接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖虎濤，許曉平

(昆明理工大學(xué)信息與自動(dòng)化學(xué)院，昆明650500)

1 引言

改善接觸網(wǎng)的質(zhì)量，創(chuàng)造良好的弓網(wǎng)環(huán)境，是電力機(jī)車高速行駛的前題，接觸硬點(diǎn)是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的一大頑癥，特別是在高速度的條件下。怎么理解硬點(diǎn)并消除硬點(diǎn)的危害，很值得我們?nèi)シ治鲅芯俊?/p>

2 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)及其危害

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

接觸硬點(diǎn)指的是接觸線與電力機(jī)車受電弓接觸力突然變化的點(diǎn)。也稱為接觸網(wǎng)硬點(diǎn)。如果硬點(diǎn)過大會(huì)對(duì)電力機(jī)車受電弓和接觸網(wǎng)造成機(jī)械傷害。因此，接觸硬點(diǎn)是造成機(jī)車受電弓離線的重要原因之一。

一旦機(jī)車受電弓離線，機(jī)車牽引電機(jī)、電器、受電弓、接觸網(wǎng)、牽引變壓器及供電系統(tǒng)都會(huì)受到危害。

2 接觸硬點(diǎn)產(chǎn)生的原因

接觸硬點(diǎn)的產(chǎn)生，按其形成原因，主要分為以下三類。

2.1 導(dǎo)線不平直產(chǎn)生的凸凹點(diǎn)

(1)導(dǎo)線死彎:施工或檢修時(shí)造成的。

(2)導(dǎo)線坡度變化:接觸網(wǎng)在特殊地理環(huán)境下，檢調(diào)不到位造成的。如線路與橋隧、站場(chǎng)與區(qū)間、聯(lián)接處及錨段關(guān)節(jié)處。

2.2 接觸網(wǎng)零部件、設(shè)備產(chǎn)生的硬點(diǎn)

(1)集中負(fù)荷:在分相、分段、導(dǎo)線接頭處、電連接線夾處、補(bǔ)強(qiáng)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(guī)范，撞擊受電弓。

3 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理

3.1 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)共包括三個(gè)大模塊，采集模塊，主控模塊，專家系統(tǒng)，詳細(xì)的模塊如圖1所示。

3.2 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)原理簡述

接觸網(wǎng)硬點(diǎn)對(duì)受電弓的作用過程，可以近似看作一次彈性碰撞過程。因?yàn)閺臋C(jī)械上來說是沖擊力很大(約104牛頓數(shù)量級(jí))，但時(shí)間很短(約為10-5秒數(shù)量級(jí))的一個(gè)過程。

現(xiàn)行的用沖擊加速度G來考核硬點(diǎn)，如圖2即可知道加速度大小。并且定時(shí)上報(bào)給專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)在里程數(shù)據(jù)庫中相對(duì)應(yīng)的地方標(biāo)記。

圖1 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

各工區(qū)根據(jù)檢測(cè)車提供的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)確定硬點(diǎn)所在的位置范圍，即按照檢測(cè)車測(cè)出硬點(diǎn)的公里標(biāo)前后查找。采用步行巡視的方法，觀看重點(diǎn)區(qū)段(硬點(diǎn))接觸網(wǎng)與電力機(jī)車的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)配合情況，最少觀察三趟電力機(jī)車通過，發(fā)現(xiàn)拉弧處后做好記錄，與檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比性和重合性分析，進(jìn)一步確定硬點(diǎn)的相對(duì)準(zhǔn)確位置。一般說來，接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的查找依據(jù)檢測(cè)車檢測(cè)出的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查找，動(dòng)車組檢測(cè)硬點(diǎn)大于45g，普通車大于20g。測(cè)量中需按標(biāo)準(zhǔn)記錄各被測(cè)量點(diǎn)的接觸線導(dǎo)高數(shù)據(jù)，計(jì)算出相鄰定位點(diǎn)、吊弦點(diǎn)的接觸線高差。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析，找出硬點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

4 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬點(diǎn)加速度采集簡述

整個(gè)硬點(diǎn)加速度采集模塊結(jié)構(gòu)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(shù)，并且集成溫度補(bǔ)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(fù)200g，敏感度10mv/g。

圖2 硬點(diǎn)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(hào)處理的場(chǎng)合。其顯著特點(diǎn):該器件具有優(yōu)異的抗靜電能力，靜電放電損傷閾值電壓大于4000V，達(dá)到了國軍標(biāo)Ⅲ級(jí)靜電敏感度要求，有更低的輸入失調(diào)電壓，典型值約為幾個(gè)μV，無需外調(diào)零;兩個(gè)運(yùn)算放大器的參數(shù)一致性好。

