、抗拉加强线12包覆在内。抗拉加强线12可以是防腐回流线11的线芯，也可以与防腐回流线11相互独立呈相互平行、编织成型或相互绞合状，也可以兼有。

请参阅图3，防腐回流线11由内至外包括：金属导线112、包覆在金属导线112之外的导电隔离层114以及包覆导电隔离层114之外的导电保护层116，请参阅图4，可选地，金属导线112内还可以布置抗拉加强线12作为线芯。在一些实施例中，贯通地线10中可以包含是1根或数根呈相互平行、编织成型或相互绞合状布置的防腐回流线11。比如，图1实施例提供的贯通地线10中采用1根图4示出的防腐回流线11，图2提供的贯通地线10中采用多根图3或图4示出的防腐回流线11。

导电隔离层114由高分子材料经导电性改性制成，如碳纳米管掺杂改性的粘胶，完整包覆在金属导线112表面，用于将土壤中的电解质与金属导线112隔离，保护金属导线112免受电解腐蚀的同时，不影响金属导线112中的电流向土壤疏散。

导电保护层116由导电耐腐材料制成，如石墨等，完整包覆在导电隔离层114外表面，保护导电隔离层114免受外力损伤。

抗拉加强线12由高强度抗拉材料制作而成，如碳纤维、钢丝等，作为线芯布置在防腐回流线11中，或布置在防腐回流线11与土壤接合层13之间，与防腐回流线11呈相互平行、编织成型或相互绞合状布置，具体可以是1根（参见图1）或数根（参见图2），用于提高贯通地线10的抗拉强度。

土壤接合层13由导电耐腐材料制成，如石墨等，采用编织方式将在1根或数根防腐回流线11、抗拉加强线12完整包裹。可选地，土壤接合层13编织形成的网孔状，使得表面有利于提高贯通地线10与土壤的结合性，降低贯通地线10的接地电阻，并提高散热能力。

请参阅图5至图7，贯通地线10还包括光纤14，光纤14置于防腐回流线11中，或置于抗拉加强线12中，或置于抗拉加强线12、防腐回流线11和土壤接合层13之间，光纤14一般设置1根，当然也可以设置数根，用于检测贯通地线10断裂点位置。

请参阅图5至图7，贯通地线10还包含信号线15，由绝缘导线制成，比如双绞线。信号线15置于防腐回流线11中，或置于抗拉加强线12中，或置于抗拉加强线12、防腐回流线11和土壤接合层13之间，用于检测贯通地线10是否存在断裂情况。信号线15一般设置1根（参见图5），当然也可以设置数根（参见图6、图7）。

请参阅图7，可选地，在一些实施例中，贯通地线10还包含用于扩径的填充物16，填充物16由耐腐材料制成，如石墨等，置于土壤接合层13与防腐回流线11之间，用于增加土壤接合层13的外径，从而增加土壤接合层13的表面积，降低贯通地线10的接地电阻，并提高散热能力。图7示出的填充物16是填充在贯通地线10的中轴线上，可替换地，也可以填充在边沿上。

本申请中，土壤接合层13采用的编织方式，以及将大截面积的导体分成数根防腐回流线11，降低了贯通地线10的刚度，有利于敷设施工；另外，土壤接合层13采用的编织方式形成的网孔状表面，明显增加了贯通地线与土壤的结合面积，从而增强与土壤的结合性；并且，将大截面积的导体分成数根防腐回流线11，增加了导体的散热面积，网孔状的土壤接合层13又增加贯通地线10与土壤的散热面积，散热面积的增加有利于提高贯通。

图8示出了本申请实施例提供的贯通地线的监测方法的流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

请参阅图5~图9，贯通地线10内部设置有信号线15和光纤14，贯通地线的监测方法包括以下步骤：

步骤S110，监测信号线是否断裂。

具体地，给信号线15施加直流电压；然后检测信号线15的参数，并根据参数确定贯通地线10是否断裂。其中该参数可以是回路电阻，也可以是电流。以信号线15的电参数为判据，比如，如果出现断点（即断裂点）142，那回路电阻会变为无限大，或者大于正常的典型值，而回路电流应该为0，或者小于正常的典型值。对于是否存在断点142的判断准确性高，方法易实施，设备运行与维护成本低。

步骤S120，当监测到所述信号线断裂时，经所述光纤14的信号输入端发送光信号。

具体地，可以采用光时域反射仪向光纤14的信号输入端141发送光信号。

步骤S130，当接收到所述光信号的反射信号时，基于所述光信号的发送时间和所述反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，所述光纤断点长度为所述光信号的反射点至所述信号输入端的光纤长度。

