鄭箭鋒，傅勤毅

(1.南昌鐵路局總工程師室，江西 南昌 330002;2.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

接觸網(wǎng)是沿鐵路上空架設(shè)的一條特殊形式的輸電線路，其主導(dǎo)電回路是由饋電線、隔開、隔開引線、承力索、接觸線、電聯(lián)接器、吸變、吸變引線等組成。各部分間由各種電連接線夾進(jìn)行連接，使這一回路沿鐵路延伸，以滿足電力機(jī)車、動車組牽拄供電需求。因此，電連接線夾是接觸網(wǎng)重要的導(dǎo)電連接零件，若因長時間運(yùn)行發(fā)生接觸不良或松動等現(xiàn)象，會使電連接處接觸電阻增加進(jìn)而溫度上升，造成線夾發(fā)熱而燒傷線索，嚴(yán)重時會造成塌網(wǎng)、斷線故障，從而釀成行車中斷事故。在鐵路電氣化接觸網(wǎng)設(shè)備的各類故障中，電氣燒傷故障因其事前難以發(fā)現(xiàn)且危害性大，已引起接觸網(wǎng)零配件生產(chǎn)廠商和電氣化鐵路運(yùn)營單位的高度重視。近年來，相繼采取了以下各種相關(guān)措施:采用電力復(fù)合脂取代中性凡士林，以進(jìn)一步降低接頭與線夾間的接觸電阻;接觸網(wǎng)饋電線與承力索之間的電連接線夾改為“銅鋁過渡電連接線夾”，以解決銅鋁間電腐蝕問題;采用超聲波檢測儀取代紅外線測溫儀，定期對接觸網(wǎng)各電連接部位及線夾進(jìn)行掃描，利用超聲波高頻短波特性及時發(fā)現(xiàn)因線夾松動和絕緣節(jié)不良引起的早期放電現(xiàn)象，以提前預(yù)防電氣燒傷故障，等等。由于高鐵、提速線路等電氣化鐵路運(yùn)輸繁忙，天窗時間有限，供電系統(tǒng)維修人員作業(yè)時間大多在夜間，僅靠人工上道使用超聲波檢測儀對轄區(qū)內(nèi)接觸網(wǎng)各電連接點(diǎn)進(jìn)行掃描，難以發(fā)現(xiàn)線夾松動、絕緣節(jié)不良等早期故障，也難以發(fā)現(xiàn)電連接線夾未按規(guī)定安裝、電力復(fù)合脂老化等潛在因素，從而因接觸電阻過大所導(dǎo)致的接觸網(wǎng)電氣燒傷故障無法得到徹底排查。為了彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)，有些供電段在電連接線夾上粘貼“示溫記錄標(biāo)簽”，利用其色彩隨溫升而變化的特性來監(jiān)測電氣連接的性能和狀態(tài)。但由于該“標(biāo)簽”在高溫范圍內(nèi)顏色變化并不明顯，加上不便于觀察(需借用望遠(yuǎn)鏡觀察)，尤其是當(dāng)線夾因接觸不良引起的溫度變化梯度較大且達(dá)不到“標(biāo)簽”變色溫度時，就會埋下接觸網(wǎng)電氣燒傷隱患，以致這類事故得不到有效的控制。為了進(jìn)一步減少接觸網(wǎng)電氣燒傷故障，本文提出了一種應(yīng)用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)“接觸網(wǎng)電連接線夾溫度檢測裝置”的技術(shù)方案，這種安裝在線夾上的接觸網(wǎng)電連接線夾溫度檢測裝置可對線夾溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，可記錄溫度和溫度變化超過設(shè)定值時的數(shù)值及時間，并以無線方式向用戶傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)，以便維修人員及時對有隱患的線夾進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理與設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)《接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修規(guī)程》，時速200 km以下或以上電氣化區(qū)段一般定期按步行或軌道作業(yè)車方式進(jìn)行巡視，結(jié)合巡視的有關(guān)內(nèi)容，本監(jiān)測裝置中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線采集既可以使用人工手持設(shè)備又可以使用軌道車車載設(shè)備。