圖3 硬點(diǎn)加速度信號(hào)放大電路

壓頻轉(zhuǎn)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(tǒng)和大電流輸出級(jí)組成。使用時(shí)只需一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，就可以產(chǎn)生高達(dá)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(hào)的傳輸，并且能夠隔離前端干擾。詳細(xì)的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 硬點(diǎn)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(dá)公司(shanghai DEUTA)引進(jìn)德國DEUTA公司全套技術(shù)和主要部件組裝生產(chǎn)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(nèi)、外軌道，傳感器可輸出兩種不同脈沖數(shù)的方波信號(hào)，內(nèi)軌道每轉(zhuǎn)80個(gè)脈沖，外軌道每轉(zhuǎn)200個(gè)脈沖，各通道間彼此隔離，且?guī)в袠O性保護(hù)、輸出短路保護(hù)。

由于輪徑R已知，周長L=2ΠR，那么L/200即為單個(gè)脈沖所代表的距離，換句話說，速度傳感器每輸出一個(gè)脈沖，就代表列車行駛了L/200的距離，那么根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)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(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

5.1 專家系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)軟件主要包括報(bào)表模塊，數(shù)據(jù)解析模塊，數(shù)據(jù)標(biāo)定模塊，軟件公里標(biāo)模塊。報(bào)表模塊負(fù)責(zé)將適時(shí)狀態(tài)進(jìn)行輸出和保存;數(shù)據(jù)解析模塊主要負(fù)責(zé)解析主控板發(fā)送來的數(shù)據(jù);軟件公里標(biāo)模塊負(fù)責(zé)根據(jù)實(shí)際距離校準(zhǔn)速度模塊上報(bào)的里程數(shù)據(jù)。

5.2 主控板軟件設(shè)計(jì)

主控板軟件主要分為上行和下行。上行方向指底層數(shù)據(jù)打包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給專家系統(tǒng)，下行方向指專家系統(tǒng)下發(fā)系統(tǒng)開始及初始參數(shù)指令。

5.3 硬點(diǎn)加速度模塊軟件設(shè)計(jì)

硬點(diǎn)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(guī)則

6.1 速度模塊

通信格式暫時(shí)采用RS232端口。

參數(shù):115200，n，8，1。

速度模塊發(fā)送數(shù)據(jù)部分(只發(fā))。

速度模塊接收數(shù)據(jù)部分:詳見實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理模塊。接收成功后返回信息。輪徑小于800mm將設(shè)為此條信息無效，返回?cái)?shù)據(jù)02h(見表1)。

圖7 硬點(diǎn)數(shù)據(jù)模塊軟件流程圖

6.2 手持公里標(biāo)調(diào)整模塊

端口:RS232;參數(shù):115200，n，8，1

數(shù)據(jù)格式，如表2所示。

6.3 軟件公里標(biāo)調(diào)整模塊

端口:10000;數(shù)據(jù)格式:同表2。

6.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊

接收各模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口向速度模塊發(fā)送重新調(diào)整的公里標(biāo)及輪徑，一直發(fā)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(biāo)調(diào)整模塊數(shù)據(jù)，并發(fā)送給速度模塊。同時(shí)接收軟件模擬公里標(biāo)調(diào)整模塊數(shù)據(jù)，并發(fā)送給速度模塊。軟件模擬公里標(biāo)調(diào)整模塊優(yōu)先。

表1 速度模塊數(shù)據(jù)格式

表2 手持公里標(biāo)調(diào)整模塊數(shù)據(jù)格式

端口:COM1;參數(shù):115200，n，8，1

數(shù)據(jù)輸出格式，如圖3所示。

7 結(jié)束語

以上論述主要闡述了接觸硬點(diǎn)的概念及其產(chǎn)生的原因，給出了詳盡的解決方案和軟硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于硬點(diǎn)信號(hào)捕獲采用光纖傳輸調(diào)制技術(shù)，確保及時(shí)可靠地測(cè)試硬點(diǎn)信號(hào)，采用先進(jìn)的加速度傳感器，加速度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行分析處理，確保檢測(cè)的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，并進(jìn)行綜合判斷。

表3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊

從理論上講，幾乎不可能從根本上消滅硬點(diǎn)，因?yàn)殍F路系統(tǒng)是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)，解決硬點(diǎn)問題必須方方面面都有非常嚴(yán)格的控制，包括接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量和后期的維護(hù)工作都是其中非常重要的因素。本文從檢測(cè)技術(shù)的角度出發(fā)提出了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案，以改善鐵路運(yùn)行環(huán)境。

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