接觸網作業車平臺的高壓安全保護裝置分析

胡亮，曲廣友，楊戈輝

國能新朔鐵路有限責任公司供電分公司，內蒙古鄂爾多斯，010323

0 引言

近年來，我國鐵路電氣化路線建設規模不斷拓展，有效提高了列車運行速度，電力機車逐漸成為我國主要的運輸工具，和其他機車相比，其具有多樣化優勢，如運行功率大、超長交路、速度快、無污染等。我國早在19世紀初期就引進電力機車，在中期研究出第一臺電力機車，并建立電氣化鐵路寶鳳線，直到20時期初期，我國電氣化鐵路已建設到20000km，電氣牽引成為未來鐵路發展的必然趨勢。同時，由于電力機車每天都需要完成大量工作，一旦在哪方面存在問題，都會給自身安全帶來嚴重影響?；诖?，本文通過分析高壓安全保護裝置，來設計多樣化接觸網檢測裝置，從而解決不同檢測信號存在的問題，保證工作人員能及時檢測出接觸網是否存在帶電現象，從而解決單一檢測裝置檢測準確度不高的問題[1]。

1 系統檢測部分設計

1.1 接觸網高壓有無的檢測

1.1.1 接觸網下導體的靜電感應電壓

當導體出現接觸網電場作用時，導體中電流通常向相反方向進行移動，從而導致導體出現正電荷和負電荷兩種現象，當正負電荷載在電場中進行相互碰撞時，很可能出現相互抵消的現象。即當導體內電場強度下降到零點時，電場電子不會向特定方向移動，導體兩側所產生正負電荷載不會呈現出提升的趨勢，導體逐漸向靜電狀態發展，讓所有導體呈現出等勢體。同時，在本系統中是利用接收天線來收集靜電感應電壓，當感應器電壓超過標準值時會進行自動報警，如果感應電氣低于整定值，會打開電子鎖。因此，管理者有必要從理論方面進行分析，來分析接觸網下導體的靜電感應電壓，再計算出其準確的整定值。

1.1.2 結型場效應管電壓傳感器

在日常工作中，電場強度能利用電場效應來進行檢測。本文提前分析場效應管3DJ6的工作流程，再結合實際情況來建立科學的電路，從而達到檢測電場強度的作用。目前，結型場效應管有N溝道結型場效應管和P溝道結型兩種類型（如圖1所示）。

圖1 結型場效應管

從圖1可見，結型場效應管具有G、D、S三種電極，電路符號中柵極的箭頭方向可表示兩個PN結構的正向導電方向。同時，在D、S間安裝電壓UDS，能在漏極和源極間建立專項電流，工作人員可利用優化源極和柵極的反向電壓，來拓展兩個PN結阻擋層的寬度，有利于其解決漏極電流問題。而場效應管屬于電壓控制型半導體物件，其具有噪音小、功耗低、輸入電阻高等特征，是目前雙極型晶體管最常見的目標。另外，場效應管擁有較強的放大功能，通過組合功能來組建放大電路，并具有下面特征：第一，場效應管能利用UGS來進行控制；第二，由于場效應管輸入端電流輸出量較低，表示其輸入電阻較高；第三，放大電路電壓功率要低于三極管所構成的放大電路電壓系數。目前，在電路日常工作中，工作人員利用檢測場強信號，來確定場強信號是否達到提前預期標準，如果并未達到指定標準，工作人員可利用場效應管來對其進行放大處理，然后將該信號傳輸到下階段的信號調理電路中，工作人員采用最專業的方式進行換算后，能準確查看周圍場強大小，有利于工作人員檢測接觸網上是否存在高壓現象。