監(jiān)測裝置由無線溫度傳感器、手持和車載式數(shù)據(jù)接收機(jī)、PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件共4個部分組成(如圖1所示)。其中，無線溫度傳感器由鋰電池、溫度傳感器和Zigbee無線模塊等組成;數(shù)據(jù)接收機(jī)電路硬件由LCD屏、嵌入式系統(tǒng)、時鐘電路、存儲電路、接口電路和無線接收系統(tǒng)及電源電路等組成。無線溫度傳感器將線夾有用的溫度數(shù)據(jù)保存在本地，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)接收機(jī)無線信號時，立即自動組網(wǎng)并將保存在本地的諸如傳感器編號(安裝地點(diǎn))、時間、傳感器狀態(tài)、溫度、溫度變化值等信息傳送給數(shù)據(jù)接收機(jī);數(shù)據(jù)接收機(jī)即可查詢以上數(shù)據(jù)，也可通過USB線或U盤將接收到的信息下載到地面PC機(jī)利用軟件進(jìn)行分析處理，以便向用戶提供維修決策支持。

圖1 監(jiān)測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Monitoring device system structure diagram

綜合考慮監(jiān)測裝置的安裝、使用和維護(hù)等方面的實(shí)際需求，該裝置的特征有:

⑴無線溫度傳感器具有超低功耗、低成本、電池續(xù)航時間長、質(zhì)量小、體積小等特點(diǎn)，在不改變線夾結(jié)構(gòu)和安裝方式的情況下通過螺栓可以與各種線夾進(jìn)行聯(lián)接，適應(yīng)于露天環(huán)境下的各種溫濕度和氣候條件，可在休眠狀態(tài)下記錄超過規(guī)定值的溫度和相應(yīng)時間、單位時間內(nèi)溫度變化值次數(shù)和相應(yīng)時間等“溫度時間數(shù)據(jù)”，在收到數(shù)據(jù)接收機(jī)的激活信號后，除傳送“溫度時間數(shù)據(jù)”外，還可包括線夾當(dāng)前溫度、電池當(dāng)前電壓值、傳感器當(dāng)前狀態(tài)、無線溫度傳感器編號等信息。

⑵手持式數(shù)據(jù)接收機(jī)除接收、顯示已鏈接的無線溫度測量傳感器數(shù)據(jù)外，可以對該傳感器編號進(jìn)行修改，可以向用戶提供歷史數(shù)據(jù)瀏覽，通過UBS線與PC機(jī)聯(lián)機(jī)下載數(shù)據(jù)等。

⑶車載式數(shù)據(jù)接收機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾性，采用軌道車DC24V供電和外置天線，通過增大發(fā)射信號功率，提高接收信號靈敏度以增加系統(tǒng)傳輸距離，確保軌道車以時速40 km通過各線夾溫度測試點(diǎn)時能可靠接收數(shù)據(jù)。該接收機(jī)可以通過U盤下載數(shù)據(jù)，并通過PC機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 系統(tǒng)硬件

監(jiān)測裝置硬件系統(tǒng)核心部分主要有無線溫度傳感器和車載數(shù)據(jù)接收機(jī)無線收發(fā)功放電路。

1.2.1 無線溫度傳感器

相對于Wi－Fi和BlueTooth而言，Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸速率較低，100 m范圍內(nèi)只有250 kb/s，但由于其低電流損耗和低成本，越來越得到更多領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用。TI公司射頻芯片CC2430含有1個高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，具有外部中斷喚醒、電池電壓監(jiān)視、看門狗等功能，電源電壓范圍為2.0～3.6 V，電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時，Rx為27 mA，Tx為25 mA)、小尺寸QLP48封裝(7 mm×7 mm)。該芯片作為RF收發(fā)器時，它可以工作于全球通用的2.4 GHz頻段，符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，同時還結(jié)合了Z Stack協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)更加靈活。

因此，選用CC2430作為系統(tǒng)的RF收發(fā)器，不僅可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且容易滿足本系統(tǒng)超低功耗、低成本、工作時間長、重量輕、體積小等設(shè)計(jì)需求。

