高精度信號(hào)電纜電氣特性監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)電務(wù)段 陳來(lái)金 霍 瑞 董樹(shù)軍

卡斯柯信號(hào)有限公司 吳 豐 趙 雷 王維龍

中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)電務(wù)段 李萬(wàn)和 馬浩虎

圖1 絕緣漏流測(cè)試單元結(jié)構(gòu)

圖2 絕緣漏流測(cè)試單元通信示意圖

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)高速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)保障工作非常關(guān)鍵，這對(duì)鐵路電務(wù)部門(mén)的運(yùn)維水平要求越來(lái)越高。目前電務(wù)部門(mén)采用絕緣漏流測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備主要包括：絕緣測(cè)試表、漏流測(cè)試表、綜合采集機(jī)、繼電器選路網(wǎng)絡(luò)，在該既有系統(tǒng)中，綜合采集機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出板驅(qū)動(dòng)安全型繼電器JWXC-1700，由繼電器接點(diǎn)組成的多級(jí)選路網(wǎng)絡(luò)將所選的電纜芯線(xiàn)接入絕緣或漏流轉(zhuǎn)換單元，絕緣測(cè)試表的絕緣轉(zhuǎn)換單元采用500V直流電壓在線(xiàn)測(cè)試方法，漏流測(cè)試表和漏流電阻測(cè)試盒通過(guò)漏流采樣、限幅、阻抗變換、整流放大等初步處理后，發(fā)送給綜合采集機(jī)的模入板，經(jīng)選通后送至綜合采集機(jī)CPU板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。這種絕緣漏流測(cè)試方式存在如下缺陷：①采用JWXC-1700繼電器選路組合模式，安裝空間大、成本高；②測(cè)試功能單一、可擴(kuò)展性差；③現(xiàn)場(chǎng)配線(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試維護(hù)難度大。

針對(duì)既有信號(hào)電纜電氣絕緣特性監(jiān)測(cè)存在的精度低、功能單一、施工維修成本高等不足，本文闡述了一種高精度信號(hào)電纜電氣特性監(jiān)測(cè)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

技術(shù)方案采用板載式安全繼電器，繼電器狀態(tài)可回采，產(chǎn)品設(shè)計(jì)支持遠(yuǎn)程升級(jí)配置、在線(xiàn)診斷、快速測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)電阻檢測(cè)。功能方面可進(jìn)行絕緣電阻精確測(cè)試、對(duì)地交流漏流測(cè)試、對(duì)地直流漏流測(cè)試、對(duì)地交流電壓測(cè)試、對(duì)地直流電壓測(cè)試、電阻快速測(cè)試、對(duì)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)試。如圖1所示，高精度信號(hào)電纜電氣特性監(jiān)測(cè)設(shè)備由電源板、主控板、快測(cè)板、16路板、32路板組成，支持480路絕緣測(cè)試，具備良好的可擴(kuò)展性。

圖3 電源板輸入接口

圖4 標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)試接口

圖5 電阻采樣電路接口

如圖2所示，主控板采用CAN總線(xiàn)與快測(cè)板、16路板、32路板通信，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)連接，16路板與32路板之間采用CAN總線(xiàn)通信。

2 接口設(shè)計(jì)

如圖3所示，采用AC220V工作電源，電源輸入接口電路中采用了溫度保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、氣體放電管、功率電感、瞬態(tài)抑制二極管等。整機(jī)工作時(shí)AC220V輸入口最大負(fù)載電流0.15A。

如圖4所示，由4顆250K歐標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)組成要求的1M標(biāo)準(zhǔn)電阻，電阻兩端連接到測(cè)試端口，標(biāo)準(zhǔn)電阻與內(nèi)部電路通過(guò)繼電器選通，平時(shí)與內(nèi)部測(cè)試電路斷開(kāi)，因此外部人員可通過(guò)J8端子測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)電阻。當(dāng)需要本絕緣式組合測(cè)試該標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，繼電器K4的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，內(nèi)部電路可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)試。

