鐵道信號電纜絕緣在線檢測

　　1 引言

　　保證電纜對地絕緣性能良好是實現鐵路電氣化和自動化重要而又基礎性的環節。對于一個中型車站而言，其控制室所控制的區域除站場外，還包括近十公里范圍的區間線路，他們之間電源及信號的傳輸，依靠上千根置于地溝內的電纜完成;因此，必須定期對電纜的絕緣性能進行檢測;由于鐵路運輸是不間斷的，電纜絕緣測試只能在電纜帶電的情況下進行，這對于在線監測來說，除滿足檢測精度的要求外，在針對電氣化線路的強電干擾和雷擊方面，對監測系統的可靠性和安全性有著特殊的要求。采用omorn公司的cs1型作為監測系統的核心，不僅滿足了對于可靠性和安全性要求，簡化了系統結構，而且大大提高了系統的可維護性。

　　2 系統概述

　　鐵道信號電纜在線檢測系統原理結構圖如圖1所示，測試電源的測試極接入切換電路，切換電路按切換地址依次將測試電源接入被測電纜，測試電源的另一極和接地線(采樣點)分別接在采樣電阻的兩端，采樣電阻上得到的信號經絕緣檢測電路轉換為1~5v直流電壓信號，至plc的a/d模塊實現數據的采集。plc通過通訊模塊與上位機相連，上位機不僅根據相應的規程要求發出絕緣測試命令，分析與管理所有的數據，而且實現與各級管理部門的網絡通訊。

　　3 信號切換與信號保護

　　由于需要檢測的電纜數量大，但采樣周期沒有具體的限制，因此采用切換方式檢測可以簡化系統結構，也保證系統的可擴展性。如圖2所示，切換電路由切換繼電器及繼電器控制電路組成，繼電器的常閉接點相互串聯，與測試電源us相連，保證us的傳遞;常開接點與被測電纜相連，輸出測試信號。繼電器切換過程由plc控制，plc的采樣程序流程框圖如圖3所示。

　　信號保護指在檢測過程中如何保護被檢測信號的安全，由于切換過程中被檢測電纜高度集中，因此，切換電路必須防止被測電纜的相互短路。在故障情況下，若發生二個繼電器同時吸合，前面繼電器常開接點“接通”，向相應被測電纜輸出測試信號的同時，常閉接點“斷開”，切斷與后面電路的連接，從結構上防止了二路電纜的“短路”。

　　4 系統可靠性分析

　　由于plc為該監測系統的下位機，完成檢測控制、切換控制、數據采集(a/d轉換)、及數據通訊等核心工作，從總體上保證了系統的可靠性。作為檢測系統的前置電路，絕緣檢測電路在電路結構上采取信號輸入、輸出及電源等多重隔離措施，使系統和電路在受到由被測電纜引入的電氣化或雷擊等的強電沖擊時，得到有效的保護。

　　5 測量精度分析

　　絕緣電阻測量的基本方法有三種：惠斯登電橋法(零點法)、電容充電法和電流電壓法。本系統采用常用的電流電壓法測量電纜絕緣電阻。電流電壓法的原理簡單可靠，如圖4所示。

　　在測量電壓us(us=500v)穩定的條件下，采樣電壓u1與回路中的電流ix成正比;

　　因為測量電壓us為穩定電壓源，限流電阻ro和采樣電阻rm均為已知的固定值，因此采樣電壓u1與絕緣電阻rx之間為單值反比關系，函數關系曲線如圖5所示。

　　由圖5曲線可以看出，絕緣電阻rx與信號電壓u1之間，絕緣值越小，曲線的斜率越大，既絕緣電阻值每變化一個單位，信號電壓u1的變化值越大。其檢測精度就越高。反之，當絕緣值增大的情況下曲線的斜率減小，絕緣電阻值每變化一個單位，信號電壓u1的變化值減小;而電纜的檢測過程是在線檢測，信號中包含了很強的噪聲，由于信噪比降低，因此測量誤差增大。

　　信號電纜的放置環境條件和長度有很大差異，電纜絕緣的等效電阻也相差很大，正常情況下有的可達幾百兆歐，有的僅幾十千歐;要求0～20兆歐范圍具有基本一致的檢測精度，就要在全程范圍內保持基本一致的斜率。

　　由公式(3)不難看出，改變采樣電阻rm可有效改變曲線斜率;圖6所示為本系統的設計的分段斜率曲線，及相應的采樣電阻等效電路原理見圖7。

　　由圖7可以看出，將采樣電阻分成r1～r5五個電阻，其中r2、r3、r4、r5分別與穩壓管w2、w3、w4、w5相并聯，且r1

　　不難理解，絕緣電阻rx在5～20兆歐范圍內時，測量電流ix流過r5所產生電壓u5小于穩壓管w5的穩壓值，穩壓管截止;顯然w1、w2、w3、w4均截止，此時的采樣電阻rm最大：

　　若rx減小，隨著ix增大，u5上升;當rx小于5兆歐，u5大于w5的穩壓值，w5導通，將u5穩定在w5的穩壓值。rx在1～5兆歐范圍內，w1、w2、w3、w4截至，w5導通，rm減小

　　同理：rx在200k～1m范圍內：

　　顯然，采用圖4所示的采樣電阻電路，可以改變rx與u1之間非線性，使之線性化;若測量精度要求高，可增加分段;若測量過程中，干擾噪聲不大，也可再通過軟件對各分段區間在進行插值處理。在所研制的信號微機檢測系統電纜絕緣檢測回路中，在硬件上將檢測范圍分為5段，然后在軟件上將每一段再分為4段插值進行標定，保證測量的相對精度在5%以內。

　　采取上述措施之后，不僅達到了較高的檢測精度，而且保證了測量的穩定性。

　　6 結束語

　　自1998年7月至今本系統已在廣深線的仙村、茶山、石灘、東莞等站可靠運行數年，且各項技術指標均達到設計要求。