同樣，選用溫度傳感器也應(yīng)符合上述的設(shè)計(jì)原則。美國ADI公司AD7416芯片內(nèi)含1個溫度傳感器和1個10位AD轉(zhuǎn)換器，可以0.25℃的分辨率將所測溫度數(shù)字化;其片內(nèi)寄存器和溫度比較器可以將溫度與設(shè)定的高低門限進(jìn)行比較，電壓范圍為2.7～5.5 V，溫度測量范圍為 －55 ～125 ℃，尤為重要的是該芯片可以被編程在低功耗掉電方式下工作，電流僅為0.2 μΑ。因此，選用 AD7416芯片作為溫度傳感器不僅簡化了設(shè)計(jì)，而且進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。溫度傳感器對線夾溫度實(shí)時測量后，以10位二進(jìn)制形式保存在芯片寄存器內(nèi)，芯片內(nèi)溫度比較器把實(shí)測的溫度值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，若超過門限值則在OTI段輸出高低電平。另外，可以通過I2C總線接口對其內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫操作。

無線溫度傳感器采用銅合金安裝基板，環(huán)氧樹脂全密封封裝。銅基板通過線夾安裝螺栓與線夾連接，其間接觸面涂上硅脂進(jìn)行導(dǎo)熱。為了滿足機(jī)車取流和接觸網(wǎng)線對重量的要求，無線溫度傳感器質(zhì)量僅為53 g，長 ×寬 ×厚為82 mm×47 mm×10 mm。圖2所示為無線溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 無線溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Wireless temperature sensor schematic diagram

1.2.2 無線收發(fā)功放電路

如車載數(shù)據(jù)接收機(jī)僅僅靠CC2430芯片內(nèi)部集成的無線收發(fā)器與無線溫度傳感器進(jìn)行通信，那么其通信距離會受到限制。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn):2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在可視的情況下，其通信距離為10～100 m。為了確保軌道車以時速40 km的速度通過線夾測溫點(diǎn)時可靠接收數(shù)據(jù)，在CC2430元件與天線間增加無線收發(fā)功放電路，以增大發(fā)送、接收信號的功率。

圖3所示為無線收發(fā)功放電路與CC2430連接示意圖:包括由電容和電感組成的巴倫(Balun)電路，單刀雙擲開關(guān)，低噪聲放大(LNA)和功放(PA)電路，帶通濾波和收發(fā)轉(zhuǎn)換電路等。CC2430的射頻接口是雙向差分式端口，由巴倫電路完成兩端口到單端口之間的切換。收發(fā)轉(zhuǎn)換電路由Fairchild公司的NC7886和NC7804以級聯(lián)方式構(gòu)成，用于檢測CC2430的TX/RX_SWITCH腳的高低電平，來控制2個單刀雙擲開關(guān)。功放電路以Bubec公司的UP2202V為放大器，將射頻信號放大到期望值，以增大車載數(shù)據(jù)接收機(jī)的無線傳輸距離。由于UP2202V與CC2430供電電壓相同(3.3 V)，且內(nèi)部輸入已匹配50Ω，因此，電源設(shè)計(jì)簡單，無需阻抗匹配。

圖3 無線收發(fā)功放電路與CC2430連接示意圖Fig.3 Diagram of wireless transceiver amplifier circuit connecting with CC2430

低噪聲放大電路也采用Bubec公司UA2723芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，UA2723的供電電壓為3.3 V，無需阻抗匹配。為了保證低噪聲功放靈敏度，UA2723的電源需經(jīng)低靜態(tài)電流電源調(diào)整器進(jìn)行穩(wěn)壓。由于低噪聲放大器位于接收機(jī)的最前端，需要有較小的噪聲系數(shù)和適當(dāng)?shù)脑鲆妫蕴岣呓邮諜C(jī)的靈敏度，因此，在低噪聲功放的輸入端增加帶通濾波電路，即采用耦合微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證帶通內(nèi)衰減小于2.5 dB，2.35 GHz以下和2.45 GHz以上衰減大于30 dB。

CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口RF_P/RF_N至巴倫電路，經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路選通的功放電路放大后由天線發(fā)射;CC2430接收信號時，在TX/RX_SWITCH的控制下，天線接收到的信號經(jīng)帶通濾波、低噪聲放大，巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P/RF_N端口接收。

1.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括無線溫度傳感器CC2430軟件和PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件。CC2430軟件包括無線溫度傳感器對溫度的采集與保存，數(shù)據(jù)接收機(jī)與無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，數(shù)據(jù)發(fā)送控制等。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制流程如圖4所示，圖5所示為數(shù)據(jù)發(fā)送控制的流程。

PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件采用了VB6.0.net開發(fā)編制，系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護(hù)等模塊，可以基于時序的曲線窗口和基于數(shù)據(jù)的圖形窗口方式向用戶提供某供電所、供電區(qū)間、公里標(biāo)處線夾出現(xiàn)超過門限值的溫度或溫升情況。數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)庫管理模塊用于數(shù)據(jù)接收機(jī)數(shù)據(jù)下載，并以所要求的格式存儲到數(shù)據(jù)庫中;數(shù)據(jù)分析模塊用于下載數(shù)據(jù)的分析，以便用戶準(zhǔn)確找到出現(xiàn)高溫線夾的位置;系統(tǒng)維護(hù)模塊可以實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的用戶分級管理，可以對線夾位置、線夾編號、供電所和供電區(qū)間名稱、公里標(biāo)等信息進(jìn)行維護(hù)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制流程Fig.4 network node networking control process

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送控制流程Fig.5 Data transmission control process

2 結(jié)論

該監(jiān)測裝置于2010年12月研制完成并投入試用，2013年1月，通過技術(shù)鑒定。由于其無線溫度傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，運(yùn)行于低功耗模式，在密封情況下由紐扣電池(電壓為3.6 V，容量為1.7 Ah)供電，使用壽命可達(dá)3.5 a，且具有體積小、重量輕、便于安裝、測量準(zhǔn)確(誤差＜1%)和無線數(shù)據(jù)傳輸靈活等特點(diǎn)。是一種較為實(shí)用的線夾溫度在線檢測裝置，可作為既有“示溫記錄標(biāo)簽”的替代品。它的推廣應(yīng)用不僅可以發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)電連接線夾早期燒損故障，而且可以大幅降低牽引供電維修人員巡視的勞動強(qiáng)度，為保障牽引供電網(wǎng)的供電安全發(fā)揮重要作用。

［1］瞿 雷，劉盛德，胡成斌.Zigbee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.QU Lei，LIU Shengde，HU Chengbin.ZigBee technology and its application［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2007.

［2］趙良田.接觸網(wǎng)事故案例［M］.北京:中國鐵道出版社，1996.ZHAO Liangtian.Catenary accident case［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1996.

［3］馬永強(qiáng)，李靜強(qiáng)，馮立營.基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片CC2430［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006(3):46－48.MA Yongqiang，LI Jingqiang，F(xiàn)ENG Liying.RF chip CC2430 based on Zigbee technology［J］.Microcontrollers and Embedded Systems，2006(3):46 －48.

［4］寧炳武，劉軍民.基于CC2430的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008(3):95－99.NING Bingwu，LIU Junming.The design of Zigbee network nodes based on CC2430［J］.Application of Electronic Technique，2008(3):95－99.

［5］梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010(2):15－17.LIANG Guangsheng，LIU Danjuan，HAO Fuzhen.Design of Zigbee wireless network node based on CC2430［J］.E-lectronic Design Engineering，2010(2):15 －17.

［6］黃傳勝，王娜娜，黃丹丹.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度測量［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，34(22):52－54.HUANG Chuansheng，WANG Nana，HUANG Dandan.Temperature measurement based on Zigbee wireless network［J］.Modern Electronics Technique，34(22):52 －54.

［7］鐵運(yùn)〔2007〕69號，接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程與接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修規(guī)程［S］.〔2007〕No.69，Ministry of railways.Catenary safe work procedures and catenary operation and maintenance procedures［S］.