可以理解的是，在光纤14存在断点142的情形下，该反射点即该离信号输入端141最近的断点142，如果光纤14不存在断点142的情形下，该反射点为光纤14的信号输出端143，即光纤14的尾端。

步骤S140，基于断点计算公式计算断点至所述信号输入端141的贯通地线长度，以确定所述断点142的位置；

其中，断点计算公式为：D’=D*(L’-S’)/(L-S)。

其中，D’表示断点142至信号输入端141的贯通地线长度，D表示贯通地线10的实际总长度，L’表示光纤断点长度，S’表示断点142至信号输入端141之间的光纤盘留长度，L表示正常（即不存在断裂）状态下光纤14的信号输入端141至信号输出端143的光纤长度，即光纤的实际总长度，S表示正常状态下光纤14的光纤盘留长度。光纤长度L可以根据所铺设的贯通地线10的长度直接得到，也可以在贯通地线10正常时利用利用上述方式测得。

请参阅图9，需要说明的是，光纤盘留长度是贯通地线10在铺设时，贯通地线10的接驳处，或者光纤14的接驳处，为让光纤14的长度留有冗余而将预留部分光纤14置于贯通地线10之外并盘绕的部分的光纤14的长处。在正常状态下光纤14的光纤盘留长度S是光纤总长度L上，断点142至信号输入端141之间的光纤盘留长度S’和断点142至信号输出端143之间的光纤盘留长度S’’之和。

需要说明的是，可以采用例如单片机等控制器执行相应的软件程序实施断点计算公式进行计算，也可以是人工计算。

采用光（脉冲）信号检测反射点142至信号输入端141的距离，跟该反射点142至信号输入端141的距离小与光纤总长度L时，确定贯通地线10存在断裂，并根据该距离也能够确定断点142的位置，由于光纤14具有抗电磁干扰能力，光在断点142的反射光信号衰减小，测量精度和测量距离均高于行波法，断点定位准确度高，操作简单易行。

可选地，在确定贯通地线10断裂时断裂监测装置200可以发出警报，便于维护人员检修，避免出现有害风险。

可选地，确定断点的位置可以采用带有全球导航卫星系统的装置根据上述计算给出的数据对贯通地线10的断裂点位置进行导航定位。当然，也可以用人工定位。

可选地，信号线15为双绞线，双绞线的两根导体的一端短接，两根导体的另一端施加直流电压，对于数十公里长的贯通地线，信号线15采用双绞线，一方面可避免贯通地线10中的回流及环境电磁干扰，提高信号线15回路电阻测量的准确性。另一方面降低信号线15的回路电感，降低回路电阻监测仪的电源功率。

图9示出了本申请实施例提供的贯通地线的监测方法的流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种贯通地线的监测系统，贯通地线10内部设置有信号线15和光纤14，监测系统包括断裂监测装置100和断点定位装置200

断裂监测装置100用于监测信号线15是否断裂。断裂监测装置100比如为回路电阻监测仪，给信号线15施加直流电压；然后检测信号线15的参数，并根据参数确定贯通地线10是否断裂。其中该参数可以是回路电阻，也可以是电流。以信号线15的电参数为判据，比如，如果出现断点（即断裂点）142，那回路电阻会变为无限大，或者大于正常的典型值，而回路电流应该为0，或者小于正常的典型值。对于是否存在断点142的判断准确性高，方法易实施，设备运行与维护成本低。

可选地，信号线15为双绞线，断裂监测装置100包括电源模块和检测模块，断裂监测装置100通过两个端口分别连接信号线15的两端，电源模块给信号线15施加直流电压，检测模块检测回路参数。信号线15为双绞线，双绞线的两根导体的一端短接，两根导体的另一端施加直流电压，其中，与断裂监测装置100通过两个端口分别连接两端即两根导体的另一端。

断点定位装置200可以采用光时域反射仪。当监测到信号线15断裂时，断点定位装置200用于经光纤14的信号输入端141发送光信号；当接收到光信号的反射信号时，还用于基于光信号的发送时间和反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，光纤断点长度为光信号的反射点142至信号输入端141的光纤长度；可以理解的是，在光纤14存在断点142的情形下，该反射点即该离信号输入端141最近的断点142，如果光纤14不存在断点142的情形下，该反射点为光纤14的信号输出端143，即光纤14的尾端。

断点定位装置200还用于基于断点计算公式计算断点至信号输入端141的贯通地线长度，以确定断点142的位置；

其中，断点计算公式为：

D’=D*(L’-S’)/(L-S)；

其中，D’表示断点142至信号输入端141的贯通地线长度，D表示贯通地线10的实际总长度，L’表示光纤断点长度，S’表示断点142至信号输入端141之间的光纤盘留长度，L表示正常（即不存在断裂）状态下光纤的信号输入端141至信号输出端143的光纤长度，即光纤的实际总长度，S表示正常状态下光纤的光纤盘留长度。

