接觸網硬點檢測系統設計與實現

肖虎濤，許曉平

(昆明理工大學信息與自動化學院，昆明650500)

1 引言

改善接觸網的質量，創造良好的弓網環境，是電力機車高速行駛的前題，接觸硬點是接觸網系統的一大頑癥，特別是在高速度的條件下。怎么理解硬點并消除硬點的危害，很值得我們去分析研究。

2 接觸網硬點及其危害

接觸網是在電氣化鐵道中，沿鋼軌上空“之”字形架設的，供受電弓取流的高壓輸電線。

接觸硬點指的是接觸線與電力機車受電弓接觸力突然變化的點。也稱為接觸網硬點。如果硬點過大會對電力機車受電弓和接觸網造成機械傷害。因此，接觸硬點是造成機車受電弓離線的重要原因之一。

一旦機車受電弓離線，機車牽引電機、電器、受電弓、接觸網、牽引變壓器及供電系統都會受到危害。

2 接觸硬點產生的原因

接觸硬點的產生，按其形成原因，主要分為以下三類。

2.1 導線不平直產生的凸凹點

(1)導線死彎:施工或檢修時造成的。

(2)導線坡度變化:接觸網在特殊地理環境下，檢調不到位造成的。如線路與橋隧、站場與區間、聯接處及錨段關節處。

2.2 接觸網零部件、設備產生的硬點

(1)集中負荷:在分相、分段、導線接頭處、電連接線夾處、補強處等處，由于重量的突然增加，受電弓的接觸力容易突變;

(2)安裝缺陷:接觸線上的零部件安裝不規范，撞擊受電弓。

3 接觸網硬點檢測系統總體設計及原理

3.1 接觸網硬點檢測系統原理框圖

接觸網硬點檢測系統共包括三個大模塊，采集模塊，主控模塊，專家系統，詳細的模塊如圖1所示。

3.2 接觸網硬點檢測系統原理簡述

接觸網硬點對受電弓的作用過程，可以近似看作一次彈性碰撞過程。因為從機械上來說是沖擊力很大(約104牛頓數量級)，但時間很短(約為10-5秒數量級)的一個過程。

現行的用沖擊加速度G來考核硬點，如圖2即可知道加速度大小。并且定時上報給專家系統。專家系統在里程數據庫中相對應的地方標記。

圖1 接觸網硬點檢測系統框圖

各工區根據檢測車提供的硬點數據，現場確定硬點所在的位置范圍，即按照檢測車測出硬點的公里標前后查找。采用步行巡視的方法，觀看重點區段(硬點)接觸網與電力機車的弓網動態配合情況，最少觀察三趟電力機車通過，發現拉弧處后做好記錄，與檢測數據進行對比性和重合性分析，進一步確定硬點的相對準確位置。一般說來，接觸網硬點的查找依據檢測車檢測出的硬點數據進行復查找，動車組檢測硬點大于45g，普通車大于20g。測量中需按標準記錄各被測量點的接觸線導高數據，計算出相鄰定位點、吊弦點的接觸線高差。對數據進行認真分析，找出硬點的準確位置。

4 接觸網硬點檢測系統數據硬件設計

4.1 硬點加速度采集簡述

整個硬點加速度采集模塊結構如圖2所示。

加速度傳感器是采用美國精量電子(MEAS)的Model 4000A加速度傳感器，此傳感器采用第三代MEMS封裝技術，并且集成溫度補償和專用的抗干擾屏蔽線，非常適合惡劣的室外條件。輸出范圍正負200g，敏感度10mv/g。

圖2 硬點加速度采集原理框圖

放大電路采用兩片OP07A芯片組成的差分放大電路，如圖3。OP07A適用于要求高精度、低漂移、高可靠及抗靜電等信號處理的場合。其顯著特點:該器件具有優異的抗靜電能力，靜電放電損傷閾值電壓大于4000V，達到了國軍標Ⅲ級靜電敏感度要求，有更低的輸入失調電壓，典型值約為幾個μV，無需外調零;兩個運算放大器的參數一致性好。

