韓 龍，景利學(xué)，王 佳

（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國電氣化鐵路的迅速發(fā)展，列車重量以及列車速度不斷增加與提高，電力牽引電流也隨之增加，牽引電流對(duì)信號(hào)設(shè)備造成的影響與干擾也逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)設(shè)備損壞，增加列車行車的危險(xiǎn)性。電氣化鐵路在檢修信號(hào)設(shè)備時(shí)，也要測(cè)量軌道不平衡牽引電流，因此需要定期檢測(cè)軌道的不平衡系數(shù)、分析其變化曲線，以使信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。

現(xiàn)階段，對(duì)牽引回流進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，是把電流互感器夾在軌道上，當(dāng)列車通過時(shí)，工作人員快速讀取計(jì)數(shù)并手工記錄下后繪成圖表，通過人工對(duì)圖表進(jìn)行分析確認(rèn)設(shè)備是否有故障。為便于對(duì)鋼軌牽引電流進(jìn)行定期測(cè)試，設(shè)計(jì)了一款基于C8051F340單片機(jī)的鋼軌牽引電流檢測(cè)與記錄儀，可對(duì)牽引電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便有關(guān)人員在上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原與分析并及時(shí)排除故障。

1 鋼軌牽引電流檢測(cè)的意義

1.1 牽引電流對(duì)軌道電路的干擾源及影響 在電力牽引區(qū)段（簡(jiǎn)稱電化區(qū)段），變電所通過接觸網(wǎng)與受電弓供給機(jī)車的牽引電流，有大約一半流經(jīng)2條鋼軌和扼流變壓器返回牽引變電所，其余的由大地漏泄返回。同時(shí)，2條鋼軌作為軌道電路的導(dǎo)體，傳輸移頻信息等信號(hào)電流，如圖1所示。

這2種不同性質(zhì)的電流在同一鋼軌中傳輸時(shí)，牽引電流會(huì)對(duì)軌道電路信息以及信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生干擾與影響。干擾主要源于軌道電路中2條鋼軌中牽引電流的不平衡及電磁干擾，干擾量的大小與牽引電流和不對(duì)稱情況等因素有關(guān)。牽引電流對(duì)軌道電路的干擾源及影響主要有[1]：

1）瞬態(tài)沖擊電流干擾。電力牽引機(jī)車在加速、減速，受電弓升弓、降弓或進(jìn)入分相絕緣段轉(zhuǎn)接時(shí)，牽引電流中出現(xiàn)一個(gè)沖擊電流，導(dǎo)致牽引電流以50 Hz基波為主，并含有低次諧波分量，且能量主要集中在牽引電流的奇次諧波上。侵?jǐn)_后的牽引電流會(huì)造成軌道電路不可靠工作或者錯(cuò)誤動(dòng)作。

2）不平衡牽引電流的干擾。電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，牽引電流通過受電弓流經(jīng)機(jī)車、鋼軌和大地，再返回牽引變電所。由于2條鋼軌阻抗不完全對(duì)稱相等，以及鋼軌對(duì)大地的漏泄電阻不同，會(huì)造成牽引電流回流不暢通，從而產(chǎn)生不平衡的牽引電流，會(huì)對(duì)軌道電路和信號(hào)設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾，甚至導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備損壞[2]。

圖1 自動(dòng)閉塞原理框圖

1.2 鋼軌牽引電流檢測(cè)的必要性 針對(duì)軌道電路的縱向不平衡（有效電阻和感抗的不對(duì)稱）和橫向不平衡（絕緣電導(dǎo)的不對(duì)稱），可采取相應(yīng)的措施來減少牽引電流對(duì)軌道電路以及信號(hào)設(shè)備的干擾。例如改善鋼軌接續(xù)線的運(yùn)用狀態(tài)以保證2條鋼軌阻抗對(duì)稱相等；采用等阻線改善由于扼流變壓器連接線長度不同，而引起阻值不相等的現(xiàn)象，以及接觸網(wǎng)的塔桿接地線通過火花間隙器間接地接向鋼軌等方法[3]。但由于鋼軌材質(zhì)及其磨損狀態(tài)不一致、軌條絕緣電導(dǎo)不對(duì)稱、鋼軌漏泄電阻不同等不可抗拒的外界因素，無法實(shí)現(xiàn)牽引電流絕對(duì)平衡，為了減少牽引電流對(duì)信號(hào)設(shè)備的影響，掌握鋼軌牽引電流回流及不平衡程度，分析評(píng)估對(duì)軌道電路的干擾與影響，對(duì)牽引電流的檢測(cè)就顯得十分必要。