1.1.3 專用的霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器是指將磁場應用到金屬導體中，讓其出現橫向電位差物理現象。當電流通過金屬箔片時，如果垂直電流出現磁場，則表示金屬箔片兩側很可能出現電位差，而工作人員通過大量研究表明，半導體中霍爾效應效果要遠超過金屬箔片效果，如果將其放置在特定條件下，甚至會產生霍爾效應。因此，工作人員可提高對霍爾效應的重視程度，來優化整個傳感器類型。由于通電導向周圍存在磁場，其磁場大小與電流數量成正比，工作人員能利用霍爾元件來檢測出磁場強弱和導線電流大小，其具有不影響被測電路、不消耗被測電源功率、不與被測電路產生電接觸等優點[2]。

1.1.4 方案選擇

本文通過分析幾種常見的接觸網高壓檢測方法，發現在日常工作中都具有較強可行性，但在現場應用過程中，整備作業區域的電力軌道數量要超過4個，且每個軌道間距為3m，如果高壓電網并行距離小，感應電場間很可能出現相互影響問題，給其他電場帶來嚴重干擾。

1.2 隔離開關狀態的檢測

1.2.1 開關狀態變量在系統中的運用

在電氣化鐵路整備作業中，工作人員通常采用隔離開關來控制接觸網狀態。操作流程是指通過伺服電機帶動傳動軸旋轉，當其旋轉到指定位置后，隔離開關會自動旋轉到指定位置，從而實現接觸網電路日常運轉工作。同時，在整個操作過程中，會產生明顯的機械運動效果，電機主軸和傳動桿旋轉會相互運動，從而產生135°夾角。因此，工作人員可在該區域安裝一臺開關變量判斷裝置，用來分析隔離開關運動前后的基本狀態，從而判斷接觸網是否存在高壓情況。和霍爾檢測、電場檢測方式相比，這種檢測方式是利用簡單開關狀態來判斷隔離開關狀態，其具有實施簡單、思路清晰、檢測結構方便等優點[3]。

1.2.2 開關變量采集接口

在監測系統中，主要包括A/D轉換接口、I/O并行接口等方式，本文合理分析模擬量輸入輸出接口、開關變量等。首先是開關量采集回路，開關量作為監測輸入回路的重要方式，主要分為斷開和接通兩種狀態，可利用一位二進制數據0和1來表示，一個字節可描述8個開關量。在電氣化鐵道供電系統中，繼電器、斷路器、隔離開關、告警信號等都屬于開關量，其是采用一個通/斷繼電器作為信號源，來提供給接口電路進行收集。通過分析圖2發現，KI-Kn表示第n個開關量，當KI閉合時，會自動連接+E電源，輸入大量高電平，當KI開啟時，則輸入低電平。通過分析輸入輸出情況來看，+E電位較高，可達到24V、110V，而安裝數字電路是利用微機回路來隔離開關量信號所帶來的干擾，而并行I/O接口為實現數據采集功能，其將信號變成規定型號的數據，并將其全部存儲在數據庫中[4]。

圖2 開關量采集框圖

其次為光電隔離電器。數字信號隔離通常是采用光電二極管LED來進行控制，其是由光敏晶體管和LED兩個環節組成，當LED連接到信號源一端時，光敏晶體管通常作為控制角色，當LED連接光敏晶體開關會呈現閉合狀態，由于兩側信號間并未連接其他任何電路，其具有較強的隔離作用。同時，光電隔離能隔離數字信號和模擬信號，其提前放大模擬信號，將A/D轉換為數字信號，再針對數字信號進行隔離[5]。

1.3 信息的檢測和處理

在自動控制系統中，經常需要應用到運算放大器，其將電路單元放大。而功能模塊是以反饋網絡為主體，在早期研究人員就意識到反饋網絡的重要性，將其廣泛應用在計算機中，用來解決數學運算方面存在的問題，能有效提升數學計算效率；運放是利用分立器件來確定名稱的電路單元，通常被工作人員放在半導體芯片中。隨著半導體技術不斷發展，目前運放種類趨于多樣化，被廣泛應用在其他行業中，特別是在工業技術領域應用效果最佳，如被應用在自動控制系統中，先將一種被控制的非電量利用傳感器轉換為電信號，通過將其和其他元素進行對比，能收集中多樣化偏差信號。但由于被放大信號屬于變化緩慢的直流信號，放大器自身有電容器零部件，其根本無法和該信號進行相互結合，所以無法實現信號放大操作[6]。

