電氣化鐵路吸上線回流監測系統的設計

秦 超

（沈陽鐵道科學技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110013）

0 引言

在電氣化鐵路上，電力機車是將走行軌道作為牽引電流回流的主要途徑，大部分電流經過與之相連的吸上線直接回到變電所，吸上線的運行狀態會直接影響相關聯信號設備的正常工作[1-3]?，F階段，只能通過測試列車通過時吸上線上產生的回流電流來判斷吸上線的連接狀態。由于信號設備檢修天窗時沒有列車通過，吸上線上不能產生回流電流，因此無法通過人工對吸上線的工作狀態進行判斷。

為了解決上述問題，該文提出了吸上線狀態監測系統，該系統采用自感應取電的方式，長期、穩定地為設備供電，能夠對吸上線的運行狀態進行實時監測，并采用穩定成熟的4G無線傳輸方式將現場監測數據傳至遠程管理平臺，配合輔助監控設備，將吸上線的工作狀態定時反饋給作業人員，有助于保證鐵路牽引回流的穩定性以及保障電務設備正常工作的安全性，對鐵路系統的生產運輸具有重要意義。

1 吸上線狀態監測系統整體設計

吸上線狀態監測系統利用先進的電磁感應取電的方式來給設備供電；采用羅氏線圈搭配坡莫合金環的方式，并運用精準算法對線路的電流進行測量；通過4G模塊穩定地傳輸信號數據；客戶端還可以利用軟件對其進行遠程實時分析、監測。

吸上線狀態監測系統主要由吸上線電流檢測裝置、吸上線電流遠程監測系統以及監測與監控聯動系統3個模塊組成，各模塊的功能簡介如圖1所示。

圖1 監測系統結構框圖

1.1 吸上線電流監測裝置

吸上線電流檢測裝置主要由數據采集控制單元、測量取能用電磁芯以及固定裝置組成，如圖2所示。

圖2 吸上線狀態監測裝置內部結構圖

其中，數據采集控制單元主要分為供電模塊（取能、儲能）、電流采集、數據存儲單元、測量單元、通信模塊和時鐘模塊。

1.1.1 電流采集傳感器

電流采集傳感器作為系統的重要元器件，主要用于采集線路中瞬時暫態電流值（包括機車通過和未通過的瞬時暫態值），電流傳感器采用高精度電流互感單元，能夠有效分辨1 A以下的電流值。

1.1.2 取能傳感器

取能傳感器是系統的核心技術之一，主要通過電磁耦合的方式從線路中取出能量，再分別給控制單元和儲能單元提供電能，該文設計的取能傳感器的取電功率可控，大電流不會過載。取電模塊選用特制合金材料，因此取電效率高且無生銹問題。

電能采集傳感器采用軟磁合金中可塑性較好的鐵鎳合金。通過適當工藝對鐵鎳合金進行加工后生產的產品可以有效地控制磁性能，其中1J85的初始磁導率高，適合作為弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。自取能傳感器采用1J85鐵鎳合金。

交流電流流過磁芯繞線線圈要產生感應電動勢，感應電動勢通過負載電阻輸出功率[4-5]，如公式（1）所示。

式中：P為輸出功率，滿足設計要求取10 W；R為負載電阻，滿足設計要求取10 Ω；E為感應電動勢。

磁感應強度B的公式如公式（2）所示。

式中：SC為鐵芯截面積，cm2；f為交流工作頻率，通常為50 Hz；K為鐵芯的疊片（卷繞）系數，通常取值0.9；N2為鐵芯二次繞組匝數。

求解SC的公式如公式（3）所示。

通過反復試驗可知，取能傳感器在不同繞線匝數下的取能能力，當1 020取能傳感器的負載電阻為500 Ω 且繞線匝數約為320匝時的取電功率最大；當1 020取能傳感器的負載電阻為1 000 Ω 且繞線匝數約為450匝時的取電功率最大。由于實際應用中匝數越少其穩定性越好，因此為了滿足最大取電功率性能的要求，系統選用負載電阻為500 Ω、繞線匝數為300匝的標準進行設計。磁感應強度B的取值范圍為0.6 T～0.8 T，該設計取值為0.6 T，由此可以推算出鐵芯的截面積SC，如公式4所示。

