機(jī)車闖分相遠(yuǎn)程報(bào)警裝置的研發(fā)

柳明宇

0 引言

在電氣化鐵路提速區(qū)段及新建高速鐵路，不同供電區(qū)段的接觸網(wǎng)之間的電分相均采用關(guān)節(jié)式分相，電力機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式分相時(shí)必須斷開(kāi)機(jī)車主斷路器，若不斷電通過(guò)（俗稱機(jī)車闖分相），將引起電弧而發(fā)生接觸網(wǎng)燒傷、斷股現(xiàn)象。

當(dāng)前的電力機(jī)車過(guò)分相斷電主要依靠司機(jī)手工斷電和地面磁感應(yīng)自動(dòng)斷電2種方式，但它們均不能保證電力機(jī)車進(jìn)入和脫離過(guò)分相時(shí)可靠地?cái)嚅_(kāi)并閉合機(jī)車主斷路器，因此，機(jī)車闖分相引起的跳閘和承力索燒傷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為此，筆者開(kāi)發(fā)了機(jī)車闖分相遠(yuǎn)程報(bào)警裝置，它通過(guò)檢測(cè)關(guān)節(jié)式分相中的中性區(qū)段承力索上有無(wú)電流流過(guò)來(lái)判定是否發(fā)生了機(jī)車闖分相事件，并通過(guò)手機(jī)短信的方式提醒相關(guān)檢修人員及時(shí)巡視檢查，最大限度地避免或減少分相燒傷而引起斷線事故。

1 裝置設(shè)計(jì)原理

電力機(jī)車不斷開(kāi)主斷路器進(jìn)入關(guān)節(jié)式分相，當(dāng)機(jī)車受電弓接觸不帶電的中性區(qū)段接觸線時(shí)，帶電的接觸線抬高成為非工作支，機(jī)車負(fù)荷電流將在帶電的非工作支接觸線和受電弓間產(chǎn)生電弧，由于電磁力作用及機(jī)車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣作用，電弧拉長(zhǎng)并飄移到承力索上燃燒，造成分相處承力索燒傷。

通過(guò)對(duì)燒傷過(guò)程的分析，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生燒傷時(shí)本來(lái)不載流的關(guān)節(jié)式分相中性區(qū)段有短路電流或負(fù)荷電流通過(guò)，即引起燒傷的電弧電流必然要經(jīng)過(guò)關(guān)節(jié)式分相中性區(qū)段與電力機(jī)車構(gòu)成回路。而當(dāng)電力機(jī)車斷開(kāi)主斷路器通過(guò)分相時(shí)不產(chǎn)生電流。因此，一旦檢測(cè)到關(guān)節(jié)式分相中性區(qū)段承力索上有電流通過(guò)，即可判斷發(fā)生了機(jī)車闖分相事故。

在七跨分相機(jī)車進(jìn)入方向的轉(zhuǎn)換柱處的中性區(qū)段承力索上串聯(lián)一個(gè)硅橡膠絕緣子，絕緣子兩端通過(guò)引線連接到安裝在轉(zhuǎn)換柱上的電流互感器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中心線導(dǎo)流的目的（圖1）。

在電流互感器二次側(cè)，使用單片機(jī)對(duì)電流進(jìn)行采集判斷，若超過(guò)整定值就啟動(dòng)短信模塊發(fā)送報(bào)警短信。當(dāng)發(fā)生機(jī)車闖分相后向管轄段的生產(chǎn)調(diào)度發(fā)送手機(jī)短信（含峰值電流及持續(xù)時(shí)間），提示進(jìn)行巡視檢查。

短信發(fā)送裝置的電源由蓄電池和太陽(yáng)能電池板提供，該裝置安置于支柱上的防水箱內(nèi)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集與調(diào)理

由于接觸網(wǎng)由承力索和接觸線并聯(lián)組成，且接觸線為主要導(dǎo)流部分，承力索中分流較小，因此，必須采用小變比的電流互感器。但是若發(fā)生相間短路時(shí)，短路電流非常大，因此，電流互感器高壓側(cè)線圈必須承受短路電流的沖擊。綜合考慮，決定采用 40/5的變比，高壓側(cè)采用特殊定制、線徑不小于25 mm2的銅線圈電流互感器。

圖1 加裝硅橡膠絕緣子的七跨分相燒傷部位示意圖

由電流互感器采集的電流信號(hào)不能直接進(jìn)人單片機(jī)進(jìn)行處理，需要進(jìn)行適當(dāng)處理，該裝置采用LCT1966進(jìn)行信號(hào)處理，處理后的信號(hào)再由單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理。

為延長(zhǎng)電池使用壽命，降低系統(tǒng)功率，整個(gè)系統(tǒng)平時(shí)處于休眠模式，只有當(dāng)發(fā)生機(jī)車闖分相時(shí)才由故障電流喚醒工作。為實(shí)現(xiàn)該種工作方式，高壓電流互感器二次側(cè)的電流回路串聯(lián)了 2個(gè)電流采樣微型互感器，一個(gè)負(fù)責(zé)連接LCT1966輸入端進(jìn)行電流值采樣，另一個(gè)二次串聯(lián) 1 kΩ電阻，用來(lái)產(chǎn)生高電平，喚醒單片機(jī)進(jìn)行工作。電流采樣部分電路如圖2所示。

圖2 電流采樣及喚醒電路接線圖

2.2 中央處理器部分

為了降低整個(gè)報(bào)警裝置的功耗，該報(bào)警裝置采用MSP430F2274單片機(jī)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，電池管理及充電控制以及與短信報(bào)警模塊通信發(fā)出報(bào)警短信等功能。

2.3 短信報(bào)警部分

采用西門(mén)子TC35i工業(yè)短信模塊，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)，通過(guò)繼電器切斷短信模塊的電源。

2.4 電源供電部分

為保證長(zhǎng)期正常工作，該裝置采用太陽(yáng)能電池加鋰電池組成供電系統(tǒng)，在白天太陽(yáng)充足的時(shí)間段，由單片機(jī)控制太陽(yáng)能電池對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)夜晚或陰雨天氣時(shí)，由鋰電池供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

該報(bào)警裝置軟件采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要分為模數(shù)轉(zhuǎn)換，報(bào)警處理，短信模塊控制、電池充電管理等部分。該報(bào)警裝置主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

程序采用中斷方式運(yùn)行，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，以便最大程度地節(jié)省電力，通過(guò)外部中斷進(jìn)行故障電流采集及報(bào)警運(yùn)算判斷，當(dāng)電流大于報(bào)警整定值時(shí)，啟動(dòng)通信程序，通過(guò)短信模塊發(fā)出報(bào)警短信。定時(shí)中斷程序每10 min中斷一次，采集太陽(yáng)能電池的電壓，根據(jù)電壓高低判斷是否可以進(jìn)行充電或停止充電。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該報(bào)警裝置已經(jīng)研制成功，通過(guò)鄭州鐵路局科研成果鑒定，2011年12月27日在鄭州供電段五里堡分區(qū)亭上行分相掛網(wǎng)試運(yùn)行。至 2012年6月30日，共發(fā)回闖分相預(yù)警2次，經(jīng)檢查接觸線有非常輕微的燒傷痕跡，但足以說(shuō)明該裝置發(fā)揮了正確的預(yù)警作用。