圖6 漏流測(cè)試采樣電路接口

圖7 對(duì)地電壓采樣電路接口

如圖5所示對(duì)地絕緣電阻測(cè)試采樣電路，輸入回路串入大功率高阻值限流電阻，電壓限流取樣后變成弱電壓信號(hào)（幾百毫伏量級(jí)）提供給后級(jí)處理電路，故輸入阻抗極大以保證采集電路對(duì)采集對(duì)象沒(méi)有影響。后級(jí)處理電路并聯(lián)的TVS管(突波吸收器)可以防止因遭到類(lèi)似高壓沖擊而串入測(cè)量電路的短時(shí)的尖峰信號(hào)，從而提高模塊抗電磁干擾的能力。測(cè)量電路一次側(cè)與二次側(cè)之間供電采用DC/DC變壓器隔離。

如圖6所示對(duì)地漏流測(cè)試采樣電路，當(dāng)繼電器選通時(shí)，被測(cè)電纜芯線(xiàn)接入到R44大功率電阻，PE端子被接入到內(nèi)部參考地VREF。

如圖7所示對(duì)地電壓采樣電路，當(dāng)繼電器選通時(shí)，被測(cè)電纜芯線(xiàn)接入到R3，PE端子被接入到內(nèi)部參考地VREF。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖8 系統(tǒng)總圖

圖9 電纜絕緣測(cè)試

圖10 電源漏流測(cè)試

圖11 對(duì)地電壓測(cè)試

本方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用下來(lái)，系統(tǒng)安全控制機(jī)制增強(qiáng)了，不僅考慮了500V使能3取3安全控制、3級(jí)板卡安全選通控制、選路通道安全互斥，還從系統(tǒng)層考慮了測(cè)試功能互斥、測(cè)試場(chǎng)景權(quán)限控制、測(cè)試命令安全解鎖控制，多維度確保了信號(hào)電纜電氣特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高可靠性。系統(tǒng)總圖，如圖8所示。

實(shí)際數(shù)據(jù)表明，如圖9、圖10所示，高精度信號(hào)電纜電氣特性絕緣漏流測(cè)試，完全可代替人工搖表測(cè)試，克服了既有絕緣漏流測(cè)試系統(tǒng)的缺陷，而且還擴(kuò)展了多維度功能。

信號(hào)電纜特性監(jiān)測(cè)功能有了擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)硬件功能的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程升級(jí)，有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。動(dòng)態(tài)監(jiān)控包括500V回采，末級(jí)繼電器回采，設(shè)備在線(xiàn)自診斷，報(bào)警智能分析。如圖11所示，對(duì)地電壓測(cè)試能夠很好的反應(yīng)出電纜實(shí)際的電壓負(fù)載情況，能夠更好的利于電纜質(zhì)量判斷；內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)電阻，能夠很好的實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能校驗(yàn)；快速測(cè)試功能，測(cè)試時(shí)完成一路絕緣測(cè)試所需時(shí)間不到3s，而且快速測(cè)試低壓能量小，在線(xiàn)測(cè)試不影響信號(hào)設(shè)備的正常工作，提高了測(cè)試效率。

結(jié)束語(yǔ)：隨著中國(guó)鐵路和城市軌道交通的大發(fā)展，信號(hào)設(shè)備也伴隨著大量應(yīng)用，信號(hào)電纜電氣特性的監(jiān)測(cè)是保證信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定工作的一項(xiàng)重要功能，高精度信號(hào)電纜電氣特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在既有絕緣漏流測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，不僅克服了既有系統(tǒng)的占用空間大、成本高、可擴(kuò)展性差、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)難度大等缺陷，而且還從安全控制、擴(kuò)展功能、全生命周期進(jìn)行了多維度系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了電務(wù)運(yùn)維效率，降低了維護(hù)信號(hào)設(shè)備的成本，全生命周期成本明顯下降，減輕了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，為鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供可靠保障。