圖3 硬點加速度信號放大電路

壓頻轉換采用常用的AD654芯片，是由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統和大電流輸出級組成。使用時只需一個RC網絡，就可以產生高達500KHz的任何滿量程頻率及-30V—30V的滿量程輸入。

高速光耦采用TOSHBIA的TLP181，能夠滿足中低頻信號的傳輸，并且能夠隔離前端干擾。詳細的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 硬點加速度傳感前端采集電路原理框圖

4.2 速度模塊采集簡述

速度模塊采用的傳感器DF16是上海德意達公司(shanghai DEUTA)引進德國DEUTA公司全套技術和主要部件組裝生產的光電式速度傳感器。它有單、雙、三及四通道輸出可供選擇。通過掃描光柵內、外軌道，傳感器可輸出兩種不同脈沖數的方波信號，內軌道每轉80個脈沖，外軌道每轉200個脈沖，各通道間彼此隔離，且帶有極性保護、輸出短路保護。

由于輪徑R已知，周長L=2ΠR，那么L/200即為單個脈沖所代表的距離，換句話說，速度傳感器每輸出一個脈沖，就代表列車行駛了L/200的距離，那么根據單位時間內脈沖數就可以輕松得到速度值了。

圖5 速度采集原理框圖

圖6 速度采集電路原理圖

5 接觸網硬點檢測系統軟件設計圖

5.1 專家系統軟件設計

專家系統軟件主要包括報表模塊，數據解析模塊，數據標定模塊，軟件公里標模塊。報表模塊負責將適時狀態進行輸出和保存;數據解析模塊主要負責解析主控板發送來的數據;軟件公里標模塊負責根據實際距離校準速度模塊上報的里程數據。

5.2 主控板軟件設計

主控板軟件主要分為上行和下行。上行方向指底層數據打包，通過網絡發送給專家系統，下行方向指專家系統下發系統開始及初始參數指令。

5.3 硬點加速度模塊軟件設計

硬點加速度模塊軟件流程圖如圖7所示。

6 模塊間通信需求及規則

6.1 速度模塊

通信格式暫時采用RS232端口。

參數:115200，n，8，1。

速度模塊發送數據部分(只發)。

速度模塊接收數據部分:詳見實時數據采集處理模塊。接收成功后返回信息。輪徑小于800mm將設為此條信息無效，返回數據02h(見表1)。

圖7 硬點數據模塊軟件流程圖

6.2 手持公里標調整模塊

端口:RS232;參數:115200，n，8，1

數據格式，如表2所示。

6.3 軟件公里標調整模塊

端口:10000;數據格式:同表2。

6.4 實時數據采集模塊

接收各模塊發送的數據，通過串口向速度模塊發送重新調整的公里標及輪徑，一直發送直到收到速度模塊返回接收成功信息01h為止。通過COM2接收手持式公里標調整模塊數據，并發送給速度模塊。同時接收軟件模擬公里標調整模塊數據，并發送給速度模塊。軟件模擬公里標調整模塊優先。

表1 速度模塊數據格式

表2 手持公里標調整模塊數據格式

端口:COM1;參數:115200，n，8，1

數據輸出格式，如圖3所示。

7 結束語

以上論述主要闡述了接觸硬點的概念及其產生的原因，給出了詳盡的解決方案和軟硬件設計。本系統的特點在于硬點信號捕獲采用光纖傳輸調制技術，確保及時可靠地測試硬點信號，采用先進的加速度傳感器，加速度傳感器測試數據，應用數據融合技術進行分析處理，確保檢測的數據真實有效，并進行綜合判斷。

表3 實時數據采集模塊

從理論上講，幾乎不可能從根本上消滅硬點，因為鐵路系統是一個非常龐大的系統，解決硬點問題必須方方面面都有非常嚴格的控制，包括接觸網的設計、施工的質量和后期的維護工作都是其中非常重要的因素。本文從檢測技術的角度出發提出了一種可行的實現方案，以改善鐵路運行環境。

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