JP4716865B2 - 光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線に関する。

電気鉄道やクレ−ンの給電線として使用されるトロリ線は、走行する電車のパンタグラフやクレ−ンの受電部との摺動接触により、摩耗を受ける。特に電気鉄道の場合は、高速走行時の摺動接触であるとともに、大電流給電であり、トロリ線の摩耗の進行は速い。トロリ線自体の耐摩耗性を向上させることも、重要な技術的課題であるが、給電特性や耐環境特性の面から、比較的軟らかい金属である銅合金が適用されており、摩耗を完全に防止するには至っていない。トロリ線が磨耗を受けて有効断面積が小さくなった場合は、断線が生じやすいことになる。また、より硬いトロリ線など各種の改善技術が適用されているが、十分なものではなかった。

一旦、トロリ線が断線すると、列車停止、電気的災害や緊急復旧などが発生し、安全面やコスト面で多大の負担となる。したがって、現状では、トロリ線の摩耗状況を監視し、断線に至る前に張り替え作業が不可欠となっている。その摩耗状況監視方法としては、目視計測、レ−ザ光による計測、画像処理技術を利用した計測等様々な考案がなされている。しかしながら、これらの技術はいわば外的診断測定技術であり、長距離にわたるトロリ線の摩耗状況を知るには、人的および時間的コストは膨大になる。

近年、トロリ線自体にセンサを取り付け、トロリ線自体から摩耗状況を発信させるスマ−トストラクチャとしての技術が提案されている。光ファイバを使用して、トロリ線の温度や歪みを全線にわたり、且つ経時的に測定することによりトロリ線の摩耗状況を監視する技術である。この技術は、光ファイバの材質的安定性（材質が石英）および極めて小さい伝送損失（約０．３ｄＢ／ｋｍ）により長距離の測定が可能であり、電磁ノイズを受けず、光ファイバ自体がセンサとして働くので格別の配線を必要としない等により線分布測定が可能であることを利用している。

このようなトロリ線の摩耗判定方法として、トロリ線本体内の摩耗限界外に溝孔を設け、その溝孔に光ファイバ心線を収納させ、光ファイバの心線に光学式の温度分布測定装置や歪み分布測定装置を接続して、トロリ線本体の温度や歪みを測定して、トロリ線の通電電流の制御や異常検出に利用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

トロリ線と一体的に固定された光ファイバに光パルスを入射し、トロリ線の歪み量に比例する光ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量を検出することにより、トロリ線の摩耗を判定する技術、さらにブリルアン散乱光の周波数シフト量の温度依存性を補正する技術がある（例えば、特許文献２参照）。

また、光ファイバ複合トロリ線を用いた摩耗検知方法として、ＦＢＧセンサをトロリ線本体内の小弧面部に取り付けて歪みを検知し、トロリ線の摩耗判定に適用する技術がある（例えば、特許文献３参照）。

さらに、光ファイバ入りトロリ線の製造法として、導体からなるトロリ線本体に、このトロリ線本体内に配置する光ファイバの外径より大きい幅の開口部を有する溝を形成し、この開口部に一定張力を印加した光ファイバを引き込み、前記開口部を閉じる技術がある（例えば、特許文献４参照）。
特開２００５−１４９５号公報（段落［００１４］、［００１７］図１および図４） 特開２００５−３７３６２号公報（段落［０００９］および図１） 特開２００５−１３２２７７号公報（段落［００１７］、［００１９］および図１） 特開２００５−１４９４号公報（段落［０００９］および図１）

前記特許文献１〜４に示されているように、光ファイバを利用した線分布測定技術はそれまでの外的診断測定技術の欠点を克服し、トロリ線の摩耗監視システムとしては画期的なものである。特にトロリ線本体内に光ファイバを収納することは、布設現場における飛来物による破損防止策としては有効である。しかし、実際の工業的適用においては、解決すべき課題があった。すなわち、トロリ線本体内の摩耗限界外（小弧面部を含む）に光ファイバ収納用の溝を設けた場合、溝に雨水等が溜まり、雨水等による光ファイバの伝送損失が増加する。また、トロリ線の溝の開口部を閉じることにより、光ファイバを把持すると側圧が不均一に生じる場合があり、伝送損失が増加すると共に、光ファイバに局部的な歪みが発生する場合がある。さらに、光ファイバの把持力がトロリ線の長期間の腐食進行により小さくなり、トロリ線本体に大きな伸び歪みが発生した場合に光ファイバとトロリ線との間でスリップが生じる。

