電氣化區(qū)段牽引電流檢測記錄儀的設(shè)計(jì)

韓 龍，景利學(xué)，王 佳

（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國電氣化鐵路的迅速發(fā)展，列車重量以及列車速度不斷增加與提高，電力牽引電流也隨之增加，牽引電流對信號(hào)設(shè)備造成的影響與干擾也逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)設(shè)備損壞，增加列車行車的危險(xiǎn)性。電氣化鐵路在檢修信號(hào)設(shè)備時(shí)，也要測量軌道不平衡牽引電流，因此需要定期檢測軌道的不平衡系數(shù)、分析其變化曲線，以使信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。

現(xiàn)階段，對牽引回流進(jìn)行測試分析時(shí)，是把電流互感器夾在軌道上，當(dāng)列車通過時(shí)，工作人員快速讀取計(jì)數(shù)并手工記錄下后繪成圖表，通過人工對圖表進(jìn)行分析確認(rèn)設(shè)備是否有故障。為便于對鋼軌牽引電流進(jìn)行定期測試，設(shè)計(jì)了一款基于C8051F340單片機(jī)的鋼軌牽引電流檢測與記錄儀，可對牽引電流實(shí)時(shí)檢測，并對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便有關(guān)人員在上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原與分析并及時(shí)排除故障。

1 鋼軌牽引電流檢測的意義

1.1 牽引電流對軌道電路的干擾源及影響 在電力牽引區(qū)段（簡稱電化區(qū)段），變電所通過接觸網(wǎng)與受電弓供給機(jī)車的牽引電流，有大約一半流經(jīng)2條鋼軌和扼流變壓器返回牽引變電所，其余的由大地漏泄返回。同時(shí)，2條鋼軌作為軌道電路的導(dǎo)體，傳輸移頻信息等信號(hào)電流，如圖1所示。

這2種不同性質(zhì)的電流在同一鋼軌中傳輸時(shí)，牽引電流會(huì)對軌道電路信息以及信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生干擾與影響。干擾主要源于軌道電路中2條鋼軌中牽引電流的不平衡及電磁干擾，干擾量的大小與牽引電流和不對稱情況等因素有關(guān)。牽引電流對軌道電路的干擾源及影響主要有[1]：

1）瞬態(tài)沖擊電流干擾。電力牽引機(jī)車在加速、減速，受電弓升弓、降弓或進(jìn)入分相絕緣段轉(zhuǎn)接時(shí)，牽引電流中出現(xiàn)一個(gè)沖擊電流，導(dǎo)致牽引電流以50 Hz基波為主，并含有低次諧波分量，且能量主要集中在牽引電流的奇次諧波上。侵?jǐn)_后的牽引電流會(huì)造成軌道電路不可靠工作或者錯(cuò)誤動(dòng)作。

2）不平衡牽引電流的干擾。電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，牽引電流通過受電弓流經(jīng)機(jī)車、鋼軌和大地，再返回牽引變電所。由于2條鋼軌阻抗不完全對稱相等，以及鋼軌對大地的漏泄電阻不同，會(huì)造成牽引電流回流不暢通，從而產(chǎn)生不平衡的牽引電流，會(huì)對軌道電路和信號(hào)設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾，甚至導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備損壞[2]。

圖1 自動(dòng)閉塞原理框圖

1.2 鋼軌牽引電流檢測的必要性 針對軌道電路的縱向不平衡（有效電阻和感抗的不對稱）和橫向不平衡（絕緣電導(dǎo)的不對稱），可采取相應(yīng)的措施來減少牽引電流對軌道電路以及信號(hào)設(shè)備的干擾。例如改善鋼軌接續(xù)線的運(yùn)用狀態(tài)以保證2條鋼軌阻抗對稱相等；采用等阻線改善由于扼流變壓器連接線長度不同，而引起阻值不相等的現(xiàn)象，以及接觸網(wǎng)的塔桿接地線通過火花間隙器間接地接向鋼軌等方法[3]。但由于鋼軌材質(zhì)及其磨損狀態(tài)不一致、軌條絕緣電導(dǎo)不對稱、鋼軌漏泄電阻不同等不可抗拒的外界因素，無法實(shí)現(xiàn)牽引電流絕對平衡，為了減少牽引電流對信號(hào)設(shè)備的影響，掌握鋼軌牽引電流回流及不平衡程度，分析評估對軌道電路的干擾與影響，對牽引電流的檢測就顯得十分必要。