通過測量現場吸上線穩定電流值的大小，最終設計鐵芯的截面積SC為2 cm2。

1.1.3 儲能單元

取能傳感器將線路中取出的能量補充到超級電容中，當線路中的能量不夠支撐控制單元工作的時候，它就會替代取能傳感單元給主控單元供電[6-10]。

2 吸上線狀態遠程監測系統

吸上線狀態遠程監測系統可以清晰地反映出吸上線全天的電流變化信息，包括不過車的基準電流值、過車瞬時電流信息以及吸上線故障時系統提示的呼吸燈報警信息，可以為監測人員提供最直觀、必要的監測信息。

2.1 主界面設計

成功登陸系統后，默認進入全景監控子頁面。以鐵路示意圖為基礎，數據應用系統將Web端軟件作為登錄入口。

2.2 子界面設計

全景監控界面的左側為組織架構樹狀圖，它可以顯示站點和區間信息。樹狀圖上方包括搜索欄，可以根據名稱搜索站點、區間以及具體監測點。單擊樹狀圖的監測點時，該檢測點就會突出高亮顯示。

全景監控界面的右側為區間示意圖，它可以顯示該站點吸上線的狀態信息，它包括多個監控點，監控點會以顏色來區分不同狀態：綠色代表正常在線，黃色代表故障離線、灰色代表未啟用，紅色代表數據報警。監控點可以顯示對應的狀態信息（包括設備ID、位置信息、所屬區域以及工作狀態），單擊監控點可以跳轉到電流曲線圖界面。

遠程監測系統可以以時間為單位查詢、下載各個監控點的歷史電流變化曲線（包括電流的最大值、最小值以及平均值）和故障報警數據，并按組織架構分級設置訪問權限。

2.3 平臺加密設計

該系統采用終端加密+服務器解密+用戶key的方式保證數據不受外部侵襲。

2.3.1 數據采集終端

采集終端安裝即用型Ready-to-Use安全元件，在數據采集終端將數據發送給服務器之前，該安全元件會對提交的信息進行處理（包括加密、消息數字簽名）。

2.3.2 服務器端

服務器搭載多SE PCI/PCI-E拓展卡，并支持遙測傳輸協議（Message Queue Telemetry Transport，MQTT）。當服務器收到終端上傳的加密數據時，先驗證簽名是否正確，如果正確就解密，解密之后再將數據傳入數據庫。

2.3.3 用戶終端

用戶終端安裝USB Key型安全元件。在建立通信連接之后，服務器會先對用戶終端（安全元件）進行身份驗證，用戶終端與服務器之間交換的數據信息需要經過安全元件處理（包括加密、消息數字簽名）。

3 輔助監控系統

為了更精確地反應線路電流與來往車輛信息的對應關系以及方便巡檢偏遠地區吸上線電流采集點的設備工作狀態，該文設計了輔助監控設備來完善吸上線狀態監測系統的功能。輔助監控設備的設置，不僅可以有效、直觀地對比線路電流的波動情況與車輛的運行情況；還可以在監測電流異常時，通過對比監控信息更加直觀地判斷現場的故障情況，真正實現對吸上線狀態的智能化監測。

監控攝像頭滿足低功耗的工作要求，在沒有車輛經過時保持睡眠狀態，有車輛經過監測點時喚醒監控攝像頭，因此耗電量低至mW級別。采集的影像資料通過4G網絡傳輸至后臺，并對其進行收集和比對。