伝送損失が増加すると、ブルリアン後方散乱光の強度が低下し、測定器の最小光感度以下となってしまう。その結果、所要の測定精度で歪み測定できる区間が短くなる。光ファイバの局部的な歪み発生は、本来測定したいトロリ線の摩耗による歪み値の外乱要因となる。トロリ線の長期間の腐食進行がもたらす光ファイバの把持力低下により、トロリ線の大きな摩耗による歪み値の測定が困難となる。実際の工業的適用においては、長い区間において、長期間の精度の高い歪み測定（トロリ線の摩耗状況）は困難である。

この発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、長い区間および長期間にわたり高精度でトロリ線の摩耗を検出することができる光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線を提供することである。

この発明は上記課題を解決するものであって、
（１）この発明の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線は、光ファイバ歪みセンサが,トロリ線長手方向に沿って延びるセンサ収納溝内に収納され、光ファイバが金属管に負余長状態で間隙をもって内包されており、前記金属管が張力を付与された状態でトロリ線本体に固定されている光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記光ファイバが前記金属管にこれの長手方向に距離を置いて間欠的に固定されていることを特徴としている。
（２）前記（１）の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記金属管がこれの長手方向に距離を置いて間欠的に縮径されて前記光ファイバが金属管に固定されている。
（３）前記（１）又は（２）の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記金属管が前記トロリ線本体にこれの長手方向に距離を置いて間欠的に固定されている。
（４）前記（３）の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記金属管が前記トロリ線本体にこれの長手方向に距離を置き間欠的に、かつ前記縮径箇所以外の位置で溶接により固定されている。
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１項の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記金属管が前記トロリ線本体と同材質である。
（６）前記（１）〜（５）のいずれか１項の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記センサ収納溝が有機系樹脂で密封されている。

この発明の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線は、光ファイバが金属管に隙間をもって内包されているので、雨水、大気中の水分、光ファイバの側圧不均一などによる伝送損失増加が防がれ、長い区間にわたり高い精度でトロリ線の摩耗を検出することができる。また、トロリ線の長期間の腐食進行がもたらす光ファイバの把持力低下により、トロリ線の大きな摩耗による歪み値の測定が困難になることも防止できる。光ファイバが金属管で保護されるので、光ファイバ歪みセンサはトロリ線の摩耗限界期間以上の長期間にわたり確実にトロリ線の摩耗量を所要の精度で測定することができる。さらに、光ファイバが金属管に負余長状態で内包されているとともに、金属管が張力を付与された状態でトロリ線本体に固定されているので、歪み検出のほぼ１００％の初期感度を得ることができる。また、光ファイバの局部的な歪み発生を避け、本来測定したいトロリ線の摩耗による歪み値の外乱を防ぐことができる。

また、光ファイバが金属管にこれの長手方向に距離を置いて間欠的に固定されたものでは、トロリ線本体の摩耗で生じた局所的な大きな伸び歪みによるセンサの破壊を防止することができる。

図１はこの発明の最良の一形態を示すもので、光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線の一部拡大斜視図である。光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線１（以下、光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線をトロリ線という）は、トロリ線本体１０と光ファイバ歪みセンサ２０とからなっている。

トロリ線本体１０は、円形断面の頂部寄りの両側面がＶ字形に切り欠かかれて、ハンガー取付け溝１２が形成されている。トロリ線１、ハンガー取付け溝１２にハンガーの爪が引っ掛けられて、吊架線（いずれも図示しない）から吊り下げられる。トロリ線本体１０の頂部にはＵ字形のセンサ収納溝１４が設けられており、センサ収納溝１４に光ファイバ歪みセンサ２０が挿入されている。トロリ線１は、外径が５〜３０ｍｍ、全長が５〜５００ｍ程度である。

光ファイバ歪みセンサ２０は、光ファイバ２２および光ファイバを内包する金属管２４とからなっている。光ファイバ２２は、シングルモ−ド型の光ファイバ心線である。光ファイバ２２は、金属管２４に負余長状態（張力無負荷の状態で、光ファイバはこれを内包する金属管より短い）で内包され、張力を付与された状態で金属管２４に固定されている。光ファイバ２２に張力を付与するには、光ファイバ２２に張力を加えた状態で金属管２４に挿入し、固定する。固定方法として、かしめ、接着材（常温硬化型樹脂、または熱硬化型樹脂）による方法があり、金属管の長手方向に一定の距離を置いて固定（間欠固定）することが好ましい。負余長率およびは間欠的固定の間隔は、歪み検出精度および歪み検出位置までの距離の分解能により決める。例えば、負余長率は、−０．１〜−０．５％、張力の大きさは１〜２００Ｎ、間欠固定の間隔は１００〜４０００ｍｍ程度である。光ファイバへの張力付与により、歪み検出の、所要の初期感度を得ることができる。光ファイバの間欠固定により、トロリ線本体１０の摩耗で生じた局所的な大きな伸び歪みにより、光ファイバ歪みセンサ２０が破壊するのを防止することができる。