2 檢測記錄儀的硬件及軟件組成

2.1 硬件組成 鋼軌牽引電流檢測記錄儀的硬件主要包括用于采集鋼軌牽引電流的接收線圈、濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、C8051F340微控制器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 記錄儀結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主控制器 C8051F340是Silicon Lab推出的高性能單片機(jī)，采用了高速的8051控制器內(nèi)核，速度高達(dá)48M IPS，是普通8051單片機(jī)的24倍，有4個(gè)16位定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)及40個(gè)耐壓達(dá)到5V的I/O口，同時(shí)該芯片還集成了UART串口、SPI和SMBUS等接口，為控制外圍設(shè)備并和外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信提供了方便。

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器采用16位高精度的AD7705芯片，該芯片是雙通道全差分模擬輸入，可編程前端增益，增益范圍1～128，帶有自校準(zhǔn)功能，可以直接接受來至傳感器的低電平輸入信號(hào)。

AD7705與C8051F340連接，如圖3所示。

圖3 AD7705與控制器的連接方式

SCLK，DIN，DOUT，DRDY分別與單片機(jī)的 4個(gè)I/O引腳連接，MC1403為AD7705提供精確的基準(zhǔn)電壓，PCF8653時(shí)鐘芯片提供的時(shí)間值作為對已存數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)的時(shí)間特征量。

根據(jù)復(fù)雜的鐵路現(xiàn)場環(huán)境，電路所選器件的工作溫度都適于-40℃～85℃。儀器本身具備一定的抗電磁干擾和防水防潮功能。

2.1.3 工作流程 通過安裝在鋼軌下方的感應(yīng)線圈獲得包括軌道移頻信息和牽引電流及各次諧波的混合信號(hào)，再經(jīng)過濾波電路將牽引電流之外的其他信號(hào)濾除，信號(hào)調(diào)理模塊把采集到的電壓經(jīng)過降壓、電平抬升調(diào)整到AD7705的輸入信號(hào)范圍。AD7705的采樣頻率可以通過軟件設(shè)置更改，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息保存到SD卡中。SD卡與C8051F340通過SPI串口方式通信。由于AD是16位的，保存到的信息是以高八位、低八位交替出現(xiàn)，并且存有定時(shí)讀取的時(shí)間值，以便數(shù)據(jù)按時(shí)間要求進(jìn)行提取。

2.2 軟件組成 儀器的軟件主要包括主程序、AD7705與微控制器的接口程序、中斷程序、PCF8653時(shí)鐘芯片的時(shí)間讀取程序、SD卡的文件系統(tǒng)程序以及讀寫程序。采用C語言編程方式。

2.3 功能特點(diǎn)

2.3.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集功能 系統(tǒng)在上電以后，全天候?qū)崟r(shí)對鋼軌牽引電流進(jìn)行采集。根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的容量和蓄電池組的性能，確定最大采集時(shí)間，及時(shí)將保存的數(shù)據(jù)取回。

2.3.2 數(shù)據(jù)保存功能 對實(shí)時(shí)采集的鋼軌牽引電流及對應(yīng)的時(shí)間信息進(jìn)行保存，以便必要時(shí)在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與分析。還原的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示，并顯示出當(dāng)時(shí)的時(shí)間量。可以根據(jù)要求調(diào)取某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.3 操作簡單且攜帶方便 該儀器體積小、重量輕，攜帶方便，易于操作。根據(jù)現(xiàn)場要求，可以靈活安裝。

3 結(jié)束語

本文簡述了牽引電流對軌道電路以及信號(hào)設(shè)備的干擾與影響，結(jié)合目前電務(wù)部門在檢修信號(hào)設(shè)備時(shí)的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的牽引電流檢測與記錄儀，提供牽引電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于有關(guān)人員的分析并及時(shí)排除故障，提高列車行車的安全性。

該儀器實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、安裝靈活，可以不斷地完善儀器功能，通過增加濾波電路和采集通道對移頻信息等信號(hào)進(jìn)行檢測。

[1]馬智芳.電氣化牽引電流對信號(hào)軌道電路的干擾及防護(hù)措施[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2004（03）：17-19.

[2]張生軍.電氣化區(qū)段軌道電路牽引電流不平衡的防護(hù)措施研究[J].光盤技術(shù)，2008（08）：46-47.

[3]郭進(jìn)，魏艷，劉利芳.鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備[M]，西南交通大學(xué)出版社，2008

[4]林瑜筠，張鐵增.區(qū)間信號(hào)自動(dòng)閉塞[M]，北京：中國鐵道出版社，2006.