機車闖分相遠程報警裝置的研發

柳明宇

0 引言

在電氣化鐵路提速區段及新建高速鐵路，不同供電區段的接觸網之間的電分相均采用關節式分相，電力機車通過關節式分相時必須斷開機車主斷路器，若不斷電通過（俗稱機車闖分相），將引起電弧而發生接觸網燒傷、斷股現象。

當前的電力機車過分相斷電主要依靠司機手工斷電和地面磁感應自動斷電2種方式，但它們均不能保證電力機車進入和脫離過分相時可靠地斷開并閉合機車主斷路器，因此，機車闖分相引起的跳閘和承力索燒傷現象時有發生。為此，筆者開發了機車闖分相遠程報警裝置，它通過檢測關節式分相中的中性區段承力索上有無電流流過來判定是否發生了機車闖分相事件，并通過手機短信的方式提醒相關檢修人員及時巡視檢查，最大限度地避免或減少分相燒傷而引起斷線事故。

1 裝置設計原理

電力機車不斷開主斷路器進入關節式分相，當機車受電弓接觸不帶電的中性區段接觸線時，帶電的接觸線抬高成為非工作支，機車負荷電流將在帶電的非工作支接觸線和受電弓間產生電弧，由于電磁力作用及機車運動產生的空氣作用，電弧拉長并飄移到承力索上燃燒，造成分相處承力索燒傷。

通過對燒傷過程的分析，可以發現，發生燒傷時本來不載流的關節式分相中性區段有短路電流或負荷電流通過，即引起燒傷的電弧電流必然要經過關節式分相中性區段與電力機車構成回路。而當電力機車斷開主斷路器通過分相時不產生電流。因此，一旦檢測到關節式分相中性區段承力索上有電流通過，即可判斷發生了機車闖分相事故。

在七跨分相機車進入方向的轉換柱處的中性區段承力索上串聯一個硅橡膠絕緣子，絕緣子兩端通過引線連接到安裝在轉換柱上的電流互感器，實現檢測中心線導流的目的（圖1）。

在電流互感器二次側，使用單片機對電流進行采集判斷，若超過整定值就啟動短信模塊發送報警短信。當發生機車闖分相后向管轄段的生產調度發送手機短信（含峰值電流及持續時間），提示進行巡視檢查。

短信發送裝置的電源由蓄電池和太陽能電池板提供，該裝置安置于支柱上的防水箱內。

2 硬件設計

2.1 信號采集與調理

由于接觸網由承力索和接觸線并聯組成，且接觸線為主要導流部分，承力索中分流較小，因此，必須采用小變比的電流互感器。但是若發生相間短路時，短路電流非常大，因此，電流互感器高壓側線圈必須承受短路電流的沖擊。綜合考慮，決定采用 40/5的變比，高壓側采用特殊定制、線徑不小于25 mm2的銅線圈電流互感器。

圖1 加裝硅橡膠絕緣子的七跨分相燒傷部位示意圖

由電流互感器采集的電流信號不能直接進人單片機進行處理，需要進行適當處理，該裝置采用LCT1966進行信號處理，處理后的信號再由單片機進行模數轉換數據處理。

為延長電池使用壽命，降低系統功率，整個系統平時處于休眠模式，只有當發生機車闖分相時才由故障電流喚醒工作。為實現該種工作方式，高壓電流互感器二次側的電流回路串聯了 2個電流采樣微型互感器，一個負責連接LCT1966輸入端進行電流值采樣，另一個二次串聯 1 kΩ電阻，用來產生高電平，喚醒單片機進行工作。電流采樣部分電路如圖2所示。

圖2 電流采樣及喚醒電路接線圖

2.2 中央處理器部分

為了降低整個報警裝置的功耗，該報警裝置采用MSP430F2274單片機完成模數轉換、數據處理，電池管理及充電控制以及與短信報警模塊通信發出報警短信等功能。

2.3 短信報警部分

采用西門子TC35i工業短信模塊，為降低系統功耗，系統處于休眠模式時，通過繼電器切斷短信模塊的電源。

2.4 電源供電部分

為保證長期正常工作，該裝置采用太陽能電池加鋰電池組成供電系統，在白天太陽充足的時間段，由單片機控制太陽能電池對鋰電池進行充電。當夜晚或陰雨天氣時，由鋰電池供電。

3 軟件設計

該報警裝置軟件采用 C語言編寫，主要分為模數轉換，報警處理，短信模塊控制、電池充電管理等部分。該報警裝置主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

程序采用中斷方式運行，系統大部分時間處于休眠狀態，以便最大程度地節省電力，通過外部中斷進行故障電流采集及報警運算判斷，當電流大于報警整定值時，啟動通信程序，通過短信模塊發出報警短信。定時中斷程序每10 min中斷一次，采集太陽能電池的電壓，根據電壓高低判斷是否可以進行充電或停止充電。

4 結語

目前，該報警裝置已經研制成功，通過鄭州鐵路局科研成果鑒定，2011年12月27日在鄭州供電段五里堡分區亭上行分相掛網試運行。至 2012年6月30日，共發回闖分相預警2次，經檢查接觸線有非常輕微的燒傷痕跡，但足以說明該裝置發揮了正確的預警作用。