図２は、かしめにより間欠的に固定した例を模式的に示している。かしめの間隔Ａは、上述のように１００〜４０００ｍｍ程度であり、かしめ幅Ｂは１〜１０ｍｍ、かしめ部厚みｔは０．２〜２ｍｍ程度である。かしめには、ダイスおよびポンチを用いる。

金属管２４は、銅、ステンレス鋼、インコロイその他耐食性に優れた金属からなっている。局部的電池作用や異種金属接触による腐食を防止する点から、金属管２４の材料はとトロリ線本体１０のものと同じ材料とすることが好ましい。金属管２４の外径は例えば ０．８〜４ｍｍ、内径は０．３〜３．５ｍｍである。

センサ収納溝１４の溝幅は、光ファイバ歪みセンサ２０の金属管２４の外径よりわずかに狭くなっている。金属管２４をセンサ収納溝１４にダイスまたはローラにより押し込み、光ファイバ歪みセンサをトロリ線本体１０に固定する。金属管２４と前記トロリ線本体１０とをトロリ線長手方向に一定の距離を置いて固定することが好ましい。この間欠固定の間隔は、例えば１００〜４０００ｍｍ程度である。また、間欠固定には、レーザ、ティグまたはプラズマ溶接が用いられる。金属管２４が縮径されている場合、溶接熱による光ファイバ２２の破損を避けるために、縮径部以外で溶接する。

図３は、光ファイバ２２がかしめにより間欠固定され、金属管２４が溶接によりセンサ収納溝１４内に収納され、溶接固定された例を示している。図３（ａ）はかしめ部以外の部分、図３（ｂ）はかしめ部近くで溶接ｗされた部分、図３（ｃ）はかしめの中心部分２６をそれぞれ示している。

図４に示す光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線では、センサ収納溝２４内に雨水が浸入する。トロリ線本体１０または金属管２４の腐食を防止する点から、センサ収納溝２４をシール材３０で密封している。シール材として、シリコン、ポリエチレン、塩化ビニルなどの有機系樹脂があり、またセラミック含有有機系樹脂であってもよい。

この発明の最良の一形態を示すもので、光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線の一部拡大斜視図である。 光ファイバがかしめにより金属管に間欠固定された例を示す断面図である。 光ファイバがかしめにより間欠固定され、金属管が溶接によりセンサ収納溝内に収納され、溶接固定された例を示す光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線の断面図である。 センサ収納溝が有機系樹脂で密封されている例を示す光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線の断面図である。

符号の説明

１ 光ファイバ入りトロリ線 １０ トロリ線本体
１２ ハンガー取付け溝 １４ センサ収納溝
２０ 光ファイバ歪みセンサ ２２ 光ファイバ
２４ 金属管 ２６ かしめ部
３０ シール材

Claims (6)

1. 光ファイバ歪みセンサが,トロリ線長手方向に沿って延びるセンサ収納溝内に収納され、光ファイバが金属管に負余長状態で間隙をもって内包されており、前記金属管が張力を付与された状態でトロリ線本体に固定されている光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線において、前記光ファイバが前記金属管にこれの長手方向に距離を置いて間欠的に固定されていることを特徴とする光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。
2. 前記金属管がこれの長手方向に距離を置いて間欠的に縮径されて前記光ファイバが金属管に固定されている請求項１記載の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。
3. 前記金属管が前記トロリ線本体にこれの長手方向に距離を置いて間欠的に固定されている請求項１又は請求項２記載の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。
4. 前記金属管が前記トロリ線本体にこれの長手方向に距離を置き間欠的に、かつ前記縮径箇所以外の位置で溶接により固定されている請求項２記載の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。
5. 前記金属管が前記トロリ線本体と同材質である請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。
6. 前記センサ収納溝が有機系樹脂で密封されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバ歪みセンサ入りトロリ線。

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