请参阅图9，需要说明的是，光纤盘留长度是贯通地线10在铺设时，贯通地线10的接驳处，或者光纤14的接驳处，为让光纤14的长度留有冗余而将预留部分光纤14置于贯通地线10之外并盘绕的部分的光纤14的长处。在正常状态下光纤14的光纤盘留长度S是光纤总长度L上，断点142至信号输入端141之间的光纤盘留长度S’和断点142至信号输出端143之间的光纤盘留长度S’’之和。

贯通地线的监测系统的具体详细实施方式请参考监测方法的具体说明，在这里不在赘述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种贯通地线的监测方法，其特征在于，所述贯通地线内部设置有信号线和光纤，所述监测方法包括：

监测信号线是否断裂；

当监测到所述信号线断裂时，经所述光纤的信号输入端发送光信号；

当接收到所述光信号的反射信号时，基于所述光信号的发送时间和所述反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，所述光纤断点长度为所述光信号的反射点至所述信号输入端的光纤长度；

基于断点计算公式计算断点至所述信号输入端的贯通地线长度，以确定所述断点的位置；

其中，所述断点计算公式为：

D’=D*(L’-S’)/(L-S)；

其中，D’表示所述断点至所述信号输入端的贯通地线长度，D表示所述贯通地线的实际总长度，L’表示所述光纤断点长度，S’表示所述断点至所述信号输入端之间的光纤盘留长度，L表示正常状态下所述光纤的信号输入端至信号输出端的光纤长度，S表示正常状态下所述光纤的光纤盘留长度。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述监测信号线是否断裂，包括：

给所述信号线施加直流电压；

检测所述信号线的参数，并根据所述参数确定所述贯通地线是否断裂。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述信号线为双绞线，所述双绞线的两根导体的一端短接，所述两根导体的另一端施加所述直流电压。

4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述贯通地线还包括回流线，以及包覆在所述贯通地线外表面的土壤接合层。

5.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述贯通地线还包括抗拉加强线，所述抗拉加强线作为所述回流线的线芯和/或与所述回流线相互平行、编织成型或相互绞合。

6.如权利要求4或5所述的监测方法，其特征在于，所述贯通地线还包括包覆在所述回流线外表面的导电隔离层。

7.如权利要求4或5所述的监测方法，其特征在于，所述贯通地线内还填充有用于扩径的填充物。

8.一种贯通地线的监测系统，其特征在于，所述贯通地线内部设置有信号线和光纤，所述监测系统包括：

断裂监测装置，用于监测信号线是否断裂；

断点定位装置，当监测到所述信号线断裂时，用于经所述光纤的信号输入端发送光信号；当接收到所述光信号的反射信号时，还用于基于所述光信号的发送时间和所述反射信号的接收时间确定光纤断点长度，其中，所述光纤断点长度为所述光信号的反射点至所述信号输入端的光纤长度；还用于基于断点计算公式计算断点至所述信号输入端的贯通地线长度，以确定所述断点的位置；

其中，所述断点计算公式为：

D’=D*(L’-S’)/(L-S)；

其中，D’表示所述断点至所述信号输入端的贯通地线长度，D表示所述贯通地线的实际总长度，L’表示所述光纤断点长度，S’表示所述断点至所述信号输入端之间的光纤盘留长度，L表示正常状态下所述光纤的信号输入端至信号输出端的光纤长度，S表示正常状态下所述光纤的光纤盘留长度。

9.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于，所述断裂监测装置包括：

电源模块，用于给所述信号线施加直流电压；

检测模块，用于检测所述信号线的参数，并根据所述参数确定所述贯通地线是否断裂。

10.如权利要求9所述的监测系统，其特征在于，所述信号线为双绞线，所述双绞线的两根导体的一端短接，所述两根导体的另一端施加所述直流电压。

11.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于，所述贯通地线包括回流线、所述信号线、所述光纤以及包覆在所述贯通地线表面的土壤接合层。

12.如权利要求11所述的监测系统，其特征在于，所述贯通地线还包括抗拉加强线，所述抗拉加强线作为所述回流线的线芯和/或与所述回流线相互平行、编织成型或相互绞合。

13.如权利要求11或12所述的监测系统，其特征在于，所述贯通地线还包括包覆在所述回流线外表面的导电隔离层。

14.如权利要求11或12所述的监测系统，其特征在于，所述贯通地线内还填充有用于扩径的填充物。

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