2 可靠性設計

2.1 硬件可靠性設計

控制系統在運行中，工作人員要根據現場實際情況來設計抗干擾流程，如果對其抗干擾流程重視程度不足，一旦控制系統受到外在因素影響，很容易給程序帶來不同程度的影響，如跑飛、死循環等問題，甚至會給程序、儀器帶來嚴重損壞，如果出現這種情況，會讓在正常工作的機構失去控制，如果工作人員沒有在規定時間內解決問題，很容易損害其他裝置性能。同時，在本系統日常工作中，設備受到電磁干擾，很容易影響到設備性能，從而形成嚴重的電磁干擾問題。近年來，我國鐵路電氣化路線建設規模不斷拓展，有效提高了列車運行速度，電力機車逐漸成為我國主要的運輸工具，和其他機車相比，其具有多樣化優勢，如運行功率大、超長交路、速度快、無污染等。其中電磁干擾源種類趨于多樣化，如元件物理性質、周圍設備、自然因素等，經常干擾源有磁場干擾、各種放射干擾、脈沖干擾等；耦合通道是將干擾源通過各種途徑傳輸到被干擾設備上的媒介，通常以I/O信號輸入輸出線為主體；敏感設備則是表示被干擾的設備。

2.1.1 電源抗干擾

隨著工業生產不斷發展，市電電網電源存在大量污染問題和干擾信號，給線路系統帶來不同程度的影響。因此，工作人員要加強對電源抗干擾性能的重視程度，利用電源濾波技術來提高電源抗干擾性能，由于整個電源電路主要包括穩壓電路、整流電路、變壓器等環節，該種電壓通過二極管和濾波電容相互連接，從而形成直流電壓。但由于在電路中有很多方面位置需要采用+12V電壓，所以在整流后將MC78057和MC7812T進行相互連接，從而得到兩種不同類型的直流電壓[7]。

2.1.2 地線抗干擾

目前電力機車整備作業方式存在很多方面的問題，如勞動強度大、工作效率低等，給接觸網作業帶來各種問題，甚至會出現嚴重的安全事故，所以如何保證工程人員人身安全成為目前鐵路部門急需考慮的問題。本系統中數字電路和模擬電路屬于共同存在的情況，所以當所有數字地和模擬地進行相互連接時，工作人員可將電路中模擬地和數字地電源集中在一點，并用地線將數字區和模擬區隔離起來，從而有效避免模擬電路和數字電路通過地線回路相互干擾。

2.2 軟件可靠性設計

2.2.1 看門狗技術

軟件可靠性作為控制系統的重要環節，其性能和控制系統作用具有直接聯系，一旦其出現任何問題，很容易給控制效率帶來嚴重影響。因此，相關企業要加強對軟件可靠性的重視程度，單片機系統可提前設計看門狗電路，當WDI端超過1.6秒未被進行投喂時，RST端會自動發布脈沖信號，再采用單片機進行復位。

2.2.2 MCU口線刷新

在MCU結構中，I/O電路被工作人員設計在管芯邊緣位置，但由于其靠近外部，經常有很多方面的影響因素，會給邏輯電路日常運行帶來不同程度的影響。因此，在設計用戶程序中，工作人員要加強對外在因素的重視程度，及時優化I/O數寄存器和方向寄存器，減少系統出現的錯誤操作[8]。

3 結語

綜上所述，安全在整個鐵路運輸中占據重要位置，一旦相關企業在日常工作中管理出現問題，或者未嚴格遵循行業規則制度進行作業操作，導致工作人員在接觸網帶電環境中工作，會出現嚴重的安全事故。因此，本文通過分析鐵路企業對電力機車整備作業的基本要求，利用多冗余多重安全保護設計理念，來設計多樣化接觸網檢測裝置，通過對不同檢測信號進行合理處理，及時檢測出接觸網是否帶電，從而解決單一檢測裝置檢測準確度不高的問題。