高精度信號電纜電氣特性監測實現方案

中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關電務段 陳來金 霍 瑞 董樹軍

卡斯柯信號有限公司 吳 豐 趙 雷 王維龍

中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關電務段 李萬和 馬浩虎

圖1 絕緣漏流測試單元結構

圖2 絕緣漏流測試單元通信示意圖

近年來，隨著我國鐵路事業高速發展，運營保障工作非常關鍵，這對鐵路電務部門的運維水平要求越來越高。目前電務部門采用絕緣漏流測試系統設備主要包括：絕緣測試表、漏流測試表、綜合采集機、繼電器選路網絡，在該既有系統中，綜合采集機通過開關量輸出板驅動安全型繼電器JWXC-1700，由繼電器接點組成的多級選路網絡將所選的電纜芯線接入絕緣或漏流轉換單元，絕緣測試表的絕緣轉換單元采用500V直流電壓在線測試方法，漏流測試表和漏流電阻測試盒通過漏流采樣、限幅、阻抗變換、整流放大等初步處理后，發送給綜合采集機的模入板，經選通后送至綜合采集機CPU板進行A/D轉換和數據處理。這種絕緣漏流測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測試功能單一、可擴展性差；③現場配線復雜，調試維護難度大。

針對既有信號電纜電氣絕緣特性監測存在的精度低、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電纜電氣特性監測方案。

1 方案設計

技術方案采用板載式安全繼電器，繼電器狀態可回采，產品設計支持遠程升級配置、在線診斷、快速測試、標準電阻檢測。功能方面可進行絕緣電阻精確測試、對地交流漏流測試、對地直流漏流測試、對地交流電壓測試、對地直流電壓測試、電阻快速測試、對內置標準電阻測試。如圖1所示，高精度信號電纜電氣特性監測設備由電源板、主控板、快測板、16路板、32路板組成，支持480路絕緣測試，具備良好的可擴展性。

圖3 電源板輸入接口

圖4 標準電阻測試接口

圖5 電阻采樣電路接口

如圖2所示，主控板采用CAN總線與快測板、16路板、32路板通信，然后通過網絡通信方式與監測系統上位機連接，16路板與32路板之間采用CAN總線通信。

2 接口設計

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絲、壓敏電阻、氣體放電管、功率電感、瞬態抑制二極管等。整機工作時AC220V輸入口最大負載電流0.15A。

如圖4所示，由4顆250K歐標準電阻串聯組成要求的1M標準電阻，電阻兩端連接到測試端口，標準電阻與內部電路通過繼電器選通，平時與內部測試電路斷開，因此外部人員可通過J8端子測試標準電阻。當需要本絕緣式組合測試該標準電阻時，繼電器K4的常開觸點閉合，內部電路可對標準電阻進行測試。

圖6 漏流測試采樣電路接口

圖7 對地電壓采樣電路接口

如圖5所示對地絕緣電阻測試采樣電路，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（幾百毫伏量級）提供給后級處理電路，故輸入阻抗極大以保證采集電路對采集對象沒有影響。后級處理電路并聯的TVS管(突波吸收器)可以防止因遭到類似高壓沖擊而串入測量電路的短時的尖峰信號，從而提高模塊抗電磁干擾的能力。測量電路一次側與二次側之間供電采用DC/DC變壓器隔離。

如圖6所示對地漏流測試采樣電路，當繼電器選通時，被測電纜芯線接入到R44大功率電阻，PE端子被接入到內部參考地VREF。

如圖7所示對地電壓采樣電路，當繼電器選通時，被測電纜芯線接入到R3，PE端子被接入到內部參考地VREF。

3 實際應用

圖8 系統總圖

圖9 電纜絕緣測試

圖10 電源漏流測試

圖11 對地電壓測試

本方案現場實際應用下來，系統安全控制機制增強了，不僅考慮了500V使能3取3安全控制、3級板卡安全選通控制、選路通道安全互斥，還從系統層考慮了測試功能互斥、測試場景權限控制、測試命令安全解鎖控制，多維度確保了信號電纜電氣特性監測系統的高可靠性。系統總圖，如圖8所示。

實際數據表明，如圖9、圖10所示，高精度信號電纜電氣特性絕緣漏流測試，完全可代替人工搖表測試，克服了既有絕緣漏流測試系統的缺陷，而且還擴展了多維度功能。

信號電纜特性監測功能有了擴展，可實現硬件功能的動態監控和遠程升級，有較強的可擴展性。動態監控包括500V回采，末級繼電器回采，設備在線自診斷，報警智能分析。如圖11所示，對地電壓測試能夠很好的反應出電纜實際的電壓負載情況，能夠更好的利于電纜質量判斷；內置的標準電阻，能夠很好的實現測試功能校驗；快速測試功能，測試時完成一路絕緣測試所需時間不到3s，而且快速測試低壓能量小，在線測試不影響信號設備的正常工作，提高了測試效率。

結束語：隨著中國鐵路和城市軌道交通的大發展，信號設備也伴隨著大量應用，信號電纜電氣特性的監測是保證信號設備穩定工作的一項重要功能，高精度信號電纜電氣特性監測系統是在既有絕緣漏流測試系統進行了創新改進，不僅克服了既有系統的占用空間大、成本高、可擴展性差、現場調試維護難度大等缺陷，而且還從安全控制、擴展功能、全生命周期進行了多維度系統設計。該系統的應用大大提高了電務運維效率，降低了維護信號設備的成本，全生命周期成本明顯下降，減輕了作業人員勞動強度，為鐵路運營安全提供可靠保障。