4 現場試用情況

吸上線狀態監控系統選取了3個試驗地點，分別是輝山站（車流量小，吸上線上電流較?。?、大成站（沈于線站內測試點、沈于線區間測試點）以及虎石臺站（臨近變電所，吸上線上電流較大），涵蓋了各類吸上線通過電流的情況，可以驗證設備的工作性能。三批試點監測數據完整、精確，設備運行穩定、便于操作。吸上線狀態監測系統現場安裝效果如圖3所示。

圖3 吸上線狀態監測系統現場照片

4.1 輝山站試點

輝山站日均列車走行對數較少，吸上線上回流較低，通過在該點進行運行試驗，可以驗證設備在低電流情況下的取電性能以及在該工作條件下設備可持續運行的能力。輝山站吸上線電流采集波形圖如圖4所示。

圖4 2019年11月18日輝山站吸上線電流波形

由圖4可以看到，輝山站的吸上線上的電流波形圖，橫坐標X軸為時間軸，豎坐標Y為電流值，由于車站列車走行對數較少，因此引起的吸上線回流電流波動也偏低，線上電流平均值為34 A。

4.2 沈于線試點

大成站-沈于線上分別在站內、區間各安裝1套設備，從而滿足對于同條線路站內、區間不同點的吸上線狀態電流的監控。大成站吸上線電流采集波形圖如圖5所示。

圖5 2019年11月18日沈于線吸上線電流波形

由圖5（a）和圖5（b）可以清晰地看出，在同一時間節點（同一列車走行）附近電流的波動基本一致，電流24 h內的峰值波動區間基本一致，但是因為監控兩點位置分別設在站內、區間，臨道過車會對附近監控點的電流造成影響，所以同一時間節點附近電流波動的數值有所偏差。

4.3 虎石臺站試點

虎石臺站旁設有變電所，日常吸上線上回流值較大，可以有效驗證設備在長時間、大電流狀態下的電流采集及穩定工作的能力?；⑹_站吸上線電流采集波形圖如圖6所示。

圖6 2020年1月15日虎石臺站吸上線電流波形

與圖5電流波形形成鮮明對比，虎石臺站靠近變電所且列車走行頻繁，設備于5:45安裝并正常運行，遠程端實時讀取數據，虎石臺站吸上線上的電流波動頻繁且數值偏高，最大電流峰值達到348 A。

圖7為虎石臺車站吸上線狀態監測設備輔助監控系統的工作截圖，圖7（a）為監控系統遠程客戶端讀取錄制視頻的列表，記錄了2020年1月16日獲取的相關視頻信息，每個視頻錄制時間為8 s，即有列車行駛接近監控點時，監控攝像頭通過感應激活工作狀態開始視頻錄制，并將視頻保存至客戶端，方便日后查詢；圖8（b）為列車走行時視頻錄制的截圖，可以看到即使是在夜間錄制的視頻，其清晰度也非常高，并可以通過拍照功能截取圖片。

圖7 輔助監控系統工作截圖

5 結語

通過現場試用證明，研制的吸上線狀態監測系統滿足北方低溫環境下低功耗運行的條件，適用于線路復雜震動及存在電磁干擾的環境，該系統采用自感應取電方式長期、穩定地為設備提供電源，可以對吸上線的運行狀態進行實時監測，并采用穩定成熟的4G無線傳輸方式，將現場監測數據傳至遠程管理平臺。遠程管理平臺能夠對吸上線采集的電流信息進行分析反饋，工作人員可以隨時掌握吸上線的運行情況。當吸上線發生故障時，系統配合輔助監控設備能夠精準識別吸上線的故障類型，并快速定位故障區段，同時通過無線傳輸的方式，將線路故障情況發送給遠程管理平臺和現場作業人員，從而縮短對吸上線故障響應和處理的時間，該系統實現了對吸上線狀態的智能化監測，有助于保證鐵路牽引回流的穩定性以及保障電務設備正常工作時的安全性，對鐵路系統的生產運輸具有重要意義。