2 檢測(cè)記錄儀的硬件及軟件組成

2.1 硬件組成 鋼軌牽引電流檢測(cè)記錄儀的硬件主要包括用于采集鋼軌牽引電流的接收線圈、濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、C8051F340微控制器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 記錄儀結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主控制器 C8051F340是Silicon Lab推出的高性能單片機(jī)，采用了高速的8051控制器內(nèi)核，速度高達(dá)48M IPS，是普通8051單片機(jī)的24倍，有4個(gè)16位定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)及40個(gè)耐壓達(dá)到5V的I/O口，同時(shí)該芯片還集成了UART串口、SPI和SMBUS等接口，為控制外圍設(shè)備并和外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信提供了方便。

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器采用16位高精度的AD7705芯片，該芯片是雙通道全差分模擬輸入，可編程前端增益，增益范圍1～128，帶有自校準(zhǔn)功能，可以直接接受來至傳感器的低電平輸入信號(hào)。

AD7705與C8051F340連接，如圖3所示。

圖3 AD7705與控制器的連接方式

SCLK，DIN，DOUT，DRDY分別與單片機(jī)的 4個(gè)I/O引腳連接，MC1403為AD7705提供精確的基準(zhǔn)電壓，PCF8653時(shí)鐘芯片提供的時(shí)間值作為對(duì)已存數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)的時(shí)間特征量。

根據(jù)復(fù)雜的鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，電路所選器件的工作溫度都適于-40℃～85℃。儀器本身具備一定的抗電磁干擾和防水防潮功能。

2.1.3 工作流程 通過安裝在鋼軌下方的感應(yīng)線圈獲得包括軌道移頻信息和牽引電流及各次諧波的混合信號(hào)，再經(jīng)過濾波電路將牽引電流之外的其他信號(hào)濾除，信號(hào)調(diào)理模塊把采集到的電壓經(jīng)過降壓、電平抬升調(diào)整到AD7705的輸入信號(hào)范圍。AD7705的采樣頻率可以通過軟件設(shè)置更改，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息保存到SD卡中。SD卡與C8051F340通過SPI串口方式通信。由于AD是16位的，保存到的信息是以高八位、低八位交替出現(xiàn)，并且存有定時(shí)讀取的時(shí)間值，以便數(shù)據(jù)按時(shí)間要求進(jìn)行提取。

2.2 軟件組成 儀器的軟件主要包括主程序、AD7705與微控制器的接口程序、中斷程序、PCF8653時(shí)鐘芯片的時(shí)間讀取程序、SD卡的文件系統(tǒng)程序以及讀寫程序。采用C語言編程方式。

2.3 功能特點(diǎn)

2.3.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集功能 系統(tǒng)在上電以后，全天候?qū)崟r(shí)對(duì)鋼軌牽引電流進(jìn)行采集。根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的容量和蓄電池組的性能，確定最大采集時(shí)間，及時(shí)將保存的數(shù)據(jù)取回。

2.3.2 數(shù)據(jù)保存功能 對(duì)實(shí)時(shí)采集的鋼軌牽引電流及對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息進(jìn)行保存，以便必要時(shí)在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與分析。還原的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示，并顯示出當(dāng)時(shí)的時(shí)間量?？梢愿鶕?jù)要求調(diào)取某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.3 操作簡(jiǎn)單且攜帶方便 該儀器體積小、重量輕，攜帶方便，易于操作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，可以靈活安裝。

3 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)述了牽引電流對(duì)軌道電路以及信號(hào)設(shè)備的干擾與影響，結(jié)合目前電務(wù)部門在檢修信號(hào)設(shè)備時(shí)的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的牽引電流檢測(cè)與記錄儀，提供牽引電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于有關(guān)人員的分析并及時(shí)排除故障，提高列車行車的安全性。

該儀器實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、安裝靈活，可以不斷地完善儀器功能，通過增加濾波電路和采集通道對(duì)移頻信息等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

[1]馬智芳.電氣化牽引電流對(duì)信號(hào)軌道電路的干擾及防護(hù)措施[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2004（03）：17-19.

[2]張生軍.電氣化區(qū)段軌道電路牽引電流不平衡的防護(hù)措施研究[J].光盤技術(shù)，2008（08）：46-47.

[3]郭進(jìn)，魏艷，劉利芳.鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備[M]，西南交通大學(xué)出版社，2008

[4]林瑜筠，張鐵增.區(qū)間信號(hào)自動(dòng)閉塞[M]，北京：中國鐵道出版社，2006.